压电效应概述

压电效应概述2008-6-1417:14:39 |转载|固定链接|评论(0) |浏览(473)本文转载自光伏技术压电效应英文名称：Piezoelectriceffect压电效应概述压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。压电效应分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式(见图)。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。压电效应历史与应用06年是居里兄弟皮尔（P.Curie）与杰克斯（J.Curie）发现压电效应（piezoelectriceffect，注一）的一百周年。一百年前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect,注二）与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们有系统的研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，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）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料是不会产生压电性的。在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，端视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼（Lippmann）在研究热力学原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）具有压电效应。今天，我们都知道，压晶体管可用来作为声波的产生器与接收器，无论在军事上（如声纳）、工业上、工程上都具有广泛的用途。可是早在居里兄弟发现压电性后的三分之一世纪中，压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，因此，当时的蓝杰文（P.Langevin）发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果，大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz，外加一电脉波讯号，则经换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到由海底反射之回波，由来回时间及波在海中行进的速度，可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。第一次大战后不久，石英换能器便发展出两项重要的应用。首先，哈佛大学的皮尔士教授(G.W.Pierce)用石英晶体制作超声波干涉仪，由石英所发生的超声波和图中声波反射器所反射的回波混合，产生极大值，若微调反射板使前进或后退，则可获得另一极大值，由两极大值间的距离，亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离，可测出声波波长。因为已知频率，因此由频率与波长的乘积，可定出波在气体介质中的速度。同时，由几个极大值间的振幅降低率，可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。1927年，伍德(R.W.Wood)与鲁密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔(cavitation)现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。在水下音响(underwatersound)的研究中发现，石英晶体并不是很好的换能器材料，但是它的振荡频率却不随温度而变，亦即所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性，用在控制振荡器的频率，及某些滤波器上最有用。1919年，卡迪(Cady)教授第一次利用石英当作频率控制器，图四就是最早期的晶体控制振荡器电路。因为晶体具有极高的Q值(注三)，振荡器的频率受到晶体共振频率的控制，且频率不随温度变化而变。后来，皮尔士和皮尔士-米勒(Pierce-Miller)又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片，高Q值意味着低的声波能量损耗(其衰减率则与频率平方成正比)；高Q值也意味着窄频带，因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用，可用一串联电感(见图五)来获得宽带操作。此类滤波器的结构图，它常被用在有线通讯系统、微波通讯系统等。二次大战声纳音鼓所使用的材料是若歇尔盐而非石英晶体。虽然若歇尔盐具有高机电耦合效率，可是却较不稳定，耐压不高，很难在太高的功率下操作。在理论上，若歇尔盐是第一个具有铁电性(ferroelectricity)的材料，沿着晶轴方向具有一个自发极化性(spontaneouspolarization)。图七表示沿X轴所测得偏极化量对温度的关系。它具有两个居里温度(Curietemperature)，在居里温度时偏极化量是零，在两温度之间则偏极化是最大。为了纪念在若歇尔市出生的塞格内特(Seignette)博士，这种效应称为塞格内特铁电效应，一般简称为铁电效应，以表示它与铁磁效应的相似性。在铁电材料中，当温度低于居里温度时，材料内部具有电双极(dipole)。大部分氢键结合的电双极，如若歇尔盐，其双极都具有规则性排列，且一般都只有一个居里温度，可是若歇尔盐则具有两个居里温度，这两类的差异主要在于氢键终端负离子的不同。一般氢键晶体的电位井(potentialwell)分布如图八所示，在两氧离子之间氢离子可存在的位置有两个，氢键电双极值等于电荷和两组离子分开距离差的乘积。外加一电场可使氢离子由一位置跳至另一位置，而使电双极的方向改变。