壓電體

壓電體（piezoelectric crystal）壓電晶體的簡稱。一種受到應力作用時，會在某些表面上出現電荷，且電荷密度與應力之間有著線性關係或者反過來應變與電場強度之間有著線性關係的晶體。表徵壓電體性能的有介電性能（如ε、tgδ、ρ、E）以及壓電係數，機電耦合係數和機械品質因素Q等。鐵電性材料幾乎都具有壓電性。這類材料很多，除石英晶體之外還有羅息鹽（即酒石酸鉀鈉）、磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀、酒石酸乙烯二胺、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈦酸鋇、硫酸三甘鈦、鈦酸鍶、鈦酸鉛和高分子化合物與複合材料以及氧化鋅與氮化鋁壓電薄膜等。主要用於超聲換能器，壓電蜂鳴器，計測用壓電器件和濾波器，諧振器，延遲線等頻控元器件以及壓電發電機與壓電變壓器等。

某些離子型晶體的電介質，由於結晶點陣的規則分佈，當發生機械變形時，也能產生電極化現象，稱為壓電現象，這類晶體稱為壓電體。常見的壓電體如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇、閃鋅礦等。壓電現象的逆現象稱為電致伸縮，即在晶體帶電或在電場中時，晶體的大小將發生伸長或縮短的現象。目前已知的壓電體達數干種，除了上面提到的離子型晶體電介質外，在非晶、聚合物等材料，以及金屬、導體、半導體、鐵磁體和生物體（如骨骼）中都發現了壓電性。研究表明，只要材料的微觀結構中電荷分佈不對稱，都會具有壓電性。

一般說來，壓電現象可用來變機械振動為電振蕩，電致伸縮可用來變電振蕩為機械振動。例如，在兩塊平行金屬板之間放置石英片，再在金屬板上加交變電壓，而且使交變電壓的頻率與石英片的固有頻率相等，石英片將發生機械共振，利用壓電石英可獲得超聲波。在無線電技術上，壓電石英可製成穩定性很高的高頻振蕩器，可作為時間的標準（石英鐘）及選擇性靈敏的濾波器。

如果按一定方向對水晶晶體上切下的薄片施加壓力，那麼在此薄片上將會產生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會出現電荷，不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，並通以交流電，那麼薄片將會作周期性的伸長或縮短，即開始振動。這種逆壓電效應在科學技術中已得到了廣泛的應用。用水晶可以製作壓電石英薄片，其面積不過數平方毫米，厚度則只有零點幾毫米。別小看這小小的晶片，它在無線電技術中卻發揮著巨大作用。如前所述，在交變電場中，這種薄片的振動頻率絲毫不變。這種穩定不變的振動正是無線電技術中控制頻率所必須的，你家中的彩色電視機等許多電器設備中都有用壓電晶片製作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子錶中有一個核心部件叫石英振子。就是這個關鍵部件保證了石英錶比其他機械錶更高的走時準確度。

1.壓電效應

電介質極化，都是由外加電場引起的。實驗發現有些晶體電介質，由於它們結晶點陣的特殊結構，會產生一種特殊的現象。這就是當它們在外力作用下發生機械形變（伸長或縮短）時，也會產生極化現象，從而在某些相對應的表面上產生異號的極化電荷。例如，石英晶體在1x10 N/m壓強下，承受壓力的兩個表面上出現正、負電荷，從而產生約0.5V的電勢差。這種因機械形變而產生的電極化現象稱為壓電效應（piezoelectrice effect）。能夠產生壓電效應的物體稱為壓電體（piezoelectrics）。典型的壓電晶體有石英（SiO）、電氣石、酒石酸鉀鈉(NaKCHO ·4HO）、鈦酸鋇（BaTiO）等。此外，在一些非晶體、多晶體、聚合物等材料以及金屬、半導體、鐵磁體和生物體（如木材、骨骼、血管和血漿延伸成的薄膜等）中也發現具有壓電性，目前已知的壓電體已有數千種。

