【文章內(nèi)容簡介】 來收集壓電發(fā)電裝置發(fā)出的電，并把電應用在溫度傳感器上，溫度傳感器采用 PN節(jié)溫度傳感器。 xx 大學學士學位論文 7 第 2章 壓電發(fā)電技術 壓電振子分析 壓電振子 在壓電發(fā)電裝置中承擔著將機械能轉換為電能的作用，因此壓電振子的發(fā)電能力將決定壓電發(fā)電裝置的電能輸出能力，對壓電發(fā)電裝置的優(yōu)化設計實際就是對壓電振子的優(yōu)化設計。響壓電振子發(fā)電能力的因素有很多，如激振頻率、支撐方式、壓電振子的結構參數(shù)等，本節(jié)從理論上全面對壓電振子進行了分析，從而準確評價各因素對壓電振子發(fā)電能力的影響。 壓電材料與壓電效應 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電 陶瓷。 壓電材料的主要特性參數(shù)有： 1． 壓電常數(shù) : 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關系到壓電輸出靈敏度。 2． 彈性常數(shù) : 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。 3． 介電常數(shù) : 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 4． 機械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應中，轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機 — 電能量轉換效率的一個重要 參數(shù)。 5． 電阻 : 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 6． 居里點溫度 : 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。 表 21 常用壓電材料性能參數(shù) 壓電材料 性能參數(shù) 石英 鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛 PZT － ４ 鋯鈦酸鉛 PZT － 5 鋯鈦酸鉛 PZT － 8 壓電系數(shù) /（ pC/N） 11d = 14d = 31d =78 33d =190 15d =260 15d ? 410 31d =100 33d =230 15d ? 670 31d =185 33d =600 15d =330 31d =90 33d =200 相對介電常數(shù) 1200 1050 2100 1000 居里點溫度 573 115 310 260 300 xx 大學學士學位論文 8 密度 彈性模量 80 110 117 123 機械品質(zhì)因數(shù) 5610 10 500? 80 800? 最大安全應力 95 100 81 76 76 83 體積電阻率 〉 1210 1010 (25 )C? 〉 1010 1110 (25 )C? 最高允許溫度 550 80 250 250 最高允許濕度 100 100 100 100 目前已知的壓電材料有幾十種，早期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，以后發(fā)現(xiàn)了羅息鹽等類鐵電體以及一些生物體也具有壓電性，不過這些早期的壓電材料很難滿 足工業(yè)應用的要求，限制了壓電技術的發(fā)展。鈦酸鋇（ BaTiO3） [12]陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進了壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶體材料，而且在壓電性能上也有了大幅度提高。當今廣泛應用的壓電陶瓷是 PZT，即 Pb(Zr,Ti)O3 壓電陶瓷，其壓電效應強，穩(wěn)定性好。 [1 14]它是由美國學者 1954 年發(fā)現(xiàn)的PbZrO3PbTiO3 二元系固溶體壓電陶瓷，其機械品質(zhì)因數(shù)約為鈦酸鋇（ BaTiO3）陶瓷的兩倍。此外，若在 PZT 的組成中加入 Pb(MgNb)O3 后將形成三元系壓電 陶瓷，這類壓電陶瓷的性能更加優(yōu)越，可適于多種不同的應用領域。 