压电陶瓷材料与元件

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P-E 遲滯曲線 – 軟性壓電陶瓷
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軟性與硬性壓電陶瓷比較表
Characteristic 壓電係數 揚氏係數 介電常數 介電損失 機電偶合係數 電阻係數 機械品質因數 矯頑電場 線性度 極化 / 去極化 Soft Ceramic larger smaller larger higher larger very high low low poor easier Hard Ceramic smaller larger smaller lower smaller lower high higher better more difficult
指標
• N33, N31, NP : 頻率常數 •YE31, YE33 : 楊氏係數 • Tc : 居禮溫度
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壓電陶瓷材料
•
單位晶胞正電荷中心與負電荷中心不在 相同位置,形成淨電偶極距(polarization) 。 • 常見結晶構造:鈣鈦礦結構(perovskite), 例如 鋯鈦酸鉛(PZT),鈦酸鉛(PT),鈦酸鋇 (BaTiO3)。 •壓電陶瓷內部晶體排列凌亂,需加電壓處 理(poling)後,使晶體排列一致,在居禮溫度 以下才會具有壓電性。
已商業化之積層壓電元件
• 壓電變壓器-升壓
•壓電平面喇叭(DMA)-手機 •致動器-微形馬達,手機,數位相 機
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壓電變壓器結構
Primary electrode Poling direction (primary) Poling direction(secondary) Secondary electrode
O2
Pb
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PZT 相圖
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三元系 PZT 相圖
Pb(Mg1/3Nb2/3)O ３,Pb(Zn1/3Nb2/3)O3,
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P-E 遲滯曲線 – 硬性壓電陶瓷
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應用限制
• 電壓 : 電壓方向與極性相反時, 會有去極化
作用; 電壓值大於崩潰電壓, 壓電陶瓷會破損。
• 功率 : 功率愈高壓電陶瓷會發熱, 造成去極
化或破損。
• 溫度 : 溫度愈高, 壓電性逐漸減弱, 高於居禮
溫度時, 永久喪失壓電性。
• 應力 : 應力方向與極化方向相反時, 會有去
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正壓電效應
• 正壓電效應―施加應力在壓電晶體上,會
產生電荷。 • D = Q/A = d T
F
+ +
F
+
+
-
-
+
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逆壓電效應
• 逆壓電效應―施加電壓在壓電晶體上,會
產生應變。 •S=dE
portable device,
• 感測器- force sensor, accelerometer, pressure sensor,
knock sensor, shock sensor, crash sensor,
• 致動器- micropositioning for lens or mirror, hydraulic
Primary/secondary common electrode
Driver section
Generator section
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壓電變壓器應力及位移分佈
Drive section
W
Generator section L t
V1
V2
Stress curve
+ + +
+
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壓電效應
• 壓電方程式
d = D/T = S/E, • 狀態方程式 D = d T + T E S = sE T + d E
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壓電參數
• d33, d31 : 壓電電荷係數(壓電應變係數) • g33, g31 : 壓電電壓係數, • Qm : 機械品質因數, 保持振動能力的指標 • k33, k31, kp : 機電偶合係數, 機電轉換效率
valve, ink jet printer, ultrasonic motor, electronic switch,
• 換能器- ultrasonic cleaner, welder, atomizer, buzzer, air
transducer, delay line,
• 變壓器
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鈣鈦礦結構 (Perovskite Structure)
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極化過程微結構變化
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PZT未加電壓 時
PZT加上電壓 時之內部離 子運動
極化作用; 外力超過機械強度,會破損。
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積層式壓電陶瓷元件製作流程圖
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應Байду номын сангаас例
• 產生器- ignitor for fuel lighter, gas stoves, battery for
压电陶瓷材料与 元件
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壓電效應
• 西元1880年法國居禮兄弟於石英晶體上
發現壓電效應。 • 壓電材料分類 晶體 –Quartz, Rochele salt, etc. 陶瓷 – BaTiO3, PZT, PMN, PT, etc. 高分子–PVDF 複合材料–陶瓷/高分子複合材料
Displacement curve
Nodal point
Nodal point
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