信愿时代的多面手一一压电效应 轻轻一批媒气灶按相，蓝色火焰迅即燃起：轻轻一按电视通控墨，精彩节目任能挑选。这 就是压电效应带给您的便利.所谓压电效应，是指某些各向异性的品体，在外力作用下产生机 械形麦（如压缩或伸长），从面在加压面或拉力面的两侧出现异号束博电荷，这种现象称为正 压电效应。反之，在晶体的两侧面加一交变电压，品体戴会发生厚薄的机械变化这叫做逆压 电效应。这两种效应统移为压电效应。 压电效应是居里兄弟Jacques Curie,Pirre Curie)于I880年首先在a-石英品体上 发现的，除了石英这种天然压电品体外，还可以人工合成具有压电性能的多品体材料，即通常 所说的压电陶瓷。192年，压电瓷材料 一然酸钡首次在美国制成。1947年，压电陶瓷 器件一一一比酸钡拾音器美生，此后，尤其是近几十年来，随着性能更如优越的压电啊瓷材料 (如储钛酸督和近年米出现的无管压电陶瓷)的酥制成功，压电效应得到了飞速发展和广泛应 用。目前，这种神奇的效应已被应用到航空航天、医学诊断，超声焊接等许多领境以实现能 量转换，传感、驱动、频率控制等功能。如用压电✉登可以做成各种各样的“人工耳”，用 来预报地震和了解地下矿藏等，用压电陶瓷做成的触觉元件，能感知四凸度仅10微米的表面。 用它制成的超声波扫描仪，己成为一种重要的医疗诊断设备。利用压电效应制作的压电墨动 器具有精确控制的功能，可用于精密仪器和机城的控制，微电子技术，生物工程等领城。 一，压电效应的物理机制及应用 压电效应是品体在机械力作用下爱生形变，从面起带电粒子的相互位移，使品体总的 电偶极矩（极化）发生改变而造成的，因此，压电效应与极化强度有关，涉及物质的力学和电学 性质的相互影响，反映了品体的弹性性能与介电性能之阿的据合。现在我们以水晶品体为模 型，说明产生压电效应的物理学机理。 在不受压力时，水品品体正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，品体表面无电 背（不星压电性》。当沿某特定方向能加压力时，品体发生形变，正、负电荷中心分离，即电国 极矩发生变化，从而在加压面上出现电将积累。实验表明，这种束博电荷的电量与作用力成正 比：而且电量越多，相对应的两表面电势差也越大 压电效应的应用大致分为两大类：用压电测登材韩制成的压电藏子（见表）和压电换能 器（见表）。前者主要利用振子本身的藩振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品 质因数高。后者主要是将一种能量彩式转换成另一种能量形式要求有较高的机电糯合系数 和较大的介电常数。下面我们从这两方面子以介邱
信息时代的多面手———压电效应 轻轻一揿煤气灶按钮,蓝色火焰迅即燃起;轻轻一按电视遥控器,精彩节目任您挑选。这 就是压电效应带给您的便利。所谓压电效应,是指某些各向异性的晶体,在外力作用下产生机 械形变(如压缩或伸长),从而在加压面或拉力面的两侧出现异号束缚电荷,这种现象称为正 压电效应。反之,在晶体的两侧面加一交变电压,晶体就会发生厚薄的机械变化,这叫做逆压 电效应。这两种效应统称为压电效应。 压电效应是居里兄弟(Jacques Curie、Pirre Curie)于 1880 年首先在 α-石英晶体上 发现的。除了石英这种天然压电晶体外,还可以人工合成具有压电性能的多晶体材料,即通常 所说的压电陶瓷。1942 年,压电陶瓷材料———钛酸钡首次在美国制成。1947 年,压电陶瓷 器件———钛酸钡拾音器诞生。此后,尤其是近几十年来,随着性能更加优越的压电陶瓷材料 (如锆钛酸铅和近年来出现的无铅压电陶瓷)的研制成功,压电效应得到了飞速发展和广泛应 用。目前,这种神奇的效应已被应用到航空航天、医学诊断、超声焊接等许多领域,以实现能 量转换、传感、驱动、频率控制等功能。如用压电陶瓷可以做成各种各样的“人工耳”,用 来预报地震和了解地下矿藏等。