壓電效應

壓電效應是在1880年由法國著名的物理學家皮埃爾·居里與雅克·保羅·居里發現的。剛開始，皮埃爾致力於焦電現象 和晶體對稱性關係的研究，最後兄弟倆卻發現，在某一類電介質中施以壓力會有電性產生。他們系統的研究了施壓方向與電場強度之間的關係，以及預測某類電介質具有壓電效應。

壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。

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，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，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。壓電式感測器大多是利用正壓電效應製成的。

是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用逆壓電效應製造的變送器可用於電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，並非所有晶體都能在這5種狀態下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

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聲波信號。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應用。例如，壓電材料已被用來製作智能結構，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佔有重要的地位。

利用壓電效應可以做出各種各樣的壓電材料，壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應用，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應用。

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。目前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，如抗雜訊電話、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應用，如用於水下探測的大面積感測器陣列和監視系統等，隨後應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蕩，從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。

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，獲得了最為成功的應用、PVDF薄膜優異的柔韌性和成型性，使其易於應用到許多感測器產品中。

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應用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。要使這些創造性設想獲得實際應用，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。在潛在國防應用前景的推動下，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、減振降噪等領域應用，還需要進行大量的探索。

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，所以在連接時要特別注意，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，較高的頻率響應，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。

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佔感測器重量的一半。

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，輸入到前置放大器后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。

在機器人接近覺中的應用（超聲波感測器）

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。

超聲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。超聲波因其波長較短、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聲波。發射器發出一連串超聲波后即自行關閉，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。當超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發射超聲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應用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

明顯呈現壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。一般壓電材料有陶瓷類的鈦酸鋇（PZT）、單晶類的石英（水晶）、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽等，或是薄膜類的氧化鋅（ZnO）。

常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）作為一種新型的高分子物性型感測材料得到廣泛的應用。

壓電效應是某些介質在力的作用下產生形變時，在介質表面出現異種電荷的現象。實驗表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對應的兩表面電勢差（電壓）也越大。這種神奇的效應已被應用到與人們生產、生活、軍事、科技密切相關的許多領域，以實現力──電轉換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性，可以生產出不用火石的壓電打火機、煤氣灶打火開關、炮彈觸發引信等。此外，壓電陶瓷還可以作為敏感材料，應用於擴音器、電唱頭等電聲器件；用於壓電地震儀，可以對人類不能感知的細微振動進行監測，並精確測出震源方位和強度，從而預測地震，減少損失。利用壓電效應製作的壓電驅動器具有精確控制的功能，是精密機械、微電子和生物工程等領域的重要器件。可以說，壓電陶瓷等器件不僅廣泛應用於科技領域，還頗具“平民性”，對廣大“煙民”來說，天天與壓電陶瓷發生著“零接觸”，卻熟視無睹其存在。

目前流行的一次性塑料打火機，有相當一部分是採用壓電陶瓷器件來打火的。取出其中的壓電打火元件，壓電打火機的電壓陶瓷元件產生的瞬間電壓用什麼儀器可以測量呢？起初，我們試圖用普通指針式多用電錶直流高壓擋測量，發現每次按動點火元件的黑色塑料壓桿時，由於兩個電極接出的電壓只能使指針略微抖動一下。分析原因是，因為電壓脈衝持續時間甚短，指針慣性較大，指針無法同步體現電壓的變化做大幅偏轉。換用數字顯示型多用電錶，本以為其無指針慣性影響，應該能讀出瞬間高電壓來，誰知事與願違，我們根本看不到預想的高電壓讀數，只能看到一些變換不定的低電壓數據。分析起來，這是由於液晶顯示響應速度較慢，點火電壓脈衝持續時間甚短，來不及顯示最高瞬間電壓，只能顯示電壓降落（較平緩階段）過程中的某些隨機電壓讀數。

最後，我們搬出實驗室的“重磅武器”──示波器，再做一試。我們用的是實驗室最普通的J2459型學生示波器，連接線為兩條普通的帶終魚夾的導線。從理論上講，示波器是利用電子束偏轉后打在熒光屏上顯示光點移動的，電子束慣性極小，應該能“跟蹤”上點火高壓脈衝的變化，實驗結果不出所料。

下面介紹幾種處於發展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應用。

1、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。現在製作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，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應用開發仍是近期的熱點。

徠2、PbTiO3系壓電材料

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材料報道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。目前該材料的發展和應用開發仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。

3、壓電陶瓷-高聚物複合材料

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。在其它超聲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，目前正致力於壓電複合材料產品的開發。

4、壓電性特異的多元單晶壓電體

傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強，從而得到了廣泛應用。但作為大應邊，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。現在美國、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應用的飛速發展。

新領域

近年來人們合成方法研製出許多具有壓電效應和逆壓電效應的聚合物材料，並將這些材料冠名為“人造肌肉”。世界各國的研究者們發起了一項挑戰：看誰能夠最先利用人造肌肉製造出機器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。

(A)在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。

(B)在導電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓電效應發電的示意圖。

(C)當原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時，壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖.

早在1940年，蘇聯就曾發現木材具有壓電性。之後又相繼在薴麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發現了壓電性。1960年發現了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發現電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。

壓電複合材料是有兩種或多種材料複合而成的壓電材料。常見的壓電複合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環氧樹脂）的兩相複合材料。這種複合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，並具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現聲阻抗匹配。此外，壓電複合材料還具有壓電常數高的特點。壓電複合材料在醫療、感測、測量等領域有著廣泛的應用。

有一類十分有趣的晶體，當你對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會產生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。

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。裝有壓電晶體元件的儀器使技術人員研究蒸汽機、內燃機及各種化工設備中壓力的變化成為現實。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。

壓電晶體還廣泛應用於聲音的再現、記錄和傳送。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產生電荷，其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收，並通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說，麥克風中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“說話”或“唱歌”。

piezoelectric polymer

壓電現象是由於應力作用於材料，在材料表面誘導產生電荷的過程，一般這一過程是可逆的，即當材料受到電參數作用，材料也會產生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見的高分子壓電性材料，但是其壓電率太低，而沒有使用價值。在有機高分子材料中聚偏氟乙烯等類化合物具有較強的壓電性質。壓電率的大小取決於分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外，許多含有其他強極性鍵的聚合物也表現出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表現出較強的壓電特性。而且高溫穩定性較好。主要作為換能材料使用，如音響元件和控制位移元件的製備。前者比較常見的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機、麥克風、電話、血壓計等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起，分別施加相反的電壓，薄膜將發生彎曲而構成位移控制元件。利用這一原理可以製成光學纖維對準器件、自動開閉的簾幕、唱機和錄像機的對準件。