压电材料

《功能材料概论》期末小论文
压电材料
学院 电子信息学院 专业 集成电路设计与集成系统 班级
08042211 学号08042132姓名 袁鹏
一.简介
压电材料(piezoelectric material)
受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。

这一现象被称为压电效应。

随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。

因而压电材料广泛用于传感器元件中。

二、应用：
压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。

1、换能器
换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件
压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。

目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的
特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

2、压电驱动器
压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。

要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。

电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。

在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。

除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。

3、传感器上的应用
压电式压力传感器
压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。

压电式压力传感器的基本结构如右图所示。

由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。

压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。

其缺点是只能用于动能测量。

需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

压电式加速度传感器
压电元件一般由两块压电晶片组成。

在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。

在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。

然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。

为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。

当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对
较小，可以认为质量块的惯性很小。

因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。

这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。

由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。

4、在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）
机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。

如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。

人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－20000HZ。

超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。

一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。

它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。

发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。

同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。

当超声波遇到物体后，就被反射回来。

等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。

此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。

利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。

这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。

超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。

如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

三、现状：
下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。

1、 细晶粒压电陶瓷
以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。

减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。

减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。

为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。

现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。

近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。

随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。

2、压电性特异的多元单晶压电体
传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。

但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。

于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了
Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。

这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。

储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。

铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。

现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。