【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 共 49 頁 有最大的產(chǎn)量。科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展進(jìn)步，超聲檢測(cè)在很多方面都有了越來越廣泛的應(yīng)用。這里有很多是應(yīng)用在傳感器方面的。超聲顯微鏡屬于超聲換能器應(yīng)用的范圍，它預(yù)示著超聲換能器將會(huì)有更新的發(fā)展和進(jìn)步。 現(xiàn)代社會(huì)，在生活的各個(gè)方面都有壓電技術(shù)的應(yīng)用，每個(gè)人很多時(shí)候都與壓電應(yīng)用息息相關(guān)。例如用打火機(jī)點(diǎn)燃香煙、打開煤氣爐、汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)的啟動(dòng)等點(diǎn)火都是壓電點(diǎn)火器的應(yīng)用 。電子手表里用到的壓電諧振器 。聲控門、報(bào)警器與兒童玩具等會(huì)用到壓電蜂鳴器 。商店、銀行及保密安全場(chǎng)所的監(jiān)控管理，以及偵察和破案等用到的壓電力敏傳感器即能對(duì)不同人的聲音上的特征和筆跡進(jìn)行驗(yàn)證等。家用電氣產(chǎn)品會(huì)用到壓電器件，如壓電馬達(dá)與壓電拾音器就是電唱機(jī)里的應(yīng)用 。壓電高壓發(fā)生器就是閃光燈里的應(yīng)用等等。最近幾年，在全球范圍內(nèi)壓電陶瓷產(chǎn)品以 15％左右年銷售量的速度不斷增加。據(jù)報(bào)道， 2020 年的壓電陶瓷產(chǎn)品在全球約有超過 30 億美元的銷售額。目前壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域主要是壓電信號(hào) 發(fā)生器、壓電超聲換能器、計(jì)測(cè)和控制用壓電器件、壓電點(diǎn)火器和壓電變壓器、頻率控制器件這些方面。壓電陶瓷的研制成功加快了技術(shù)進(jìn)步、推動(dòng)著新型產(chǎn)業(yè)的形成和促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。 壓電效應(yīng) 1880 年，兩位來自法國(guó)的科學(xué)家 理的特性進(jìn)行研究時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了正壓電效應(yīng)，在 1881 年即正壓電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)的第二年，李普曼參考熱力學(xué)的原理，通過能量與電量守恒的定律，預(yù)言了還存在著逆壓電效應(yīng)。在李普曼的理論預(yù)言的基礎(chǔ)上，居里兄弟采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)逆壓電效應(yīng)進(jìn)行了證實(shí)，同時(shí) 也得出了正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。正壓電效應(yīng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，它不僅應(yīng)用在壓電陶瓷領(lǐng)域，也可在其他的材料上表現(xiàn)出來。舉一個(gè)例子，動(dòng)物身體上的肌肉就可以看作一個(gè)壓電體，當(dāng)對(duì)肌肉施加外力時(shí)，肌肉產(chǎn)生電荷對(duì)人的大腦反饋信號(hào)，相反，當(dāng)大腦借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電荷信號(hào)反映到肌肉上時(shí)，肌肉就會(huì)發(fā)生收縮變形。 壓電陶瓷的組成是大量的鐵電體微晶，微晶又可以繼續(xù)分成電疇，因此壓電陶瓷是一種多疇晶體，它的組成部分是很多電疇。電疇有很多不同的極化方向。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力作用于它時(shí)，雖然各個(gè)電疇的自發(fā)極化會(huì)發(fā)生不同程度的變化， 但因?yàn)殡姰牄]有規(guī)則的排列，所以在總體上沒有電性顯示，不具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷受到電場(chǎng)作用會(huì)有一定的形變，此效應(yīng)稱作電致伸縮效應(yīng)。它和壓電效應(yīng)不一景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 共 49 頁 樣，此時(shí)的形變和電場(chǎng)是非線性的關(guān)系。 為了產(chǎn)生和電場(chǎng)強(qiáng)度是線性關(guān)系的形變，需要在晶片上施加一個(gè)很大的直流電場(chǎng)，即極化電場(chǎng)（ 1～ 4kV/mm）。