在高温，则热量的扰动使氢离子充满两个井的位置的机会相等，因此没有自然偏极化存在。当温度降低，则两电双极相吸而使双极方向排列趋规则化。在居里温度则两电双极互相抵消，但在居里温度加一小外力就能引起大的偏极性。温度低于居里温度则自发偏极性产生。对于一般具有如图八的电位井的氢键晶体，其偏极性可一直增加，直到饱和发生。可是对于若歇尔盐，则偏极性在达到一极大值后就开始降低到零。其原因可用图八的电位井分布图说明，在很低温下，所有氢离子完全分布在两低能井中，没有自发偏极性存在。温度上升，有些氢离子得到热能而跃至较高能阶。温度愈高，这种跃迁机会愈大，两电双极因互相吸引而产生一较低的居里温度。图九表示若歇尔盐的X光绕射晶体结构。造成铁电效应的是标号1的氧分子与标号10的水分子所组成的氢键。对氢离子言，此二分子是端点上两个不同的离子，因此形成如图八所示的两个不同名称之电位井。以前若歇尔盐一直是唯一为人所知的铁电材料，可是现在我们知道，具有铁电性的材料已超过百种。铁电性材料因具有自发偏极性，且加电场能生感应偏极性，因此用它作换能器此一般压电单晶如石英等具有更高的机电耦合效率及灵敏度，可是其稳定性则略逊于压晶体管。渐渐地，人们用铁电陶磁来作换能器。最早被人使用的是钛酸钡（BaTiO3），它是麻省理工学院的冯希普尔（vonHippel）及苏俄科学家伏耳（Vul）及戈曼（Goldman）所分别发现的。未被极化的陶磁，在域（domain,注五）中之偏极化方向不具规则性，整片陶磁就像一块高介电常数的电容器，因为它只需很小的体积就有够大的电容量，因此被用在电视机上。如在120r以上的温度下加一高电压，则一些域内之电耦呈规则性排列，而有净的偏极性存在，具压电效应。我们可因外加交流电场的方向不同，而使产生纵波（电场平行于厚度方向）或横波（电场垂直于厚度方向）。纵波可在水中行进，亦可在固体中产生高能量。横波则因速度较慢，适合用来制作延迟线。目前最好的压电陶磁要属PZT（lead-zirconate-titanate）。最近两种重要铁电材料可用来制作声波换能器，一是高分子薄膜，聚双氟亚乙烯（polyvinylidenefluoride，简称PVF2或PVDF），一是氧化锂铌（lithiumniobate,LiNbO3）。聚双氟亚乙烯经拉伸及加高直流电压后呈强压电性，它具有许多优点：其声波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易获得宽带操作，适合非破坏检测、医学诊断及声纳与水中听音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的声波接收系数，用来制作被动式声纳（passivesonar）之水听器数组（hydrophoneassay）具有重要性。除外，它具柔软性，又可耐高电压（其崩溃电压比PZT高约100倍）。氧化锂铌单晶具有高机电耦合及极低的声波衰减系数，容易激发高频表面声波（Rayleighwave），是用来制作表面声波（surfaceacousticwave,简称SAW）组件的最佳材料。这些组件在讯号处理系统与通信系统上具有不可取代的地位。图十一表示使用氧化锂铌表面波通频滤波器。用一组正负电压相间的交趾状换能器产生表面声波（所谓的interdigitaltransducer,或简称IDT），所激发声波之中心频率由正负电极间之距离决定，其频宽则与电极数目成反比。图十二表示另一表面声波脉波伸张与压缩滤波器，它可用在CHIRP雷达系统中，以提高搜索范围与解像力。另一项重要且独特的研究，是在所谓的声学显微上，这种微波频率的组件使用电溅（sputtered）的压电薄膜作为声波换能器，以振动产生几个GHz（1GHz=109周/秒）声波，其对应波长约为一微米（10-6米）。因为换能器振动频率和压晶体管厚度成反比，要产生如此高频率声波需用薄膜压电材料，如氧化锌或硫化镉等。时值压电效应发现的一百周年，特参考马逊（W.P.Mason）之作撰写本文，简介压电性之历史及其应用。早期压电效应仅止于学术上的趣味性研究，而如今则已成为非常有用的效应，用它制出各式各样的声电换能器，其操作频谱可由100Hz起涵盖至几个GHz，依频率的不同而有不同的用途。声纳、反潜、海底通讯、电话通讯等是低频（声频、AF波段）讯号最典型的应用。在几个MHz范围，其波长在毫米范围，适合用来作非破坏性的检验材料（nondestructivetesting,简称NDT）与医学诊断上，所谓超声波成像术、全像摄影术、计算机辅助声波断层摄影术等就是针对这些用途而研究的。频率在VHF、UHF波段则使用压电性所研制出来的表面声波电子组件。如延迟线、各式滤波器、回旋器（convolver）、相关器（correlator）等讯号处理组件，在通讯上与讯号处理上具有重要的应用。当频率高至低微波波段，其对应波长在微米范围，用来制作声学显微镜，其解像力可和传统的光学显微镜比美，而其机械波而非电磁波的独特性质，则可弥补光学显微镜在应用上的不足。注一：对某些材料施一压力或拉力，则除了材料外形有所变化外（所谓的应变)，由于此类材料之晶格结构具有某种不对称性(所谓的inversionasymmetry),外形的变形使内部电子分布呈局部性不均匀而产生一净的电场分布。反之，外加一周期性电压或电场变化，则能使材料产生变形，及一对应的应力，形状变化随外加电压讯号之频率而变，可产生一周期性弹性波或声波，这种效应称为压电效应，这些材料即称为压电材料。注二：在一些铁电材料中，当其温度有所变化时，则会引起其自发偏极矩的变化，而在材料表面呈净电荷分布，这种效应即称为焦电效应。利用这种效应，可检知温度变化或测量所谓的热波(thermalwave)。注三：振荡器Q值(qualityfactor)的定义是每单位周期振荡波所损耗的功率，有时我们用。=中心频率/频宽表示。频宽愈窄的振荡器，Q值愈高，如石英振荡器就是一例。注四：介入损耗表示一电子组件或组件的总损耗量，即输出讯号和输入讯号相比之差额，一般以分贝(dB)表示。注五：在铁磁材料中，当温度远低于居里点时，以微观观点来看，所有电子的磁矩应完全以同一方向排列，其实不然。实际上此种材料内部分成许多小区域，在每一区域内磁矩呈规则性排列，可是小区域与小区域间之磁矩排列方向则不尽相同，以致于整个材料之磁矩远小于其饱和磁矩。这些小区域简称为域或畴，在反铁磁材料、铁电材料、反铁电材料、铁弹性材料(ferroelastics)、超导体材料中亦都有域存在。