用压电陶瓷做成的触觉元件,能感知凹凸度仅 10 微米的表面, 用它制成的超声波扫描仪,已成为一种重要的医疗诊断设备。利用压电效应制作的压电驱动 器具有精确控制的功能,可用于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域。 一、压电效应的物理机制及应用 压电效应是晶体在机械力作用下发生形变,从而引起带电粒子的相互位移,使晶体总的 电偶极矩(极化)发生改变而造成的。因此,压电效应与极化强度有关,涉及物质的力学和电学 性质的相互影响,反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。现在我们以水晶晶体为模 型,说明产生压电效应的物理学机理。 在不受压力时,水晶晶体正、负电荷中心重合,整个晶体的总电矩等于零,晶体表面无电 荷(不呈压电性)。当沿某特定方向施加压力时,晶体发生形变,正、负电荷中心分离,即电偶 极矩发生变化,从而在加压面上出现电荷积累。实验表明,这种束缚电荷的电量与作用力成正 比;而且电量越多,相对应的两表面电势差也越大。 压电效应的应用大致分为两大类:用压电陶瓷材料制成的压电振子(见表 1)和压电换能 器(见表 2)。前者主要利用振子本身的谐振特性,要求压电、介电、弹性等性能稳定,机械品 质因数高。后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式,要求有较高的机电耦合系数 和较大的介电常数。下面我们从这两方面予以介绍
表1压电陶瓷振子的应用 压电振子的应用 应用实例 压电振子 震荡器、蒂振器、滤波器、压电捐合器 复合振子 机械滤波器 压电变压器 电视阴极射线示波管、电吸附设备中的升压装置 延迟设备 电视通信设备，计算机等所用的延迟设备 表2压电陶瓷在换能器上的应用 测量仪器 压力计、振动计、加速度计、流量计 视声计算与测量 流速计、风速计、声速计、江而计等 空气中声学换能墨 波音墨、传声器、耳机、扬声器 水声挨脆器 超声测探仪 国体声学换能器 超声探伤厚度计、混凝土探伤、地下探矿 物理声学换能器 物理性质研究用各种换能器、超声射光橱 大功率超声换能暑 清洗、加工、挥接排气 医用超声换能器 脑病、心鞋病的诊新，阻结石的治疗等 其他 压电点火器、压电泵、马达等 二、压电振子 压电变压墨利用压电则瓷的正压电效应和道压电效应可以制成高性能的电题变压器 50年代就已经开始研制压电变压器，第一个压电陶瓷变压器是由美国的罗森C.A.sen) 在1956年提出的，它具有升高输出电压的功能。下面以钟缩影动的横纵向型变压器为例说 明变压原理。 如图1所示，竖个陶受片分成两部分，左都为输入端（又移票动部分》，沿厚度方向极化： 右部为输出端（又称发电分》，沿长度方向极化：测瓷上的银电极分别与输入和输出电压相 连接，当输入瑞加上交变电压时，由于递压电效应，瓷片产生沿长度方向的神缩振动，将输入 电能转变为机板能：而发电部分则通过正压电效应，将机城能转变为电能，从输出端输出电 压，由干压电陶党发电部分的长度大于驱动部分的厚度，输入抗这大于输出阻抗因而输出 电压大于输入电压，成为升压变压器，这种结构的变压器在数伏或数十伏的输入电压下，可以 获得数千伏的电压
表 1 压电陶瓷振子的应用 压电振子的应用 应用实例 压电振子 震荡器、谐振器、滤波器、压电耦合器 复合振子 机械滤波器 压电变压器 电视阴极射线示波管、电吸附设备中的升压装置 延迟设备 电视通信设备、计算机等所用的延迟设备 表 2 压电陶瓷在换能器上的应用 测量仪器 压力计、振动计、加速度计、流量计 视声计算与测量 流速计、风速计、声速计、江面计等 空气中声学换能器 波音器、传声器、耳机、扬声器 水声换能器 超声测探仪 固体声学换能器 超声探伤厚度计、混凝土探伤、地下探矿 物理声学换能器 物理性质研究用各种换能器、超声衍射光栅 大功率超声换能器 清洗、加工、焊接排气 医用超声换能器 脑病、心脏病的诊断,胆结石的治疗等 其他 压电点火器、压电泵、马达等 二、压电振子 压电变压器 利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应可以制成高性能的电源变压器。 