壓電材料

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。

基本介紹

受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱為壓電效應。隨即，居里兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生巨觀極化，而晶體表面電荷面密度等於極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。

利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用於感測器元件中，例如地震感測器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲感測器等。這類材料被廣泛運用，舉一個很生活化的例子，打火機的火花即運用此技術。

材料原理

壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發現的。那么，什麼是壓電效應呢？ 當你在點燃煤氣灶或熱水器時,就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓,進而將電能引向燃氣的出口放電。於是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓,則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超音波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關係確實非常有意思。

壓電石英晶體材料

壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的套用。例如，壓電材料已被用來製作智慧型結構，此類結構除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。

材料分類

無機壓電材料

分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發極化方向反向平行的180 疇和自發極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化（施加強直流電場）條件下，自發極化依外電場方向充分排列並在撤消外電場後保持剩餘極化強度，因此具有巨觀壓電性。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的研製成功，促進了聲換能器，壓電感測器的各種壓電器件性能的改善和提高。

壓電材料

壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵電晶體鈮酸鋰、鉭酸鋰等。

相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩定性差，因而適合於大功率換能器和寬頻濾波器等套用，但對高頻、高穩定套用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。由於鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3單晶體（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特異，國內外上都開始這種材料的研究，但由於其居里點太低，離使用化尚有一段距離。

有機壓電材料

又稱壓電聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）及以它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(g)等優點為世人矚目，且發展十分迅速，水聲超聲測量，壓力感測，引燃引爆等方面獲得套用。不足之處是壓電應變常數（d）偏低，使之作為有源發射換能器受到很大的限制。第三類是複合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫學等領域得到廣泛的套用。如果它製成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓回響速率，而且耐衝擊，不易受損且可用與不同的深度。

換能器

材料套用

壓電材料的套用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器套用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它感測器和驅動器套用。

換能器

換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生機械振動的器件壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應，而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅動下的彎曲振動，利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點，研製運用其它現行技術難以實現的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬頻超聲信號發射系統等。

壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準軍事套用，如用於水下探測的大面積感測器陣列和監視系統等，隨後套用領域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設備等方面。為滿足特定要求而開發的各種原型水聲器件，採用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發揮壓電聚合物高彈性、低密度、易於製備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水數量級相同等特點，最後一個特點使得由壓電聚合物製備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內的聲壓，且不致由於其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內的瞬態振盪，從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。

超音波感測器

壓電聚合物換能器在生物醫學感測器領域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的套用、PVDF薄膜優異的柔韌性和成型性，使其易於套用到許多感測器產品中。

驅動器

壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎，包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式，基於聚合物雙晶片開展的驅動器套用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。要使這些創造性構想獲得實際套用，還需要進行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力，從而為研製新型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防套用前景的推動下，利用輻照改性共聚物製備全高分子材料水聲發射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統地進行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優異特性，研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域套用，還需要進行大量的探索。

感測器

1.壓電式壓力感測器

壓電式壓力感測器是利用壓電材料所具有的壓電效應所製成的。壓電式壓力感測器的基本結構如右圖所示。由於壓電材料的電荷量是一定的，所以在連線時要特別注意，避免漏電。壓電式壓力感測器的優點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率回響，體積小，結構堅固。其缺點是只能用於動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。

2.壓電式加速度感測器

壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，並引出引線。在壓電晶片上放置一個質量塊，質量塊一般採用比較大的金屬鎢或高比重的合金製成。然後用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質量塊預載入荷，整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應變傳送到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來製造，殼體和基座的重量差不多占感測器重量的一半。

測量時，將感測器基座與試件剛性地固定在一起。當感測器受振動力作用時，由於基座和質量塊的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動，並受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有一正比於加速度的應變力作用在壓電晶片上。由於壓電晶片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生交變電荷（電壓），當加速度頻率遠低於感測器的固有頻率時，感測器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由感測器輸出端引出，輸入到前置放大器後就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進適當的積分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。

機器人

機器人安裝接近覺感測器主要目的有以下三個：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運動做好準備工作；其二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發現有障礙，則及時採取一定措施，避免發生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。

超音波是人耳聽見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率範圍只是20HZ－20000HZ。超音波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線並定向傳播，機器人採用超聲感測器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環境中較大的物體，不能測量距離小於30mm的物體。

超聲感測器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈衝式的超音波。發射器發出一連串超音波後即自行關閉，停止發射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開始計時。當超音波遇到物體後，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號後，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發射超音波開始到收到回聲波信號的傳播時間。

利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲感測器之間的距離。這個換算的公式很簡單，即聲波傳播時間的一半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲感測器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。

壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的套用。如鑒頻器、壓電震盪器、變壓器、濾波器等。

發展現狀

下面介紹幾種處於發展中的壓電陶瓷材料和幾種新的套用。

細晶粒壓電陶瓷

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統的摻雜工藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平。製作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，並製作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細晶粒壓電陶瓷的優越性。隨著納米技術的發展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和套用開發仍是熱點。

PbTiO3系壓電陶瓷

PbTiO3系壓電陶瓷具最適合製作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、製作大尺寸產品難的問題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結性。抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報導較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛套用。該材料的發展和套用開發仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。

壓電複合材料

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電複合材料，兼備無機和有機壓電材料的性能，並能產生兩相都沒有的特性。因此，可以根據需要，綜合二相材料的優點，製作良好性能的換能器和感測器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合於水聲換能器。在其它超音波換能器和感測器方面，壓電複合材料也有較大優勢。國內學者對這個領域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，並在複合材料的結構和性能方面做了一些有益的基礎研究工作，正致力於壓電複合材料產品的開發。

