從物理效應到工業應用

"piezo"（壓電）一詞是從希臘語中的“壓力”一詞派生而來的。1880年，雅克?保羅?居里和皮埃爾?居里發現施加壓力能在石英、電氣石等多種晶體中產生電荷，他們將這種現象稱為"piezoelectric effect"（壓電效應）。后來，他們發現電場可以使壓電材料變形。這種效應被稱為"inverse piezoelectric effect"（逆壓電效應）。 當科學家發現在施加電場時鈦酸鋇能在一個有效范圍內利用壓電特性，產業突破?>>便伴隨著壓電陶瓷而來。 壓電效應目前用于點火器、揚聲器和信號轉換器等多種日常用品。此外，由于內燃機中的壓電控制噴射閥減少了傳遞時間，大大改善了平滑度和廢氣質量，壓電促動器技術也在汽車技術中得到認可。

在壓電材料表面施加壓力可以產生電荷。這種直接壓電效應，也稱發電機或傳感器效應，將機械能轉換為電能。 反之，施加一定電壓時，逆壓電效應可以改變此類材料的長度。這種促動器效應將電能轉換成機械能。 單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產生壓電效應。在單晶中，晶格晶胞的不對稱結構，即低于居里溫度TC?時形成的極軸，是產生這種效應的充分必要條件。 此外，壓電陶瓷具有自發極化特性，即晶胞的正負電荷濃度相互分離。同時，晶胞的軸線沿自發極化的方向延伸，產生自發應變。

石英、電氣石和羅謝爾鹽等天然單晶材料的壓電效應相對較小，而鈦酸鋇（BaTiO3）和鋯鈦酸鉛（PZT）等多晶鐵電陶瓷表現出較大的位移或產生更高的電壓。PZT壓電陶瓷材料有許多種類，廣泛運用于促動器或傳感器應用中。PZT陶瓷中帶鎳、鉍、鑭、釹、鈮等離子的特殊摻雜質可特定優化壓電和介電參數。

溫度低于居里溫度T?C?時，PZT微晶的晶格結構開始變形并變得不對稱，使偶極子形成，產生菱形及正方形晶相，而這些都是壓電技術的關注點。陶瓷表現出自發極化特性。溫度高于居里溫度時，壓電陶瓷材料失去其壓電性能。

極化磁疇（圖：IKTS Dresden）

鐵電極化

為了減少材料的內能，陶瓷微晶中形成鐵電疇。鐵電疇內，自發極化的方向都是相同的。 邊界磁疇的不同方向由疇壁隔開。陶瓷的宏觀壓電還需要一個鐵電極化過程。

鐵電極化原理

為此，必須施加一個介電強度為數kV/mm的強電場，使之前無結構的陶瓷化合物中產生不對稱。電場使自發極化進行重定向。同時，向極性磁場方向有擇優取向的磁疇不斷擴大，其他無擇優取向的則不斷收縮。疇壁在晶格中被移動。 極化后，即使不施加電場，大部分重定向也會得以保存。然而，由于內部機械應力等原因，少量疇壁會被移回至原來位置。

極化壓電陶瓷的膨脹

一旦施加電場，陶瓷就會膨脹，極化場強將會減弱。這種效應一部分是因為晶格中離子的壓電位移，稱為內在效應。?外在效應是基于晶胞的可逆鐵電重定向。它隨著驅動場強度的增大而增大，是鐵電壓電陶瓷大部分非線性遲滯和漂移特性的原因所在。

鐵電壓電陶瓷在不同控制振幅下的位移

機電

極化壓電材料可由若干種系數和關系進行定性。

電氣和彈性特性之間的基本關系可以用如下簡化公式表示：

D?：電通密度，T?：機械應力；E：電場；S?：機械應變；d?：壓電應變常數；εT?：介電常數（T=常數）；sE：?柔度或彈性系數（E=常數）

這些關系僅適用于較小的電氣和機械振幅，即所謂的小信號值。在此范圍內，機械、彈性變形S或應力T和電場E或電通量密度D之間是線性關系，系數值是常數。 可在材料數據表中找到這些小信號系數：

