壓電效應

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壓電效應(Piezoelectric Effect)

　　壓電效應是指某些電介質在外力作用下發生形變時，電介質的兩邊錶面上會產生電荷積累和電壓的現象。

　　壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應：

　　①正壓電效應。是指當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個錶面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。

　　②逆壓電效應。是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形振動的現象，又稱電致伸縮效應。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(決定於晶片的尺寸)相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現象稱為“壓電諧振"。

　　利用逆壓電效應，對壓電材料施加一定的交變電壓信號，使它產生形變而推動空氣發出聲音；將壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應相結合，可完成電信號的傳輸和濾波等。

　　壓電效應在材料方面的應用，一般具有鈣鈦礦、鎢青銅、鉍層狀等結構的材料能產生壓電效應，這些材料的形狀一般呈粉體、纖維狀、薄膜或塊狀，按組成組元分為壓電單晶、壓電陶瓷(壓電多晶)、壓電聚合物、複合壓電材料等。

　　1.壓電晶體

　　較早使用壓電晶體有石英晶體、羅息爾鹽、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨(ADP)、酒石酸乙烯二銨(EDT)、酒石酸二鉀(DKT)和硫酸鋰等，由於陛能上的缺陷，僅有石英晶體仍是最重要，也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等頻控元件的壓電材料。除了石英之外，性能好並且使用量大的壓電晶體是鈮酸鋰(LiNbO₃)和鉭酸鋰(LiTaO₃)，它們大量地用作聲錶面波(SAW)器件。近年來，對弛豫型鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(1 − x)Pb(Mg_{1 / 3}Nb_{2 / 3})O₃ − xPbTiO₃(縮寫為PMN—PT)的研究非常引人關註。

　　總體而言，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，機械品質因數高，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。

　　2.壓電陶瓷

　　與壓電單晶相比，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀，但機械品質因數較低、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應用，但對高頻、高穩定應用不理想。

　　BaTiO₃是最早發現的壓電陶瓷，但存在諧頻溫度特性差的缺點。當用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO₃中的Ba，可以改進BaTiO₃陶瓷的溫度特性，故在廣泛使用PZT壓電陶瓷的今天，仍有部分壓電換能器採用改性的BaTiO₃,電陶瓷。

　　像BaTiO_3的單元系壓電陶瓷，還有PbTiO₃和PbZrO₃等。PbTiO₃陶瓷是一種鈣鈦礦結構的材料，它具有居裡溫度高(490℃)、各向異性大(c／a=1．064)和介電常數小(ε=200)等特點。另外，它的諧頻溫度特性也比較好，並且頻率常數比PZT高，所以是一種很有前途的高溫高頻壓電材料。但是用常規方法很難獲得緻密的純PbTiO₃壓電陶瓷，因為PbTiO₃陶瓷燒結後，冷卻到居裡點(490℃)時易出現微裂紋，甚至破碎。所以常採用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb對其進行改性，使其具有良好的壓電性能 。

　　鋯鈦酸鉛壓電陶瓷簡稱PZT陶瓷，是壓電陶瓷材料中用得最多最廣的一種。PZT的機電耦合繫數高，溫度穩定性好，並且有較高的居裡溫度(～300℃)。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者通過添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素改性後，可以製成許多不同用途的PZT型壓電陶瓷。

　　3.壓電高聚物

　　與壓電陶瓷和壓電晶體相比，壓電聚合物具有高的強度和耐衝擊陛、顯著的低介電常數、柔性、低密度、對電壓的高度敏感陛、低聲阻抗和機械阻抗、較高的介電擊穿電壓，在技術應用領域和器件配置中占有其獨特的地位。以聚偏氟乙烯(PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜壓電性強、柔性好，特別是其聲阻抗與空氣、水和生物組織很接近，因此PVDF在許多技術領域都有應用，特別是用於製作液體、生物體及氣體的換能器，可獲得比用其它壓電材料製作的阻抗匹配更好的換能器。

　　4.壓電覆合材料

　　壓電覆合材料是由兩相或多相材料複合而成的，通常見到的是由壓電陶瓷(如PZT)和聚合物(如聚偏氟乙烯或環氧樹脂)坌且成的兩相複合材料。這種材料兼有壓電陶瓷和聚合材料的優點，與傳統的壓電陶瓷或與壓電單晶相比，它具有更好的柔順性和機械加工性能，剋服了易碎和不易加工成形的缺點，且密度小，聲速低，易與空氣、水及生物組織實現聲阻抗匹配。與聚合物壓電材料相比，它具有較高的壓電常數和機電耦合繫數，因此靈敏度很高。壓電覆合材料還具有單相材料所沒有的新特陛，如當壓電材料與磁致伸縮材料組成的複合材料具有磁電效應。

　　目前壓電材料研究的熱點主要集中在弛豫型單晶(如PMN-PT)、多元體系複合材料(如PZT-PVDF、PLN—PMN—PZT、PLN—PMN—PZT)以及高居裡溫度壓電材料(如BiScO₃ − PbTiO₃、(1 − x)LiNbO_{3 − x}(Na,K)(Nb_yTa_{1 − y})、Pb_xBa_{1 − x}Nb₂O₃ + TiO₂ + Me^{2 +} )、細晶粒壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷材料(如鈦酸鉍鈉)等方面。