壓電效應：壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶體壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一 端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi) 極化強度對外界的作用，所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖 21 所示 。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力 F，如圖 22（ a） 所示 。 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 xx 大學學士學位論文 9 圖 21 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附自 由電荷示意圖 圖 22 壓電效應 當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀 (這是一個膨脹過程 )，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應，是由法國的兩位科學家 1880 年在研究石英晶體的物理性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)正壓電效應的第二年，也就是 1881 年，由李普曼在理論上預言，由居里兄弟在實驗上證實了另一種物理現(xiàn)象：若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖 22(b)所示 ，由 于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。 壓電振子 圖 23 是壓電振子的基本結構原理圖。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彈性體連接在一起共同構成振動體，將這種振動體稱為 復合壓電振子，一般常用的壓電振子分為矩形和圓片形兩種。本文在分析及實驗中采用的壓電陶瓷材料均是 PZT5，彈性體采用磷青銅。利用壓電振子可以做成各種壓電發(fā)電元件，如壓電打火器、壓電引爆器、壓電變壓器以及超聲波探測器等等。這些壓電器件一部分是工作在諧振態(tài)，也就是工作在某一頻率點，使器件自由電荷 束縛電荷 電極 電極 xx 大學學士學位論文 10 處于諧振狀態(tài)。另一部分是工作在自由受迫振動狀態(tài)，使壓電振子工作在非共振區(qū)，利用其靜態(tài)或動態(tài)變形進行工作。無論是工作在諧振狀態(tài)還是工作在自由受迫振動狀態(tài)，都要對壓電振子的諧振特性加以研究，從而根據(jù)不同的應用場合采用不同的工作方式， 充分發(fā)揮各自特點。 圖 23 壓電振子基本結構 1． 壓電振子的振動模式 壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心部件，起著將機械能轉換為電能的作用。某一幾何尺寸的振子在特定條件（按所需方向極化、激勵和設置電極等）下，其用以完成機械能和電能相互轉換的振動方式多種多樣，通常把這種振動方式稱為振動模態(tài)。此外，各種振動模態(tài)之間還存在著相互影響或耦合作用。因此在設計壓電振 子時，除了選擇合適的陶瓷材料外，還要選擇合適的振子及其振動模態(tài) [1518]。 通常將激發(fā)壓電陶瓷的振動分成以下四類，如圖 24 所示 (a)垂直于電場方向的伸縮振動（長度方向），用 LE 模表示； (b)平行于電場方向的伸縮振動（厚度方向），用 TE 模表示； (c)垂直于電場平面內(nèi)的剪切振動（表面），用FS 模表示； (d)平行于電場平面內(nèi)的剪切振動（厚度），用 TS 模表示。當這些振動模式作用到壓電振子上時，將能產(chǎn)生彎曲振動、伸縮振動和扭轉振動。但對于壓電發(fā)電選擇合適的振動方式是非常關鍵的，通常情況下選取彎曲振動方式，因為彎曲振動下壓電振子可產(chǎn)生最大的撓度，有利于壓電發(fā)電。 圖 24 壓電陶瓷振動分類 壓電陶瓷片 彈性金屬片 單側型 壓電陶瓷片 彈性金屬片 壓電陶瓷片 雙側型 xx 大學學士學位論文 11 2． 壓電振子等效電路 對如圖 25 所示的懸臂支撐壓電振子系 統(tǒng)可以描述成如圖 26 所示的包括電和機械兩部分組成的等效電路。 [19]在這個機電耦合電路里面，力和電壓是廣義的輸入和輸出變量，而速率和電流是廣義的中間變量。如圖 25 所示 。