压电效应

压电效应

     电气   压电效应 

什么是压电效应?

压电效应 是指某些材料在机械应力作用下,其中产生的电极化强度发生改变的现象。这种与应力相关的极化强度变化,具体表现为整个材料会产生可测量的电势差,称之为正压电效应。我们可以在许多天然的晶体材料(包括石英、酒石酸钾钠甚至人体骨骼)中观察到这一现象,而铌酸锂和锆钛酸铅(PZT)等工程材料则会表现出更明显的压电效应。

需要注意的是这个现象有一个重要的特征,即,这一过程是可逆的。逆压电效应 指的是这些材料在电场作用下产生变形的现象。根据电场方向、特定的材料极化方向的不同,以及该材料与相邻结构的连接方式,这种变形可能导致材料中产生拉伸或压缩的应变和应力。

应用领域

执行器和传感器

压电材料被广泛应用于紧凑型执行器,如直线电机、旋转电机、水泵等;同时也被用于传感器,如测力传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪等。在设计新型执行器和传感器时,人们可以使用嵌入了压电材料的复合材料,这种材料可以在不同的模式下表现出耦合结构变形,比如,在剪切弯曲驱动器 中,嵌入的压电材料会发生剪切变形,从而导致复合结构产生较大弯曲变形。

声学

声换能器利用压电材料来产生声波。在受到谐变电场作用时,振动的压电材料会在周围的流体介质中产生交替变化的压缩和稀释作用,从而产生声音。这一原理被用于便携式电子设备、医疗超声设备、声呐换能器等微型扬声器中,tonpilz 换能器便是其中一个例子。

Tonpilz 换能器模型。

由一台带有压电叠堆执行器的 Tonpilz 换能器产生的声波。

由一台带有压电叠堆执行器的 Tonpilz 换能器产生的声波。

压电材料的正压电效应在声学传感系统中得到了广泛应用,例如,麦克风、水听器,甚至是原声电吉他拾音器。在这些装置中,外部声压充当机械载荷作用于压电材料,从而改变材料的电信号响应,并能据此测量声信号。

MEMS

基于声表面波(SAW)和体声波(BAW)的 MEMS 射频滤波器通过利用压电材料,能够将电信号转换为弹性波,然后再转回电信号。得益于压电材料固有的机电耦合效应,输出信号与输入信号之间可以具有特定的相位差,并且输入信号中存在的多余频率分量也可以从输出信号中滤除。

基于压电材料的 MEMS 器件利用的是正压电效应,因此也被用作微尺度的化学和生物传感器。它们可以用作高精度的质量测量装置,其测量依据为:当压电谐振器上积累了任何外部来源(例如化学或生物物质的释放源)施加的额外质量时,其中发生的谐振频率变化。石英晶体微天平(QCM)便是这样一种装置。

一个 AT 切型石英盘在外加电压作用下产生剪切波。

通过在一个 AT 切型石英盘上施加电压而产生的剪切波。该原理被用于石英晶体微天平(QCM)等设备。

通过在一个 AT 切型石英盘上施加电压而产生的剪切波。该原理被用于石英晶体微天平(QCM)等设备。

微流体

喷墨打印机使用压电执行器,通过脉冲电流来控制执行器的膨胀。压电执行器通过膨胀对墨水进行挤压,从而使墨水从喷嘴喷出。基于压电效应的微流体泵与合成射流执行器也利用了这一原理,用于实现主动流动控制。

发布日期:2014 年 10 月 31 日
上次修改日期:2017 年 2 月 21 日