50 年代就已经开始研制压电变压器,第一个压电陶瓷变压器是由美国的罗森(C. A. Rosen) 在 1956 年提出的,它具有升高输出电压的功能。下面以伸缩振动的横纵向型变压器为例,说 明变压原理。 如图 1 所示,整个陶瓷片分成两部分,左部为输入端(又称驱动部分),沿厚度方向极化; 右部为输出端(又称发电部分),沿长度方向极化。陶瓷上的银电极分别与输入和输出电压相 连接。当输入端加上交变电压时,由于逆压电效应,瓷片产生沿长度方向的伸缩振动,将输入 电能转变为机械能;而发电部分则通过正压电效应,将机械能转变为电能,从输出端输出电 压。由于压电陶瓷发电部分的长度大于驱动部分的厚度,输入阻抗远大于输出阻抗,因而输出 电压大于输入电压,成为升压变压器。这种结构的变压器在数伏或数十伏的输入电压下,可以 获得数千伏的电压
烧跟电极 烧银电极 握动方时 :极化方向 0 驱动部分 极化方间 发出部分！ 5 图1 与电延式变压图相比，压电陶登变压器具有以下独特优点：小型薄片型结构：重量经，体 积小、结构简单，易实现小型化及批量生产：器件耐高温、不可燃、不怕短路，对外界无电磁 污染：输出电压高。 压电变压器主要用于CCFL距动器和C-C(直流-直流)变压器：此外，压电变压器还被应 用于军事，即利用其输出电极引线尖璃成电引爆高压雷管。民用方面如霓虹灯、高压防盗器、 高医电击棒、小型X光机，雷达、复印机、电祝机、负离子发生器、液品显示器、静电除尘 器、小功率激光管和高压电源等，最近，美围正在开发汽车安全保护气囊用的压电陶登变压 器。小型灵巧的压电陶登降压变压器在计算机、手机、摄像机等的C-C(交流-直瓷)适配 器中有着广调的应用前最，可以减小C-C适配器的体积，甚至可以去掉外接适配器，直接选 入电子设备中。 谐冢器、滤波器藤叛器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关健墨件， 压电陶瓷在这方面几有明显的优越性。它具有极高的领率稳定性，这种稳定不变的振动正是 无线电技术中控制频率所必需的，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以住的电磁 设备面临被淘汰的命运。彩色电视机等许多电器设备中都有用压电品片制作的滤波器.保证 了图像和声音的清晰度。石英电子表中的核心部件一一一石英振子，保证了石英表比机械表 具有更高的准南度。 三、压电换能器 在能量转换方面，压电效应的应用范围比压电振子更广泛，目前己应用于遥测和遥控系 统，如遥控电视频道开关系统、停车时间记录器的白动控制系统等等。具体应用实例主要有 压电点火器，压电超声换能器，压电地震仪压电陶壳蜂鸣器，压电叛动如速计，压电肉烧拾音 器、发声器，超声马达等。 压电点火墨点火器种类繁多，目前瓷行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压
与电磁式变压器相比,压电陶瓷变压器具有以下独特优点:小型薄片型结构;重量轻、体 积小、结构简单,易实现小型化及批量生产;器件耐高温、不可燃、不怕短路,对外界无电磁 污染;输出电压高。 压电变压器主要用于 CCFL 驱动器和 DC-DC(直流-直流)变压器;此外,压电变压器还被应 用于军事,即利用其输出电极引线尖端放电引爆高压雷管。民用方面如霓虹灯、高压防盗器、 高压电击棒、小型 X 光机,雷达、复印机、电视机、负离子发生器、液晶显示器、静电除尘 器、小功率激光管和高压电源等。最近,美国正在开发汽车安全保护气囊用的压电陶瓷变压 器。