當(dāng)這個(gè)大的直流電場(chǎng)和一小的交流電場(chǎng)發(fā)生疊加時(shí)，因?yàn)榻涣麟妶?chǎng)比較小，它的變化通常不能夠使電疇轉(zhuǎn)向，但可以使電疇邊界產(chǎn)生移動(dòng)，增大和電場(chǎng)方向一致的電疇體積，而減小了和電場(chǎng)方向不相同的電疇體積。由此形變與電場(chǎng)近似呈線性比例關(guān)系。一般 通過剩余極化可起到對(duì)電場(chǎng)極化的作用。為了使極化變得更容易，常常采用加溫而極化的方法，即先使陶瓷加熱升溫至高于居里點(diǎn)的溫度后施加直流電場(chǎng)，然后待溫度冷卻到室溫再撤去電場(chǎng)。 當(dāng)某些電介質(zhì)晶體受到一定方向的外力作用而引起形變時(shí)，有相對(duì)位移在其內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生而有了極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的上下表面上有符號(hào)相反的極化電荷出現(xiàn)，其電荷密度隨著應(yīng)力成比例變化。當(dāng)取消外力后又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種只因?yàn)閼?yīng)變或應(yīng)力的影響而不是因?yàn)橥饨珉妶?chǎng)的干擾，在晶體內(nèi)部有電極化產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或壓電效應(yīng)。如圖 21 所示。當(dāng)應(yīng)力不是特別大時(shí)，壓電效應(yīng)引起的極化強(qiáng)度隨應(yīng)力線性變化。當(dāng)改變外力的方向時(shí)，同時(shí)也改變了電荷的極性。 反之，將一交變電場(chǎng)施加于壓電晶體上時(shí)，晶體發(fā)生機(jī)械變形，不僅有極化現(xiàn)象出現(xiàn)，而且還有應(yīng)變和應(yīng)力產(chǎn)生，當(dāng)去掉電場(chǎng)后，變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮現(xiàn)象。如圖 22 所示。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不是太大時(shí)，應(yīng)變和外部電場(chǎng)之間呈線性比例關(guān)系。在電聲與超聲應(yīng)用中變送器的制造就是利用了逆壓電效應(yīng)。壓電敏感元件有厚度、長(zhǎng)度、體積變形型、厚度、平面切變型 5 種最基本的受力變形形式。壓電晶體各向異性的特性 ，使得不是全部的晶體都可以在上面 5 種情況下有壓電效應(yīng)產(chǎn)生。比如石英晶體在體積變形下不具有壓電效應(yīng)，但是在長(zhǎng)度變形與厚度變形下有很好的壓電效應(yīng)。 極化過程處理后的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)，沒有極化的壓電陶瓷的電疇排列雜亂，因此不具有壓電效應(yīng)。極化處理后，每個(gè)電疇的極化取向朝著外部電場(chǎng)的方向排列。因而，陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度不再等于零，大小相等而符號(hào)相反的電荷出現(xiàn)在和電矩相垂直的方向的兩個(gè)面上，就像一個(gè)大的電偶極子，如圖 23(a)所示。但它表面上的束縛電荷迅速被自由電荷中和，這個(gè)自由電荷來自于外界或內(nèi) 部遷移過來，形成了所謂的電偶層，如圖 23（ b）所示。如果作用于陶瓷片景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 共 49 頁 上的壓力 F 平行于極化方向時(shí)，如圖 23（ c）所示，陶瓷有壓縮變形產(chǎn)生，這 圖 21 正壓電效應(yīng)示意圖 圖 22 逆壓電效應(yīng)示意圖 樣片內(nèi)正束縛電荷和負(fù)束縛電荷之間間距變小，隨之極化強(qiáng)度減小。以前遷移過來的部分自由電荷被釋放后而有放電現(xiàn)象產(chǎn)生，沿極化方向陶瓷片有壓縮變形。當(dāng)撤消施加的壓力后，陶瓷片回到原狀，同時(shí)也增大了正、負(fù)電荷的距離，極化強(qiáng)度也隨著增大，即開始充電 ，一些自由電荷被吸附在電極上。同樣，當(dāng)在極化方向上陶瓷片有拉長(zhǎng)變形時(shí)，也會(huì)有充電現(xiàn)象產(chǎn)生，這就是所謂的壓電效應(yīng)。 (a) 內(nèi)部束縛電荷 (b) 表面自由電荷 (c) 電荷釋放 圖 23 壓電發(fā)電電荷釋放示意圖 壓電陶瓷的性能參數(shù) 壓電陶瓷的壓電性能可以由多個(gè)壓電參數(shù)表達(dá)，其中與壓電發(fā)電裝置相關(guān) 的參數(shù)主要為機(jī)電耦合系數(shù) K、機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm等 等，這些參數(shù)是設(shè)計(jì)、制 造壓電發(fā)電裝置過程中選擇壓電陶瓷的主要依據(jù)。