2.逆壓電效應

壓電效應還有逆效應，這就是當對壓電體施加電場作用時，晶體會發生機械形變（伸長或收縮），這種現象稱為逆壓電效應，也稱電致伸縮（electostriction）效應。若電極所帶電荷與原來晶片受壓力時產生的電荷同號，則觀察到晶體發生伸張；反之，則發生收縮。如果對壓電晶體加一交變電壓，它將交替地伸縮，從而引起振動。

1．壓電體的熱釋電性質

極性晶體因溫度均勻變化而引起自發極化強度改變的物理現象稱為熱釋電效應。具有熱釋電性質的晶體稱為熱釋電晶體。

晶體具有熱釋電性質必須具備兩個基本條件。其一是結構上無對稱中心；其二是具有自發極化。由此可知，熱釋電晶體是壓電晶體的一個亞類。換言之。熱釋電體必定也是壓電體，但壓電體未必是熱釋電體。業已發現，在可能具有壓電性的二十種點群中，有熱釋電性質的晶類只有十類。它們是點群1；2，m，mm2；3，3m，4，4mm；6，6mm。

熱釋電壓電體已用於製造熱釋電紅外器件。

2．壓電體的鐵電性質

晶體在一定溫度範圍內存在自發極化、且自發極化方向可隨外電場方向反向而反向的物理現象稱為晶體的鐵電性。具有鐵電性的晶體稱為鐵電體。由此可知，晶體具有鐵電性必須具備兩個基本條件。其一必定是熱釋電體；其二是自發極化方向能隨外電場反向而反向。可見鐵電體必定是熱釋電體，當然也必然是壓電體，而壓電體則未必都是鐵電體。常用壓電材料中，壓電陶瓷、鈮酸鋰晶體都是鐵電體，而石英則是不具鐵電性的壓電晶體。

當鐵電體和某些其他晶體發生壓縮和伸長等機械形變時，即使沒有電場作用也會產生極化現象叫做壓電效應，具有壓電效應的物體稱為壓電體，石英、電氣石、酒石酸鉀鈉等都是壓電體。

壓電體發生機械形變時，使壓電體電矩產生變化，表面極化電荷數值也發生改變，壓電效應產生的電量或電勢差，是正比於壓電晶體表面所受的壓力的，因此可以利用來測量各種情況下的壓力。

壓電晶體振蕩器

它是將機械振動轉變為同頻率的電振蕩的器件，它由夾在兩個電極之間的壓電晶片構成，由於壓電晶片的機械振動有一個確定的固有頻率，所以它對頻率非常敏感，石英晶體振蕩器是目前應用最多的一種壓電晶體振蕩器，它廣泛應用於通訊和精密電子設備；小型電子計算機，微處理機以及石英鐘錶內作為時間或頻率的標準。

電聲換能器

除了壓電效應外，還存在逆壓電效應。當有外電壓加到壓電體的某兩個面之間時，則晶片將發生形變，晶片的伸長或縮短取央於外電場的方向，這種逆壓電現象稱為電致伸縮。利用逆壓電效應可以把電能轉換成聲能，因此，可利用壓電晶體製成揚聲器、耳機、蜂鳴器等，特別重要的是製成超聲發生器，目前這種超聲波發生器已廣泛應用于海洋探測、固體探傷，醫療檢查（B超）、清洗、治療疾病等各方面。

利用石英和壓電陶瓷材料就可作成實現熱-電轉換的熱敏感測器（可作溫度計）或實現光-電轉換的光敏感測器（可作紅外探測器）等。

壓電高壓發生器

輸入壓電元件的電振動能量由於電致伸縮可以轉換成機械振動能，此振動能還可通過正壓電效應轉換成電能，從而獲得高電壓輸出，這種獲得高電壓的方法可用來做成引燃裝置，如汽車火花室，打火機、炮彈和手榴彈的引爆壓電雷管等，還可用來作紅外夜視儀和手提X光機中高壓電源等。