压电学、压电性 - 现象、类型、性质和应用的物理学

压电 突出显示电介质 压电效应.

压电现象是1880-1881年由法国著名物理学家皮埃尔和保罗-雅克居里发现并研究的。

40 多年来，压电性没有找到实际应用，仍然是物理实验室的财产。直到第一次世界大战期间，法国科学家保罗·朗之万才利用这种现象从石英板中产生水中的超声波振动，用于水下定位（“发声器”）。

此后，许多物理学家对石英和其他一些晶体的压电特性及其实际应用的研究产生了兴趣。在他们的众多作品中，有几个非常重要的应用。

例如，在 1915 年 S.Butterworth 表明，石英板作为一维机械系统，由于电场和电荷之间的相互作用而被激发，可以表示为电容、电感和电阻串联的等效电路。

引入石英板作为振荡电路，巴特沃斯率先提出了石英谐振器的等效电路，这是后来所有理论工作的基础。 来自石英谐振器.

压电效应有正反之分。直接压电效应的特点是电介质的电极化，这是由于外部机械应力作用于它而发生的，而在电介质表面感应的电荷与施加的机械应力成正比：

有了逆压电效应，这种现象就会以相反的方式表现出来——电介质在施加于其上的外部电场的作用下改变其尺寸，而机械变形（相对变形）的大小将与强度成正比施加于样品的电场：

两种情况下的比例因子都是压电模量 d。对于相同的压电，直接 (dpr) 和反向 (drev) 压电效应的压电模量彼此相等。因此，压电是一种可逆机电换能器。

纵向和横向压电效应

根据样品的类型，压电效应可以是纵向的或横向的。在纵向压电效应的情况下，响应于应变或响应于外部电场的应变在与引发动作相同的方向上产生电荷。对于横向压电效应，电荷的出现或变形方向将垂直于引起它们的效应的方向。

如果一个交变电场开始作用于压电体，那么它就会出现同频率的交变变形。如果压电效应是纵向的，则变形将在施加电场的方向上具有压缩和拉伸的特征，如果是横向的，则将观察到横波。

如果施加的交变电场的频率等于压电体的共振频率，则机械变形的幅度将最大。样品的共振频率可由下式确定（V为机械波的传播速度，h为样品的厚度）：

压电材料最重要的特性是机电耦合系数，它表示机械振动力 Pa 与通过对样品的冲击而激发的电功率 Pe 之间的比率。该系数通常取值范围为0.01至0.3。

压电材料的特征在于材料的晶体结构具有没有对称中心的共价键或离子键。具有可忽略的自由载流子的低电导率材料具有高压电特性。压电体包括所有铁电体，以及大量已知材料，包括石英的结晶变体。

单晶压电体

这类压电体包括离子铁电体和结晶石英（β-石英 SiO2）。

β 石英的单晶具有六棱柱的形状，两侧有两个金字塔。让我们在这里强调一些晶体学方向。 Z轴穿过棱锥体的顶点，是晶体的光轴。如果在垂直于给定轴 (Z) 的方向上从这种晶体上切下一块板，则无法实现压电效应。

通过六边形的顶点画出X轴，这样的X轴共有三个。如果垂直于X轴切割板材，则得到压电效果最好的样品。这就是 X 轴在石英中被称为电轴的原因。垂直于石英晶体侧面绘制的所有三个 Y 轴都是机械轴。

这类石英属于弱压电材料，其机电耦合系数在0.05～0.1范围内。

晶体石英具有最大的适用性，因为它能够在高达 573 °C 的温度下保持压电特性。石英压电谐振器只不过是附有电极的平面平行板。这些元件以明显的自然共振频率为特征。

铌酸锂 (LiNbO3) 是一种广泛使用的与离子铁电体相关的压电材料（还有钽酸锂 LiTaO3 和锗酸铋 Bi12GeO20）。离子铁电体在低于居里点的温度下在强电场中进行预退火，使其进入单畴状态。这种材料具有更高的机电耦合系数（高达 0.3）。

硫化镉CdS、氧化锌ZnO、硫化锌ZnS、硒化镉CdSe、砷化镓GaAs等。它们是具有离子-共价键的半导体型化合物的例子。这些就是所谓的压电半导体。

在这些偶极铁电体的基础上，还得到了乙二胺酒石酸盐C6H14N8O8、电气石、罗谢尔盐单晶、硫酸锂Li2SO4H2O——压电体。

多晶压电体

铁电陶瓷属于多晶压电体。为了赋予铁电陶瓷压电性能，这种陶瓷必须在温度为 100 到 150°C 的强电场（强度为 2 到 4 MV / m）中极化一小时，以便在这种暴露之后，极化保留在其中，这使得可以获得压电效应。因此，获得了压电耦合系数为 0.2 至 0.4 的坚固压电陶瓷。

所需形状的压电元件由压电陶瓷制成，以便获得所需性质（纵向、横向、弯曲）的机械振动。工业压电陶瓷的主要代表是以钛酸钡、钙、铅、锆钛酸铅和铌酸铅钡为基础制成的。

高分子压电体

聚合物薄膜（如聚偏氟乙烯）拉伸100-400%，然后在电场中极化，然后通过金属化施加电极。因此，获得机电耦合系数为0.16量级的薄膜压电元件。

压电体的应用

可以在现成的无线电工程设备的形式中找到独立和互连的压电元件 - 带有电极的压电换能器。

此类设备由石英、压电陶瓷或离子压电材料制成，用于生成、转换和过滤电信号。从石英晶体上切下平行平面板，连接电极 - 获得谐振器。

谐振器的频率和 Q 因子取决于与切割板的晶轴的角度。通常，在高达 50 MHz 的射频范围内，此类谐振器的 Q 因子达到 100,000。此外，压电换能器广泛用作具有高输入阻抗的压电变压器，适用于典型的宽频率范围。

在品质因数和频率方面，石英优于离子压电材料，能够在高达 1 GHz 的频率下工作。最薄的钽酸锂板用作频率为 0.02 至 1 GHz 的超声波振动的发射器和接收器，用于谐振器、滤波器、表面声波的延迟线。

沉积在介电基板上的压电半导体薄膜用于叉指换能器（这里使用可变电极来激发表面声波）。

低频压电换能器是在偶极铁电体的基础上制成的：微型麦克风、扬声器、拾音器、压力传感器、变形传感器、振动传感器、加速度传感器、超声波发射器。