壓電陶瓷極化處理以后才具 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 共 49 頁 有壓電性，但對(duì)外表現(xiàn)為各向異性，也就是各項(xiàng)性能參數(shù)在不同方向上表現(xiàn)為 不同的數(shù)值。這使得其表征性能的參數(shù)比各向同性材料的要多得多。其主要的 相關(guān)參數(shù)如下： 機(jī)電耦合系數(shù) K 這是表示壓電體中機(jī)械能與電能之間相互耦合程度的一個(gè)參數(shù)，是衡量壓 電性能優(yōu)劣的一個(gè)綜合物理量。它的定義為： 機(jī)電耦合系數(shù)在不同方向上表現(xiàn)為不同的數(shù)值，其大小一般在 ~ 之間。機(jī)電耦合系數(shù) K 值主要由壓電材料的種類確定，還取決于壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)、工作條件以及壓電體的電極尺寸和位置。壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)在不同的需要場(chǎng)合有不同的追求，當(dāng)制作壓電發(fā)電裝置時(shí)，希望 機(jī)電耦合系數(shù)越大越好。 機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm 壓電體作諧振振動(dòng)時(shí)，要克服內(nèi)部的機(jī)械摩擦損耗（內(nèi)耗），在有負(fù)載時(shí) 還要克服外部負(fù)載的損耗，與這些機(jī)械損耗相聯(lián)系的是機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm0（空載機(jī)械 Q 值）及 Qm（有負(fù)載時(shí)的機(jī)械 Q 值）。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)定義為機(jī)械損耗的反比，即： 內(nèi)損耗的機(jī)械能量諧振時(shí)壓電振子每周期 的機(jī)械能量諧振時(shí)壓電振子內(nèi)貯存?mQ 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的存在表明任何壓電材料都不可能把輸入的機(jī)械能全部用于輸出。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗就越少。用于壓 電發(fā)電裝置上的壓電陶瓷機(jī)械品質(zhì)因數(shù)通常應(yīng)大于 500。 相對(duì)介電常數(shù)ε 相對(duì)介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)。不同用途的壓電元件對(duì)相對(duì)介電常數(shù)要求也不相同。通常壓電元件在高頻狀態(tài)工作時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)ε要小，反之要大一些，相對(duì)介電常數(shù)可由下式得出： 真空狀 態(tài) 空 狀態(tài) 下的介 數(shù)壓電 陶瓷的自由介 電 常?ε 由于壓電發(fā)電裝置通常工作在超聲波頻率范圍內(nèi)，故常取ε 1500。 彈性常數(shù) S 壓電陶瓷材料也是一種彈性體，在彈 性極限范圍之內(nèi)，受力與變形成正比 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 共 49 頁 它反映壓電陶瓷彈性變形的能力。其值定義為 (在線性彈性變形之內(nèi) )： 加在壓電陶瓷上的應(yīng)力 壓電陶瓷的應(yīng)變?S 壓電應(yīng)變常數(shù) d 當(dāng)在壓電陶瓷上施加電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生某種變形，反映這種電學(xué)量與變形量 (或力學(xué)量 )之間的關(guān)系的就是壓電應(yīng)變常數(shù)。其定義 (無外力作用時(shí) )為： 電場(chǎng)強(qiáng)度梯度 應(yīng)變之差由電場(chǎng)強(qiáng)度梯度引起的?d d 值越大， 表明電 機(jī)轉(zhuǎn)換性能越好，因而壓電發(fā)電裝置使用的壓電陶瓷，其 壓電常數(shù)應(yīng)越小越好。 壓電電壓常數(shù) g 另一個(gè)常用的壓電常數(shù)是電壓常數(shù) g，它表示內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的電場(chǎng)，或應(yīng) 變所引起的電位移的關(guān)系。常數(shù) g 與常數(shù) d 之間的關(guān)系為： ?/dg? 對(duì)于由機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生電壓 (如壓電傳感器 )的材料來說，希望具有高的壓 電電壓常數(shù) g。 