多元單晶壓電體

傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強，從而得到了廣泛套用。但作為大應變，高能換能材料，傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。於是近幾年來，人們為了研究出具有更優異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現已發現並研製出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8），其應變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又一次飛躍。美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產工藝研究，它的批量生產的成功必將帶來壓電材料套用的飛速發展。

材料參數

• 壓電係數d33
  壓電係數是壓電體把機械能轉變成電能或把電能轉變成機械能的轉變係數，反應壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關係
  
• 自由介電常數εT33（free permittivity）
  電介質在應變為零（或常數）時的介電常數，其單位為法拉/米。
  相對介電常數εTr3（relative permittivity）
  介電常數εT33與真空介電常數ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一個無因次的物理量。
  介質損耗（dielectric loss）
  電介質在電場作用下，由於電極化弛豫過程和漏導等原因在電介質內所損耗的能量。
  損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）
  理想電介質在正弦交變電場作用下流過的電流比電壓相位超前90 0，但是在壓電陶瓷試樣中因有能量損耗，電流超前的相位角ψ小於900，它的餘角δ（δ+ψ=900）稱為損耗角，它是一個無因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來表示介質損耗的大小，它表示了電介質的有功功率（損失功率）P與無功功率Q之比。即： 電學品質因數Qe（electrical quality factor）
  電學品質因數的值等於試樣的損耗角正切值的倒數，用Qe表示，它是一個無因次的物理量。若用並聯等效電路表示交變電場中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR
  機械品質因數Qm（mechanical quanlity factor）
  壓電振子在諧振時儲存的機械能與在一個周期內損耗的機械能之比稱為機械品質因數。它與振子參數的關係式為：
  泊松比（poissons ratio）
  泊松比系指固體在應力作用下的橫向相對收縮與縱向相對伸長之比，是一個無因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11
  串聯諧振頻率fs（series resonance frequency）
  壓電振子等效電路中串聯支路的諧振頻率稱為串聯諧振頻率，用f s 表示，即
  並聯諧振頻率fp（parallel resonance frequency）
  壓電振子等效電路中並聯支路的諧振頻率稱為並聯諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）
  使壓電振子的電納為零的一對頻率中較低的一個頻率稱為諧振頻率，用f r 表示。
  反諧振頻率fa（antiresonance frequency）
  使壓電振子的電納為零的一對頻率中較高的一個頻率稱為反諧振頻率，用f a 表示。
  最大導納頻率fm（maximum admittance frequency）
  壓電振子導納最大時的頻率稱為最大導納頻率，這時振子的阻抗最小，故又稱為最小阻抗頻率，用f m表示。
  最小導納頻率fn（minimum admittance frequency）
  壓電振子導納最小時的頻率稱為最小導納頻率，這時振子的阻抗最大，故又稱為最大阻抗頻率，用f n表示。
  基頻（fundamental frequency）
  給定的一種振動模式中最低的諧振頻率稱為基音頻率，通常成為基頻。
  泛音頻率（fundamental frequency）
  給定的一種振動模式中基頻以外的諧振頻率稱為泛音頻率。
  溫度穩定性（temperature stability）
  溫度穩定性系指壓電陶瓷的性能隨溫度而變化的特性。
  在某一溫度下，溫度變化1℃時，某頻率的數值變化與該溫度下頻率的數值之比，稱為頻率的溫度係數TKf。
  另外，通常還用最大相對漂移來表征某一參數的溫度穩定性。
  正溫最大相對頻移=△f s (正溫最大)/ f s(25℃)
  負溫最大相對頻移=△f s (負溫最大)/ f s(25℃)
  機電耦合係數（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）
  機電耦合係數K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與貯存的彈性能密度V1與介電能密度V2乘積之比的平方根。
  壓電陶瓷常用以下五個基本耦合係數
  A、平面機電耦合係數KP（反映薄圓片沿厚度方向極化和電激勵，作徑向伸縮振動時機電耦合效應的參數。）
  B、橫向機電耦合係數K31（反映細長條沿厚度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）
  C、縱向機電耦合係數K33（反映細棒沿長度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）
  D、厚度伸縮機電耦合係數KT（反映薄片沿厚度方向極化和電激勵，作厚度方向伸縮振動的機電效應的參數。）
  E、厚度切變機電耦合係數K15（反映矩形板沿長度方向極化，激勵電場的方向垂直於極化方向，作厚度切變振動時機電耦合效應的參數。）
  壓電應變常數D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）
  壓電應變常數是在應力T和電場分量EM(M≠I)都為常數的條件下，電場分量E變化所引起的應變分量SI的變化與EI變化之比。
  壓電電壓常數G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)
  該常數是在電位移D和應力分量TN（N≠I）都為常數的條件下，應力分量TI的變化所引起的電場強度分量EI的變化與TI的變化之比。
  居里溫度TC(CURIE TEMPERATURE)
  壓電陶瓷只在某一溫度範圍內具有壓電效應，它有一臨界溫度TC，當溫度高於TC時，壓電陶瓷發生結構相轉變，這個臨界溫度TC稱為居里溫度。
  溫度穩定性(TEMPERATURE STABILITY)
  指壓電陶瓷的性能隨著溫度變化的特性，一般描述溫度穩定性有溫度係數或最大相對漂移二種方法。
  十倍時間老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一參數
  頻率常數(FREQUENCY CONSTANT)
  對於徑向和橫向長度伸縮振動模式，其頻率常數為串聯諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（直徑或長度）的乘積。對於縱向長度厚度和伸縮切變振動模式，其頻率常數為並聯諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（長度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M