的混合梁是依靠外界輸入力來使其振動，它可以看作是一個具有阻尼、有效質(zhì)量和剛度的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。機械阻尼被看作是一個電阻，由于壓電效應，部分機械能轉變成電能，這個過程存在一個轉化效率Φ如圖 26 所示。壓電材料本身可以看作由一個電容和內(nèi)阻組成的封閉系統(tǒng)。 圖 25壓電振子懸臂梁結構 圖 26 壓電振子的等效電路 壓電振子支撐及激勵方式 壓電振子的支撐方式 壓電振子的支撐方式（或邊界條件）和結構尺寸是影響壓電振子發(fā)電能力的另一重要因素。壓電振子支撐方式（或邊界條件）不同，其工作方式及能量輸出特點將有較大差異。通常，壓電振子有四種不同的邊界條件， 懸臂支撐、周邊固定支撐、自由邊界支撐、簡支支撐。這四種壓電振子的支撐方式（或邊界條件）， 如圖 27 所示。 xx 大學學士學位論文 12 圖 27 壓電振子支撐方式 圖 (a)懸臂支撐：這種方式可產(chǎn)生最大的撓度，同時具有較低的諧振頻率。矩形壓電發(fā)電元件多采用此方式。 圖 (b)周邊固定支撐：對于壓電陶瓷晶片自身，其周邊固定的機電耦合系數(shù)極低，不適合用于壓電發(fā)電 [20]。 圖 (c)自由邊界支撐：該方式結構安裝不方便，實際上也很少采用。 圖 (d)簡支支撐：該方式壓電彎曲元件支撐在振動的波節(jié)上（即波節(jié)支撐），支撐的結構輕便、結實，而且裝置的損耗也降到最低程度。圓片形壓電振子常采用簡支支撐方式。 壓電振子的激勵方式 使壓電振子發(fā)電的激勵方式 分為慣性自由振動式、沖擊自由振動式、強制振動式三種，因為激勵方式對壓電振子的發(fā)電性能影響很大，因此需要結合實際情況選擇不同的激勵方式。 1． 慣性自由振動式 慣性自由振動式，是在懸臂梁壓電振子的自由端附有集中質(zhì)量塊，二者構成彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖 28 所示。當在懸臂梁末端施加沖擊（或敲擊）時，壓電振子自由振動。該發(fā)電方式發(fā)電能力較弱，但具有較長的振動持續(xù)時間，可以用來吸收環(huán)境振動能量，不需要人的參與便可實現(xiàn)能量的轉化，提供持續(xù)的電能，可與微電子器件集成一體，充當其電源。其電壓輸出特性曲線如圖 29所示。在揚聲器、 公路隧道視線導航標識等方面都已有應用。 圖 28 慣性自由振動 PZT 沖擊 基板 質(zhì)量塊 xx 大學學士學位論文 13 圖 29 慣性自由振動輸出電壓 2． 沖擊自由振動式 沖擊自由振動式，是利用自由振動金屬球（或有一定勢能的沖擊頭）撞擊壓電振子，使之產(chǎn)生彎曲振動，如圖 210 所示。該發(fā)電方式能產(chǎn)生瞬間的高壓、大電流，其發(fā)電量可以點亮數(shù)十個 mW 級的發(fā)光二極管。其電壓輸出特性曲線如圖 211所示。 圖 210 沖擊自由振動式 圖 211 沖擊自由振動輸出 3． 強制振動式 強制振動式，是通過施加振幅（如利用帶有突起圓盤的轉動或通過按鈕直接按壓） 迫使壓電振子產(chǎn)生交替的彎曲變形來獲得能量，如圖 212 所示。 xx 大學學士學位論文 14 圖 212 強制振動 圖 213 強制振動輸出電壓 此發(fā)電方式可單獨使用或與電器集成一體，便于及時為電器提供或補充電能，對于長期野外作業(yè)或邊遠地區(qū)尤其適用。其關鍵因素是作用力的大小及作用時間，其產(chǎn)生的電能與施加振幅的強度同步。當施加振幅的強度較弱時，發(fā)光二極管發(fā)光強度微弱；反之發(fā)光強度增強，其電壓輸出特性曲線如圖 213 所示。壓電發(fā)光扇、壓電發(fā)光顯示裝置等用到的都是這一方式。 由于利用壓電材料發(fā)電的特殊性，因此在選擇壓電振子支撐方 式和激勵方式時就要根據(jù)實際的應用情況來決定，一般圓片形壓電振子多采用簡支撐和按壓激勵方式；而矩形壓電振子多采用懸臂支撐和沖擊激勵方式。 多片壓電振子聯(lián)接方式 為增強發(fā)電裝置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。 兩壓電振子并聯(lián)，中間基板為負極， PZT 為正極。假定單片壓電振子輸出電壓為 U，電量為 q，雙片輸出電壓為 U，電量為 q′，則它們所對應的關系如式 （ 2－ 1） [2 22]： q′ =2q U′ =U （ 2— 1） 兩壓電振子串聯(lián)，正電荷集中在上極板上 側，負電荷集中在下極板下側，而上基板下側產(chǎn)生的負電荷與下基板上側產(chǎn)生的正電荷相互抵消。假定輸出總電荷為 q′，單片振子輸出電荷為 q，雙片輸出電壓為 U′