小型灵巧的压电陶瓷降压变压器在计算机、手机、摄像机等的 AC-DC(交流-直流)适配 器中有着广阔的应用前景,可以减小 AC-DC 适配器的体积,甚至可以去掉外接适配器,直接进 入电子设备中。 谐振器、滤波器 谐振器、滤波器等频率控制装置,是决定通信设备性能的关键器件, 压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它具有极高的频率稳定性,这种稳定不变的振动正是 无线电技术中控制频率所必需的,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,使以往的电磁 设备面临被淘汰的命运。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。石英电子表中的核心部件———石英振子,保证了石英表比机械表 具有更高的准确度。 三、压电换能器 在能量转换方面,压电效应的应用范围比压电振子更广泛。目前已应用于遥测和遥控系 统,如遥控电视频道开关系统、停车时间记录器的自动控制系统等等。具体应用实例主要有 压电点火器,压电超声换能器,压电地震仪,压电陶瓷蜂鸣器,压电振动加速计,压电陶瓷拾音 器、发声器,超声马达等。 压电点火器 点火器种类繁多,目前流行的一次性塑料打火机,有相当一部分是采用压
电陶瓷器件米打火的，现以家用灶具压电点火器为例说明它的结构和工作原理，如图2所示， 转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击块后面的弹簧2。当凸轮凸出 部分脱离冲击块后，由于弹簧弹力作用.冲击块给则瓷压电元件4一个冲击力.便在压电元作 两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃气体， 图2 压电超声换能器压电超声换能器是水下发射和接收超声波的水声器件，用压电陶瓷把 电能转换战超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状。在工业中还被广泛用于超声清 洗、超声加湿和超声无损探伤等。还可以做成各种超声切割器、焊接装置及络肤，对塑料甚 至金属进行精密加工。 压电地厦仪压电陶瓷可以将极其微药的机城振动转换成电信号，地夏是吸灭性的炭害， 由于人类对爱源的细微振动不能感知，以前复难监测。压电陶受对外力的傲感使它甚至可以 感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它制作的压电地夏仪，能精确地测出地震强 度，指示出地景的方位和距离，从而预测地爱，减少损失。 压电陶瓷蜂鸣器它具有音响清渐、厚度薄、重量轻，耗电省、寿命长、价格低廉等优 点，广泛用于各种自动控制系统、电子仪器仪表、电子计算机（器）的音响或报警等，还可用于 电子手表、电子闲中、儿童玩具，汽车转向、倒车等音响暖报警等，也可用来制作对话机、 电话等。 压电振动加速计压电加速度计是一种重要的计测仪器。图3是式示意图：当被测物体 如速度运动时，放在上面的质量为■的质量块对中间夹的压电陶瓷片产生压力民，由于压电效 应，在测瓷片的上下电极有电压输出，此电压与应力成正比，而应力又与加速度（即按测物体 的如速度)成正比，因而可以测得的输出电压、求得运动物体的加速度
电陶瓷器件来打火的。现以家用灶具压电点火器为例说明它的结构和工作原理。如图 2 所示, 转动凸轮开关 1,利用凸轮凸出部分推动冲击块 3,并压缩冲击块后面的弹簧 2。当凸轮凸出 部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用,冲击块给陶瓷压电元件 4 一个冲击力,便在压电元件 两端产生高压,并从中间电极 5 输出高压,产生电火花点燃气体。 压电超声换能器 压电超声换能器是水下发射和接收超声波的水声器件,用压电陶瓷把 电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状。