壓電學、壓電性 - 現象、類型、性質和應用的物理學

壓電 突出顯示電介質 壓電效應.

壓電現像是1880-1881年由法國著名物理學家皮埃爾和保羅-雅克居里發現並研究的。

40 多年來，壓電性沒有找到實際應用，仍然是物理實驗室的財產。直到第一次世界大戰期間，法國科學家保羅·朗之萬才利用這種現象，從一塊石英板中產生水中的超聲波振動，用於水下定位（“發聲器”）。

此後，許多物理學家對石英和其他一些晶體的壓電特性及其實際應用的研究產生了興趣。在他們的眾多作品中，有幾個非常重要的應用。

例如，在 1915 年 S.Butterworth 表明，石英板作為一維機械系統，由於電場和電荷之間的相互作用而被激發，可以表示為電容、電感和電阻串聯的等效電路。

引入石英板作為振盪電路，巴特沃斯率先提出了石英諧振器的等效電路，這是後來所有理論工作的基礎。 來自石英諧振器.

壓電效應有正反之分。直接壓電效應的特點是電介質的電極化，這是由於外部機械應力作用於它而發生的，而在電介質表面感應的電荷與施加的機械應力成正比：

有了逆壓電效應，這種現象就會以相反的方式表現出來——電介質在施加於其上的外部電場的作用下改變其尺寸，而機械變形（相對變形）的大小將與強度成正比施加於樣品的電場：

兩種情況下的比例因子都是壓電模量 d。對於相同的壓電，直接 (dpr) 和反向 (drev) 壓電效應的壓電模量彼此相等。因此，壓電是一種可逆機電換能器。

縱向和橫向壓電效應

根據樣品的類型，壓電效應可以是縱向的或橫向的。在縱向壓電效應的情況下，響應於應變或響應於外部電場的應變在與引發動作相同的方向上產生電荷。對於橫向壓電效應，電荷的出現或變形方向將垂直於引起它們的效應的方向。

如果一個交變電場開始作用於壓電體，那麼它就會出現同頻率的交變變形。如果壓電效應是縱向的，則變形將在施加電場的方向上具有壓縮和拉伸的特徵，如果是橫向的，則將觀察到橫波。

如果施加的交變電場的頻率等於壓電體的共振頻率，則機械變形的幅度將最大。樣品的共振頻率可由下式確定（V為機械波的傳播速度，h為樣品的厚度）：

壓電材料最重要的特性是機電耦合係數，它表示機械振動力 Pa 與通過對樣品的衝擊而激發的電功率 Pe 之間的比率。該係數通常取值範圍為0.01至0.3。

壓電的特徵在於材料的晶體結構具有共價鍵或離子鍵，沒有對稱中心。具有可忽略的自由載流子的低電導率材料以高壓電特性為特徵。壓電體包括所有鐵電體，以及大量已知材料，包括石英的結晶變體。

單晶壓電體

這類壓電體包括離子鐵電體和結晶石英（β-石英 SiO2）。

β 石英的單晶具有六棱柱的形狀，兩側有兩個金字塔。讓我們在這裡強調一些晶體學方向。 Z軸穿過棱錐體的頂點，是晶體的光軸。如果在垂直於給定軸 (Z) 的方向上從這種晶體上切下一塊板，則無法實現壓電效應。

通過六邊形的頂點畫出X軸，這樣的X軸共有三個。如果垂直於X軸切割板材，則得到壓電效果最好的樣品。這就是 X 軸在石英中被稱為電軸的原因。垂直於石英晶體側面繪製的所有三個 Y 軸都是機械軸。

這類石英屬於弱壓電材料，其機電耦合係數在0.05～0.1範圍內。

晶體石英具有最大的適用性，因為它能夠在高達 573 °C 的溫度下保持壓電特性。石英壓電諧振器只不過是附有電極的平面平行板。這些元件以明顯的自然共振頻率為特徵。

鈮酸鋰 (LiNbO3) 是一種廣泛使用的與離子鐵電體相關的壓電材料（還有鉭酸鋰 LiTaO3 和鍺酸鉍 Bi12GeO20）。離子鐵電體在低於居里點的溫度下在強電場中進行預退火，使其進入單疇狀態。這種材料具有更高的機電耦合係數（高達 0.3）。

硫化鎘CdS、氧化鋅ZnO、硫化鋅ZnS、硒化鎘CdSe、砷化鎵GaAs等。它們是具有離子-共價鍵的半導體型化合物的例子。這些就是所謂的壓電半導體。

在這些偶極鐵電體的基礎上，還得到了乙二胺酒石酸鹽C6H14N8O8、電氣石、羅謝爾鹽單晶、硫酸鋰Li2SO4H2O——壓電體。

多晶壓電體

鐵電陶瓷屬於多晶壓電體。為了賦予鐵電陶瓷壓電性能，這種陶瓷必須在溫度為 100 到 150°C 的強電場（強度為 2 到 4 MV / m）中極化一小時，以便在這種暴露之後，極化保留在其中，這使得可以獲得壓電效應。因此，獲得了壓電耦合係數為 0.2 至 0.4 的堅固壓電陶瓷。

所需形狀的壓電元件由壓電陶瓷製成，以便獲得所需性質（縱向、橫向、彎曲）的機械振動。工業壓電陶瓷的主要代表是以鈦酸鋇、鈣、鉛、鋯鈦酸鉛和鈮酸鉛鋇為基礎製成的。

高分子壓電體

聚合物薄膜（如聚偏氟乙烯）拉伸100-400%，然後在電場中極化，然後通過金屬化施加電極。因此，獲得機電耦合係數為0.16量級的薄膜壓電元件。

壓電體的應用

可以在現成的無線電工程設備的形式中找到獨立和互連的壓電元件 - 帶有電極的壓電換能器。

此類設備由石英、壓電陶瓷或離子壓電材料製成，用於生成、轉換和過濾電信號。從石英晶體上切下平行平面板，連接電極 - 獲得諧振器。

諧振器的頻率和 Q 因子取決於與切割板的晶軸的角度。通常，在高達 50 MHz 的射頻範圍內，此類諧振器的 Q 因子達到 100,000。此外，壓電換能器廣泛用作具有高輸入阻抗的壓電變壓器，適用於典型的寬頻率範圍。

在品質因數和頻率方面，石英優於離子壓電材料，能夠在高達 1 GHz 的頻率下工作。最薄的鉭酸鋰板用作頻率為 0.02 至 1 GHz 的超聲波振動的發射器和接收器，用於諧振器、濾波器、表面聲波的延遲線。

沉積在介電基板上的壓電半導體薄膜用於叉指換能器（這裡使用可變電極來激發表面聲波）。

低頻壓電換能器是在偶極鐵電體的基礎上製成的：微型麥克風、揚聲器、拾音器、壓力傳感器、變形傳感器、振動傳感器、加速度傳感器、超聲波發射器。