軸的分配

軸1、軸2和軸3（對應笛卡兒坐標系的X軸、Y軸和Z軸）表示方向，旋轉軸（坐標系中的U、V和W）用4、5和6表示。 極化過程的產生是通過在兩個電極之間施加一個強電場，極化方向（軸3）在此過程中被建立，且此時壓電陶瓷能達到最大位移。 由于壓電材料具有各向異性，相應的物理量通過張量進行描述，因而壓電系數也通過相應指標表示。

用于描述極化壓電陶瓷特征的正交系。軸3代表極化方向。

壓電系數

彈性柔度sij

彈性柔度系數s是相對變形S與機械應力T的比值。機械能和電能互為依存，因而必須考慮電通量密度D和電場強度E等電磁邊界條件。

示例： s33E恒定電場中方向3上的機械應變與方向3上的機械應力的比值（E = 0:短路） s55E恒定電介質位移下剪切應變與有效剪切應力的比值（D = 0:空載） 常用彈性或楊氏模量Yij大致對應相應彈性系數的倒數值。

頻率系數Ni

頻率系數N描述個體幾何尺寸與相應（串聯）諧振頻率之間的關系。表示振動相應方向的指數：A = 尺寸，N = fS?× A.

示例： N3細棒縱向振蕩的頻率系數，縱向方向上極化 N1細棒橫向振蕩的頻率系數，方向3上極化 N5薄板沿厚度方向振蕩的頻率系數 NP圓盤沿平面方向振蕩的頻率系數 Nt厚度方向上極化的薄板沿厚度方向振蕩的頻率系數

機械品質因數Qm

機械品質因數Qm表示壓電體或諧振器的“諧振銳度”，主要是由可振動系統串聯諧振的3dB帶寬決定。機械品質因數的倒數值是力學損耗因子，即壓電諧振器共振時的等效電路圖中有效電阻與電抗的比值。

耦合因子k

耦合因子k是衡量壓電效應程度的標準（非效率因子）。它表示一種壓電材料將電能與機械能相互轉換的能力。耦合因子由儲存機械能和總吸收能量的比值的平方根決定。諧振中，k是表示壓電體振動的相應形式的函數。

示例：

k33縱向振蕩的耦合因子

k31橫向振蕩的耦合因子

kP圓盤徑向（平面）振蕩的耦合因子

kt板材沿厚度方向振蕩的耦合因子 k15板材沿厚度方向剪切振蕩的耦合因子

介電常數ε

介電常數ε或相對介電系數DC是陶瓷材料的絕對介電常數和真空介電常數的比值(ε0?= 8.85 × 10-12?F/m)，其中絕對介電常數是判斷電場中極化率的標準。介電系數對電場方向和電介質位移的依賴性通過相應指標表示。

示例： ε33T?在極化方向（方向3）以固定的機械應力施加電場時極化方向的DC值（T=0:“自由空間”電容率） ε11S?定變形下軸1方向的電場和電介質位移（S=0:“受夾”電容率）

壓電應變常數，壓電變形系數，壓電模量dij

壓電模量是誘導電荷與機械應力或可實現的機械應力與施加電場的比值（T=常數）。對于壓電促動器，壓電模量也稱為變形系數。 例如：d33極化方向上每單位施加電場產生的應變V/m或每單位壓力N/m2下的電荷密度C/m2

壓電電壓系數gij

壓電電壓系數g是電場強度E與有效機械應力T的比值。各壓電電荷系數dij除以相應的介電常數可得到相應的g?ij系數。 示例： g31作用于方向1上每單位機械應力在方向3上的感應電場=單位面積上的力，不一定是正交

動態行為

激發振蕩的壓電體的機電特性可用電氣等效電路圖表示。 C0是指介質的電容。包含C1、L1和 R1的串聯電路描述了彈性變形、有效質量（慣性）和內部摩擦產生的機械損失等機械性能的變化。然而，此振蕩電路的描述僅適用于機械固有諧振附近的頻率。大多數壓電材料參數是通過對共振時的特殊試驗體進行阻抗測量來確定。串聯和并聯共振都被用來確定壓電參數，分別對應最小阻抗fm和最大阻抗fn的充分逼近值。

壓電晶體諧振器的等效電路圖

典型阻抗曲線

壓電陶瓷元件的振蕩狀態

振蕩狀態或模式與變形是由個體的幾何形狀、機械-彈性特征以及電場和極化的方向決定的。

來源：PI Ceramic

原文鏈接：https://www.pi-china.cn/zh_cn/expertise/technology/piezo-technology/fundamentals

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