压电效应的原理及应用

压电效应原理

压电效应表明了石英晶体的力学性质和电学的耦合。
直接压电效应由居里兄弟在1880 年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上
时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。1881 年，用图解说明了反压
电效应；当把电压加到晶体上时，由于压电效应引起的晶格应变而使晶体产生变形。当把电
压反向时，应变也反向。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。在适
当条件下，“良好”的压电谐振器能够对振荡器电路起稳频的作用
在32 种晶体中，有20 种具有压电效应（但在20 种中，只有很少几种有用）。压电晶体没有对称中心，当力使晶格形变时，晶体中正负电荷的重心可能被分开而产生表面电荷。图
中所示为晶体压电效应的一个例子（根据Kelvin 的定性模型）。每个硅原子用+号表示，每
个氧原子用—号表示。当受到应变而使晶体沿Y 方向伸长时，负电荷就向左移动，而正电
荷就向右（沿X 轴）移动
当石英晶体有对称中心，即石英晶体时各向同性时，就不会产生压电效应。然而电致伸
缩存在于所有的电介质固体中。在应用电场中的二次变形（尽管压电效应是线性的；随着电
场的反转，变形也会反转）偏电致伸缩，弱电场的变化重叠于恒定分量，这个现象与线性压
电等价；这个技术能被用于非压电石英晶体，例如硅，但耦合依赖于偏轴。

压电效应

在石英中，五种应变分量均由电场产生。下面所示模型可以由适当位置和形状的电极所
激励。由场Y 分量产生的相对与Z 轴的切应变可应用与AT、BT 和SC 切的旋转Y 切系列。
压电效应是线性的。电场的反转引起应变的反转，例如机械变形。
机电（也叫压电）耦合系数k 是压电材料的一个重要特性；k 的范围在0 和1 之间，并
且是无量纲的，即对于AT 切石英晶体k=8.8%，而SC 切石英晶体k = 4.99%。这个系数能
确定压电转换功效，并且是重要设备的决定性因素，比如滤波器带宽，介入损失，定位和谐
振器临界频率的间隙（即连续谐振到反共振频率间隙）。

运动模式

上图是体波（BAW）的运动模式。例如，AT 切和SC 切谐振器是厚度剪切振动模式。
在高于100MHz 时，泛音部件经常被用于有选择的谐波振动模式（比如三阶泛音或五阶泛
音）。高于100MHz 的基谐模部件可以由化学抛光（扩散控制湿法腐蚀），等离子腐蚀和离
子研磨技术。在低于1MHz，可以用来做音叉，X-Y 和NT 删（弯曲模式），X 切（延伸模
式），CT 切和DT 切模式（面切变模式）部件。由于音叉尺寸小和便宜，使其在低频部件中
占有优势。
声波在固体中传播的速度一般为3000m/s（光速的10-5 倍）。比如，在AT 切石英晶体中
剪切波在沿剪切方向传播的速度为3320m/s；基谐模频率为v/2h，其中v 是声波的速度，h
是板的厚度。（板的厚度为半波长。）

压电效应的应用及原理

一、压电效应的原理：　

　　压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

　　压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

二、压电效应的应用：

　　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。

压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件