压电效应的历史与应用：逆压电效应在传感器制造与应用中的重要性

压电效应的历史与应用

用途广泛的电荷

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态的现象。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

压电晶体材料

1880年居里兄弟皮尔与杰克斯发现压电效应。之前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统地研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：闪锌矿、钠氯酸盐、电气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。这些晶体都具有非晶方性结构，晶方性材料是不会产生压电性的。在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，因视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼在研究热力学原理时发现的，后来在同一年，居里兄弟做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类可能具有压电效应。今天，我们都知道，压晶体管可用来作为声波的产生器与接收器，无论在军事上、工业上、工程上都具有广泛的用途。可是早在居里兄弟发现压电性后的35年中，压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。第一次世界大战时，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，因此，当时的蓝杰文发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果，大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz，外加一电脉波信号，则经换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到由海底反射的回波，由来回时间和波在海中行进的速度，可计算换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。第一次世界大战后不久，石英换能器便发展出两项重要的应用。首先，哈佛大学的皮尔士教授用石英晶体制作超声波干涉仪，由石英所发生的超声波和途中声波反射器所反射的回波混合，产生极大值，若微调反射板使前进或后退，则可获得另一极大值，由两极大值间的距离，亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离，可测出声波波长。因为已知频率，因此由频率与波长的乘积，可确定出波在气体介质中的速度。同时，由几个极大值间的振幅降低率，可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。

压电敏感元件受力变形的几种基本形式(www.xing528.com)

1927年，伍德与鲁密斯首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起空腔现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。在水下音响的研究中发现，石英晶体并不是很好的换能器材料，但是它的振荡频率却不随温度而变，即具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性，用在控制振荡器的频率，及某些滤波器上最有用。1919年，卡迪教授第一次利用石英当作频率控制器，因为晶体具有极高的Q值，振荡器的频率受到晶体共振频率的控制，且频率不随温度变化而变。后来，皮尔士和皮尔士-米勒又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中，大约使用了1000万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通信。石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片，高Q值意味着低的声波能量损耗；高Q值也意味着窄频带，因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用，可用一串联电感来获得宽带操作。此类滤波器的结构图，它常被用在有线通信系统、微波通信系统等。

晶体振荡器内部结构

早期压电效应仅止于学术上的趣味性研究，而如今则已成为非常有用的效应，用它制出各式各样的声电换能器，其操作频谱可由100Hz起涵盖至几个GHz，依频率的不同而有不同的用途。声呐、反潜、海底通信、电话通信等是低频信号最典型的应用。在几个MHz范围，其波长在毫米范围，适合用来作非破坏性的检验材料与医学诊断上，所谓超声波成像术、全像摄影术、计算机辅助声波断层摄影术等就是针对这些用途而研究的。频率在VHF、UHF波段则使用压电性所研制出来的表面声波电子组件。如延迟线、各式滤波器、回旋器、相关器等信号处理组件，在通信上与信号处理上具有重要的应用。当频率高至低微波波段，其对应波长在微米范围，用来制作声学显微镜，其解像力可和传统的光学显微镜媲美，而其机械波而非电磁波的独特性质，则可弥补光学显微镜在应用上的不足。

压电效应分类

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。