压电器件和材料详解
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这是一种将机械力转换为电火花而点燃 燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开 创利用钛酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应 进行点火，但这种材料着火率不高，噪音 大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT）压电 陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日 常生活、工业生产以及军事方面，用以点 燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。
无机材料与人类文明进步
压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失；
逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院
利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒
效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器Βιβλιοθήκη 超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜
超声治疗 进入人体的超声波达到
某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向
性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
2、压电换能器
压电换能器工作原理
超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ）
人类听不出超声波，但不少动物却有此本 领（如蝙蝠）。
超声医疗
压电超声医疗仪中应用最广 的是B 型超声诊断仪。这 种诊断仪中有用压电陶瓷 制成的超声波发生探头， 它发出的超声波在人体内 传输，体内各种不同组织 对超声波有不同的反射和 透射作用。反射回来的超 声波经压电陶瓷接收器转 换成电信号，并显示在屏 幕上，据此可看出各内脏 的位置、大小及有无病变 等。
之间摩擦生热，粘合在一 起，制成超声波焊接器。
⑥超声波手枪 （15-30千赫）
3、超声马达
• 在交变电场下，陶瓷产生伸缩 现象，在弹性体中激发某种类 型的超声频率振动和波动时， 弹性体的表面借助于摩擦力， 推动与其接触的物体运动。
超声马达特点：
与传统马达相比， 超声马达具有低功 耗、大转矩、快响 应、控制性能好、 位置分辨率高、容 易与计算机接口， 没有绕组和磁场部 件，直接由压电陶 瓷材料实现机电能 量转换，无电磁干 扰和无需润滑等特 点。
5、压电陶瓷变压器
•
工作原理：
电能 （逆压电效应） 机械能 （正压电效应） 电能
当正弦交变电压加到驱动部分，通过逆压电效应，压电材料 产生伸缩振动，（电能转变成机械能），驱动部分伸缩振动， 带动发电部分振动，发电部分伸缩振动，通过正压电效应， 产生输出电压（机械能转变成电能）。无载下的升压比： Uout/Uin = (4/2)k31k33Qm(L/t), 通过改变长度L与厚度t的比例， 可以改变输出电压，起到变压器的作用
这两种正逆压电效应统称为压电效应。
具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics）。
二、压电性发现与发展
• 1880年，居里兄弟：皮尔（P·Curie） 与杰克斯（J·Curie） 发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。
• 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate）、电气石 （tourmaline）、石英（quartz）、 酒石酸（tartaricacid）、蔗糖 （canesuger）、方硼石（boracite）、 菱锌矿（calamine）、黄晶（topaz） 及若歇尔盐（Rochellesalt）。
对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应
Born in Warsaw on November 7, 1867
压电效应机理
• 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。
压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体
三、压电性的应用——压电器件
1. 压电陶瓷点火器
• 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。
4. 话筒和喇叭
压电陶瓷片，也是一种发声元件，它
利用压电效应工作，既可以作发声元件又 可以作接收声音的元件。而且它很便宜， 生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片 是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的 压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层， 涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电 陶瓷有一个奇妙的特性－压电效应：如将 它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如 反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的 是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一 定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向 改变时，弯曲的方向也随之改变。
利用压电效应，有了一种声-电，电-声 转换的两用器件，可以当话筒用：对压电 陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生 前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯 曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电 压输出。相反地，把一定的音频电压加在 压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性 和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相 应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时 候，它又成了喇叭。
超声马达应用领域
(1) 小功率压电马达在汽车上应用广泛，如车门 的玻璃升降、刮雨器等。德国奔驰公司已将超 声马达用于汽车自动门的驱动上。
(2) 由于具有抗电磁干扰，分辩力高的特点，超 声马达可用于XY绘图仪、精密手表等。
(3) 超声马达是智能机械人和微型机械的重要驱 动部件。其中厘米微马达可用于照相机、摄像 机的自动调焦。毫米微马达则可用于微小卫星 扫描装置及军用直升飞机等。
无机材料与人类文明进步
压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失；
逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院
利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒
效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器Βιβλιοθήκη 超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜
超声治疗 进入人体的超声波达到
某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向
性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
2、压电换能器
压电换能器工作原理
超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ）
人类听不出超声波，但不少动物却有此本 领（如蝙蝠）。
超声医疗
压电超声医疗仪中应用最广 的是B 型超声诊断仪。这 种诊断仪中有用压电陶瓷 制成的超声波发生探头， 它发出的超声波在人体内 传输，体内各种不同组织 对超声波有不同的反射和 透射作用。反射回来的超 声波经压电陶瓷接收器转 换成电信号，并显示在屏 幕上，据此可看出各内脏 的位置、大小及有无病变 等。
之间摩擦生热，粘合在一 起，制成超声波焊接器。
⑥超声波手枪 （15-30千赫）
3、超声马达
• 在交变电场下，陶瓷产生伸缩 现象，在弹性体中激发某种类 型的超声频率振动和波动时， 弹性体的表面借助于摩擦力， 推动与其接触的物体运动。
超声马达特点：
与传统马达相比， 超声马达具有低功 耗、大转矩、快响 应、控制性能好、 位置分辨率高、容 易与计算机接口， 没有绕组和磁场部 件，直接由压电陶 瓷材料实现机电能 量转换，无电磁干 扰和无需润滑等特 点。
5、压电陶瓷变压器
•
工作原理：
电能 （逆压电效应） 机械能 （正压电效应） 电能
当正弦交变电压加到驱动部分，通过逆压电效应，压电材料 产生伸缩振动，（电能转变成机械能），驱动部分伸缩振动， 带动发电部分振动，发电部分伸缩振动，通过正压电效应， 产生输出电压（机械能转变成电能）。无载下的升压比： Uout/Uin = (4/2)k31k33Qm(L/t), 通过改变长度L与厚度t的比例， 可以改变输出电压，起到变压器的作用
这两种正逆压电效应统称为压电效应。
具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics）。
二、压电性发现与发展
• 1880年，居里兄弟：皮尔（P·Curie） 与杰克斯（J·Curie） 发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。
• 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate）、电气石 （tourmaline）、石英（quartz）、 酒石酸（tartaricacid）、蔗糖 （canesuger）、方硼石（boracite）、 菱锌矿（calamine）、黄晶（topaz） 及若歇尔盐（Rochellesalt）。
对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应
Born in Warsaw on November 7, 1867
压电效应机理
• 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。
压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体
三、压电性的应用——压电器件
1. 压电陶瓷点火器
• 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。
4. 话筒和喇叭
压电陶瓷片，也是一种发声元件，它
利用压电效应工作，既可以作发声元件又 可以作接收声音的元件。而且它很便宜， 生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片 是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的 压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层， 涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电 陶瓷有一个奇妙的特性－压电效应：如将 它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如 反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的 是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一 定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向 改变时，弯曲的方向也随之改变。
利用压电效应，有了一种声-电，电-声 转换的两用器件，可以当话筒用：对压电 陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生 前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯 曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电 压输出。相反地，把一定的音频电压加在 压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性 和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相 应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时 候，它又成了喇叭。
超声马达应用领域
(1) 小功率压电马达在汽车上应用广泛，如车门 的玻璃升降、刮雨器等。德国奔驰公司已将超 声马达用于汽车自动门的驱动上。
(2) 由于具有抗电磁干扰，分辩力高的特点，超 声马达可用于XY绘图仪、精密手表等。
(3) 超声马达是智能机械人和微型机械的重要驱 动部件。其中厘米微马达可用于照相机、摄像 机的自动调焦。毫米微马达则可用于微小卫星 扫描装置及军用直升飞机等。