压电效应及其应用

压电效应及其应用

电介质在电场中可以极化，某些电介质，当沿着一定方向对它施力而使其变形时，在它的端面上产生符号相反的电荷。这种没有电场作用，只是由于形变而产生的极化电荷现象称为压电效应。能产生压电效应的晶体，称为压电晶体，

常见的压电晶体有石英晶体（）、压电陶瓷、钛

2SiO 酸钡()、锆钛酸铅等。

3a B TiO 压电晶体具有以下功能：

(1)压电效应：当外力加于晶体上时，晶体发生

形变，导致在受力的两个晶面上出现等量异号的电

荷。压力产生的极化电荷与拉力产生的极化电荷的方向相反，如图7－64所示。极化电荷的多少与外力引起的形变程度有关。压电效应产生的原因是，在外力作用的方向上，由于晶体发生形变造成晶格间距的变化，使得晶粒的正负电荷中心发生分离，从而产生极化现象。

(2)电致伸缩效应：压电晶体在电场力的作用下发生形变的现象，叫做电致伸缩效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。

(3)热电效应：某些压电晶体通过温度的变化可以改变极化状态，从而在某些相对应的表面上产生极化电荷，这种现象叫做热释电效应。反之，这种晶体在外电场作用下，其温度会发生显著变化，这种现象叫做电生热效应。热释电效应的发生源于晶体的各向异性，是由于晶体在不同方向上的线膨胀系数不同而引起的。

由于压电晶体具有以上的特殊功能，因而在现代科技中有着广泛的应用，诸如压电晶体振荡器、压电电声换能器、压电变压器、压电传感器等。现举例说明如下：

压电晶体振荡器压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电振荡的器件，由夹在两个电极之间的压电晶片构成。由于压电晶片的机械振动

有一个确定的固有频率，所以它对频率非常敏感。石英

晶体振荡器是目前应用最多的一种压电晶体振荡器，由

于它制造容易、性能稳定、精度高、体积小。因此广泛

应用于军事通讯和精密电子设备、小型电子计算机、微

处理机以及石英钟表内作为时间或频率的标准。有恒温

控制的石英晶体振荡器，频率稳定度可达量级，可

1310−作为原子频率标准而用于原子钟内。

石英晶体振荡器由信号源和石英晶体组成，如图7－65所示。

其中石英晶片是将石英晶

体按一定方向切成的薄片，金属电极为在晶片的两面上所镀的金属(如银、铜等)。石英晶体振荡器的振荡原理，总的说来，是压电效应和电致伸缩效应的总效果。压电效应和电致伸缩效应是互为因果关系的。在晶体上加上电压使之产生形变，而形变又在晶体上产生电荷，通过静电感应则在外电路形成电流(是极化正电荷吸引金属电极上的自由电子和极化负电荷排斥金属电极上的自由电子形成的)。若加的是交变电场，引起的形变是交变的，交变的形变所形成的电荷和电流也是交变的，最后由于晶片自身的机械限制而稳定在某一幅度上。在此过程中，晶片是在交变电场的作用下作受迫振荡，晶片的振荡频率就是外加交变电信号的振荡频率。当外加交变电信号的频率等于品片的固有频率时(忽略各种阻尼)，就出现共振现象，这时晶体的振荡最强，产生的电荷也最多。形成的电流也最大，我们把这种现象叫做晶体的压电谐振荡。

电声换能器利用逆压电效应可以把电能转换成声能，因此可利用压电晶体制成扬声器、耳机、蜂鸣器等。特别是超声发生器，它可以将相应频率的电振荡转变成频率高于20000赫的超声波。目前这种超声波已广泛应用于海洋探测、固体探伤、医疗检查、清洗、治疗疾病等各方面。

压电传感器在科学和工农业生产等方面，需要测量压力、应力、加速度等物理量时，压电传感器是应用较多的一种传感器。它以压电晶体的压电效应为基础，在外力的作用下，晶体表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。

压电高压发生器利用正压电效应可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可用来做成引燃装置，如汽车火花塞、打火机、炮弹的引爆压电雷管等。

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还可用来作红外夜视仪和手提光机中的高压电源等。