在工业中还被广泛用于超声清 洗、超声加湿和超声无损探伤等。还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚 至金属进行精密加工。 压电地震仪 压电陶瓷可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。地震是毁灭性的灾害, 由于人类对震源的细微振动不能感知,以前很难监测。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以 感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,用它制作的压电地震仪,能精确地测出地震强 度,指示出地震的方位和距离,从而预测地震,减少损失。 压电陶瓷蜂鸣器 它具有音响清晰、厚度薄、重量轻、耗电省、寿命长、价格低廉等优 点,广泛用于各种自动控制系统、电子仪器仪表、电子计算机(器)的音响或报警等,还可用于 电子手表、电子闹钟、儿童玩具、汽车转向、倒车等音响或报警等,也可用来制作对话机、 电话等。 压电振动加速计 压电加速度计是一种重要的计测仪器。图 3 是其示意图:当被测物体 加速度运动时,放在上面的质量为 m 的质量块对中间夹的压电陶瓷片产生压力 F,由于压电效 应,在陶瓷片的上下电极有电压输出,此电压与应力成正比,而应力又与加速度(即被测物体 的加速度)成正比,因而可以测得的输出电压、求得运动物体的加速度
运动方向 质量块 电极 压电网觉 IIrIIt 运动物体 图3 压电陶党拾音器、发声器压电品体还广泛应用于电声设各，实现声音的再现、记录和 传送。如压电陶瓷粉音器、扬声器等都是利用压电陶瓷的换能性质（机械能转变为电能域反 过来)研制的，品体耳机和品体扬声器是压电发声器件，它门是利用压电品体的逆效应制作出 来的，即把变化的电信号还原为品体的机械振动，品体再把这种振动传给一块金属薄片发出 声音。品体话筒是拾音器件，它是利用品体的压电效应制作出米的。声被使话筒内的压电品 体薄片藏动，由于正压电效应，表面的两端电极上便出现微弱的音规电压。 超声马达超声马达是利用压电购受的逆压电效应和电数伸缩效应，直接肥电能转换为 机械能的新型微电机。它与电磁马达相比有结构简单、响应速度快、轻巧、转矩大，功耗小， 对磁场和放射线的抗干扰脆力强等优点。日本是超声马达研完最为活跃的国家目前超声马 达已敲大量用于其现相机的自动调焦，美，德也在加紧送行这项研究，并将其应用于精密机械 行业及高科技领城中。 压电陶瓷上至航天飞行，下至家庭生活，应用极其广泛。压电侧瓷器件也将更好地为我 们创造美好生活。 摘白《现代物理知识》18卷第5期
压电陶瓷拾音器、发声器 压电晶体还广泛应用于电声设备,实现声音的再现、记录和 传送。如压电陶瓷拾音器、扬声器等都是利用压电陶瓷的换能性质(机械能转变为电能或反 过来)研制的。晶体耳机和晶体扬声器是压电发声器件,它们是利用压电晶体的逆效应制作出 来的,即把变化的电信号还原为晶体的机械振动,晶体再把这种振动传给一块金属薄片发出 声音。晶体话筒是拾音器件,它是利用晶体的压电效应制作出来的。声波使话筒内的压电晶 体薄片振动,由于正压电效应,表面的两端电极上便出现微弱的音频电压。 超声马达 超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应,直接把电能转换为 机械能的新型微电机。它与电磁马达相比有结构简单、响应速度快、轻巧、转矩大、功耗小, 对磁场和放射线的抗干扰能力强等优点。日本是超声马达研究最为活跃的国家,目前超声马 达已被大量用于其照相机的自动调焦,美、德也在加紧进行这项研究,并将其应用于精密机械 行业及高科技领域中。 压电陶瓷上至航天飞行、下至家庭生活,应用极其广泛。压电陶瓷器件也将更好地为我 们创造美好生活。 摘自《现代物理知识》18 卷第 5 期