工作條件參數(shù) 這是限定壓電陶瓷工作范圍或規(guī)定工作條件的一類參數(shù)，包括： 居里溫度 TC──壓電陶瓷在某一溫度以下方具有壓電性，其臨界溫度點(diǎn)稱為居里溫度 TC。 頻率常數(shù) Nl──壓電陶瓷在諧振頻率狀態(tài)下工作具有最好的輸出。其尺寸與諧振頻率乘積為常數(shù)，稱為頻率常數(shù) Nl。這是選擇確定壓電陶瓷的重要參數(shù)。 壓電方程 在壓電彈性體中，機(jī)械效應(yīng)與電效應(yīng)是分不開的，他們互相牽制，緊緊地耦合在一起。壓電方程就是同時(shí)考慮力學(xué)作用和電學(xué)作用以及它們相互的影響，并確定力學(xué)量（應(yīng)力σ ， 應(yīng)變?chǔ)? ）及電學(xué)量（電場(chǎng)強(qiáng)度 E，電位移 D）之間的關(guān)系。邊界條件由機(jī)械自由和機(jī)械夾持與電學(xué)短路和電學(xué)開路組合而成，四類邊界條件對(duì)應(yīng)四類壓電方程 （ 1） 第一類壓電方程組 邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)短路，應(yīng)力 T 和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)變 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 共 49 頁 S和電位移 D 為因變量。方程為： ?????????EdTsSEdTDtET? （ 21） 式中，第一個(gè)方程敘述了正壓電效應(yīng)，而第二個(gè)方程敘述了逆壓電效應(yīng)。式中系數(shù)的上標(biāo)表示值為零時(shí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)。 D －電位移； d－壓電常數(shù)； dt－ d 的轉(zhuǎn)置； S－應(yīng)變； sE －彈性柔順常數(shù)； T－應(yīng)力； E－電場(chǎng)；ε T －介電常數(shù)。 （ 2）第二類壓電方程組 邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)短路，應(yīng)變 S 和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)力 T和電位移 D 為因變量： ?????????EeSDEeSCTstE ? (22) 式中， T－應(yīng)力； CE－彈性剛度常數(shù)； e－壓電應(yīng)力系數(shù)； et－ e 的轉(zhuǎn)置；ε S為夾緊壓電常數(shù)。 （ 3）第三類壓電方程組 邊界條件為機(jī)械自 由和電學(xué)開路，應(yīng)力 T 和電位移 D 為自變量，應(yīng)變 S 和電場(chǎng)強(qiáng)度 E 為因變量： ??????????DgTEDgTsSTtD ? (23) 式中 sD為開路彈性柔順系數(shù)；β T－自由倒介電常數(shù)： g－壓電電壓系數(shù)； gt－ g 的轉(zhuǎn)置。 （ 4）四類壓電方程組 ??????????DhSEDhScTstD ? (24) 式中， h－壓電系數(shù)； CD為開路彈性剛度系數(shù)；β S為夾緊倒介電常數(shù)； hth。 壓電振子 通過向壓電元件施加預(yù)定頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而振動(dòng)的振動(dòng)體稱為壓電振子。由于壓電陶瓷本身硬且脆，所產(chǎn)生的位移很小，因而一般不把壓電陶瓷本身作為壓電振子直接使用，通常是把壓電陶瓷與某種金屬?gòu)椥泽w連接在一起共同構(gòu)成壓電景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 共 49 頁 振子，其特點(diǎn)是變形相對(duì)較大、響應(yīng)快。壓電振子的構(gòu)成通常有兩種方法，一種是用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑將已制備好的壓電晶片與金屬基板粘結(jié)到一起；另一種是采用制備印刷電路板的方法，直接將壓電材料燒結(jié)到 基板上（基板材料為硅）制成復(fù)合膜。后者是一種適用批量生產(chǎn)的新加工方法，但這種制作的壓電振子的性能指標(biāo)只有傳統(tǒng)粘結(jié)方法制作壓電振子的 1/6~~1/3 壓電振子的振動(dòng)模式 壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心元件，起著將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。某種幾何尺寸的壓電振子在特定的條件（極化方向、外加激勵(lì)和電極設(shè)置等）下，其用來完成機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化的振動(dòng)方式稱為壓電振子的振動(dòng)模式，各種振動(dòng)模式之間還存在著相互影響或耦