巧用打火机演示压电效应压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时，在介质表面出现异种电荷的现象。实验表明，这种束缚电荷的电量与作用力成正比，而电量越多，相对应的两表面电势差（电压）也越大。这种神奇的效应已被应用到与人们生产、生活、军事、科技密切相关的许多领域，以实现力一一电转换等功能。例如用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。此外，压电陶瓷还可以作为敏感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器件；用于压电地震仪，可以对人类不能感知的细微振动进行监测，并精确测出震源方位和强度，从而预测地震，减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。可以说，压电陶瓷等器件不仅广泛应用于科技领域，还颇具“平民性”，对广大“烟民”来说，天天与压电陶瓷发生着“零接触”，却熟视无睹其存在。目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件，其外形如图1所示。一、测量仪器及附件选择压电打火机的电压陶瓷元件产生的瞬间电压用什么仪器可以测量呢？起初，我们试图用普通指针式多用电表直流高压挡测量，发现每次按动点火元件的黑色塑料压杆时，由于两个电极接出的电压只能使指针略微抖动一下。分析原因是，因为电压脉冲持续时间甚短，指针惯性较大，指针无法同步体现电压的变化做大幅偏转。换用数字显示型多用电表，本以为其无指针惯性影响，应该能读出瞬间高电压来，谁知事与愿违，我们根本看不到预想的高电压读数，只能看到一些变换不定的低电压数据。分析起来，这是由于液晶显示响应速度较慢，点火电压脉冲持续时间甚短，来不及显示最高瞬间电压，只能显示电压降落（较平缓阶段）过程中的某些随机电压读数。最后，我们搬出实验室的“重磅武器”一一示波器，再做一试。我们用的是实验室最普通的J2459型学生示波器，连接线为两条普通的带终鱼夹的导线。从理论上讲，示波器是利用电子束偏转后打在荧光屏上显示光点移动的，电子束惯性极小，应该能“跟踪”上点火高压脉冲的变化，实验结果不出所料。二、电压幅值的估测方法把示波器交直流选择开关置于“DC”挡，扫描范围置于“10〜100kHz”挡，用X移位和Y移位将水平亮线移到方格坐标的中央部，置X轴上。为了能估测压电效应的最高电压幅值，我们必须先用荧光屏前的方格坐标系，定出电压标尺：利用接在示波器Y输入接线柱上的两根导线，把一节干电池的1.5V电压加在示波器上，衰减放在1，Y增益放在最低，可以发现刚才的水平亮线上跳（或下跳）两格左右，即此时两格代表1.5V电压。在Y增益不变的情况下，再将Y衰减放在1000（即千分之一）挡，荧光屏前方格坐标的两格就可以代表1500V了。将Y输入接线柱上的两根馈线的鳄鱼夹分别接在压电打火机压电元件的两个电极上，迅速按下其黑色塑料压杆，可以看到原来位于中央高度的水平亮线向上（或向下）跳动又恢复原位。由于荧光屏的余晖作用，水平亮线在示波器上显现的是一条高度达四格的亮带，这表明该脉冲的电压幅值在3000V以上。如果想观察这个电压脉冲的波形，可以每次按动压杆的同时，细心调节示波器“扫描微调”旋钮（事先将扫描范围换到“10〜100Hz”挡），我们可以在荧光屏上看到如图2所示的波形，其电压上升较陡，降低较平缓，峰值在四格以上。三、脉冲持续时间的估测将示波器的衰减挡置于1000挡，扫描范围置于“10〜100Hz”挡，“扫描微调”左旋到底，即扫描频率为10Hz，调节“X增益”和“X移位”旋钮，使X轴扫描线充满10格，那么每一格代表1/10X1/10S，即0.01按下压电元件的黑色塑料压杆，可以看到压电脉冲持续一格，如图3所示，即对应于0.01s，也就是说，该脉冲持续时间约为0.01s。压电晶体有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（a-石英）是一种有名的压电晶体。如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力，那么在此薄片上将会产生电荷。如果按相反方向拉伸这一薄片，在此薄片上也会出现电荷，不过符号相反。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多。如果在薄片的两端镀上电极，并通以交流电，那么薄片将会作周期性的伸长或缩短，即开始振动。这种逆压电效应在科学技术中已得到了广泛的应用。用水晶可以制作压电石英薄片，其面积不过数平方毫米，厚度则只有零点几毫米。别小看这小小的晶片，它在无线电技术中却发挥着巨大作用。如前所述，在交变电场中，这种薄片的振动频率丝毫不变。这种稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的，你家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，保证了图像和声音的清晰度。你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。装有压电晶体元件的仪器使技术人员研究蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化成为现实。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等。压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音，而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。压电高分子piezoelectricpolymer压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料，但是其压电率太低，而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。压电陶瓷——信息时代的新型材料什么是压电陶瓷呢?其实它是一能够将机械能和电能互相