压电效应

压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

压电效应是在1880年由法国X的物理学家皮埃尔·居里与雅克·保罗·居里发现的。刚开始，皮埃尔致力于焦电现象 和晶体对称性关系的研究，最后兄弟俩却发现，在某一类电介质中施以压力会有电性产生。他们系统的研究了施压方向与电场强度之间的关系，以及预测某类电介质具有压电效应。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

压电效应原理示意图

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

利用压电效应可以做出各种各样的压电材料，压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。

压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。

（图）换能器

压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高X、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高X则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。

（图）压电驱动器

压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。

压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯X的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。

在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。

（图）超声波传感器

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。一般压电材料有陶瓷类的钛酸钡（PZT）、单晶类的石英（水晶）、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐等，或是薄膜类的氧化锌（ZnO）。

常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。

压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时，在介质表面出现异种电荷的现象。实验表明，这种束缚电荷的电量与作用力成正比，而电量越多，相对应的两表面电势差（电压）也越大。这种神奇的效应已被应用到与人们生产、生活、军事、科技密切相关的许多领域，以实现力──电转换等功能。例如用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。此外，压电陶瓷还可以作为敏感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器件；用于压电X仪，可以对人类不能感知的细微振动进行监测，并精确测出震源方位和强度，从而预测X，减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。可以说，压电陶瓷等器件不仅广泛应用于科技领域，还颇具“平民性”，对广大“烟民”来说，天天与压电陶瓷发生着“零接触”，却熟视无睹其存在。

目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件，压电打火机的电压陶瓷元件产生的瞬间电压用什么仪器可以测量呢？起初，我们试图用普通指针式多用电表直流高压挡测量，发现每次按动点火元件的黑色塑料压杆时，由于两个电极接出的电压只能使指针略微抖动一下。分析原因是，因为电压脉冲持续时间甚短，指针惯性较大，指针无法同步体现电压的变化做大幅偏转。换用数字显示型多用电表，本以为其无指针惯性影响，应该能读出瞬间高电压来，谁知事与愿违，我们根本看不到预想的高电压读数，只能看到一些变换不定的低电压数据。分析起来，这是由于液晶显示响应速度较慢，点火电压脉冲持续时间甚短，来不及显示最高瞬间电压，只能显示电压降落（较平缓阶段）过程中的某些随机电压读数。

最后，我们搬出实验室的“重磅武器”──示波器，再做一试。我们用的是实验室最普通的J2459型学生示波器，连接线为两条普通的带终鱼夹的导线。从理论上讲，示波器是利用电子束偏转后打在荧光屏上显示光点移动的，电子束惯性极小，应该能“跟踪”上点火高压脉冲的变化，实验结果不出所料。

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。

1、细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。

2、PbTiO3系压电材料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。

3、压电陶瓷-高聚物复合材料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

4、压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

新领域

近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料，并将这些材料冠名为“人造肌肉”。世界各国的研究者们发起了一项挑战：看谁能够最先利用人造肌肉制造出机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。

(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。

(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。

(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图.

早在1940年，苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现了压电性。1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。具有较强压电性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龙-11等。

压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外，压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。

有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。

如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力，那么在此薄片上将会产生电荷。如果按相反方向拉伸这一薄片，在此薄片上也会出现电荷，不过符号相反。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多。如果在薄片的两端镀上电极，并通以交流电，那么薄片将会作周期性的伸长或缩短，即开始振动。这种逆压电效应在科学技术中已得到了广泛的应用。用水晶可以制作压电石英薄片，其面积不过数平方毫米，厚度则只有零点几毫米。别小看这小小的晶片，它在无线电技术中却发挥着巨大作用。如前所述，在交变电场中，这种薄片的振动频率丝毫不变。这种稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的，你家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，保证了图像和声音的清晰度。你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。装有压电晶体元件的仪器使技术人员研究蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化成为现实。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及X爆炸时的瞬时压力等。

压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音，而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。

piezoelectric polymer

压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料，但是其压电率太低，而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。

展开[1]压电效应与逆压电效应.www.chinahzkj.com. [2013-04-27].

[2]什么是压电效应.www.elecfans.com. [2013-04-27].