压电技术介绍

某些种类的晶体材料具有压电特性,这种压电现象类似于介电材料所具有的电致伸缩特性。但受到一外加电场时,它们则有不同的对应机制。通常介电材料的电致伸缩效应非常小,即使外加电场的方向转换,几何形状也几乎没有改变。对比于这种情况,电场的方向被反转时,压电材料会在几何形状上呈现反方向的变化。

晶格结构拥有不对称中心的结晶材料能产生压电现象,在32种晶格结构材料中,有11种具有对称中心,是非极性的,其他的21种晶格结构,具有不对称中心,这当中有20种具备压电效应。唯一例外的是立方晶体系统,其拥有对称性的结构,导致它没有压电效应。

最普遍制造的压电陶瓷材料包含钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3, PZT)的化合物,后者即俗称的PZT材料。PZT属于钙钛矿结构,其结构为一般的ABO3形式,PZT结构其原子位置如图1所示。钛或者锆在单元晶格的非对称位置,会产生电偶极矩。压电陶瓷在烧结后包含非常大量的小结晶颗粒,每个结晶颗粒可以划分成很多晶域,在单一晶域内其电偶极矩的方向是一样的。由于在烧结之后结晶颗粒成随机方向排列,总电偶极矩为零,换言之烧结完的压电材料无法表现出压电特性。

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图1:钛或者锆在单元晶格的非对称位置,会产生电偶极矩。在极化过程,外加电场会改变电偶极矩的排列方向。

压电陶瓷制造生产过程,会使其接触到高温与高电压来产生压电特性,称之为极化。举例说明,PZT在极化过程中,外加电场会改变电偶极矩的排列方向,使原本呈随机方向排列的电偶极矩于极化过程被重新排列。PZT极化前后的状态如图2所示。

 

Figure 2: The randomly oriented dipole domains will be aligned during poling, therefore, the polarization of the PZT ceramic part is established.

图2:PZT极化前电偶极矩呈随机方向排列,极化后电偶极矩排列方向一致。

压电陶瓷组件具有机械能和电能之间的转换功能,是高效率的机电换能器。一个压电圆柱体,两侧平面为电极,P表示极性方向(如图3(A)所示)。在此压电材料上施加一压缩力,压电材料会产生电能,可从外接的电流表上观察到有瞬间电流产生(如图3(B)所示)。若施加一拉伸力,则会产生反方向的电流(如图3(C)所示)。上述由机械能转换成电能的现象,称之为正压电效应。相反的,逆压电效应即是将电能转换成机械能。透过在压电材料上施加电场(电压),因电场(电压)作用使压电材料产生压缩变形(如图3(D)所示)。电场(电压)方向相反,则对压电材料产生拉伸变形(如图3(E)所示)。将正负循环的电场(电压)施加于压电材料,压电材料将持续产生压缩变形和拉伸变形,也就导致其尺寸上持续变化(如图3(F)所示)。

 

Figure 3: Mechanical - Electrical energy transformation in piezoelectric ceramics.

图3:压电陶瓷之机械能与电能相互转换示意图。

压电材料由于其拥有正压电和逆压电效应的特殊性质,不仅可被应用在许多尖端科技领域上,它也常常出现在人们日常生活中。在我们需要增加人-机-环境互动的此时,加上压电材料的研究发展和加工技术日新月异,使得更多的应用产品问世。

压电陶瓷主要应用如下:

  1. 低功率超声波换能器,例如超声波美容/美体按摩器、洁牙器、流量计、喷雾器/雾化器/增湿器、表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)触控面板。
  2. 高功率超声波换能器,例如超声波清洗机、超声波加工机和超声波焊接机。
  3. 各式应用传感器,例如倒车雷达、液面传感器、近物/距离传感器、音波脉冲辨识(APR,Acoustic Pulse Recognition)触控面板。
  4. 致动器和精密控制位移及定位装置,包括弯曲型致动器、压电喇叭/发音器、压电触觉感知装置、进料/震荡机、制振装置、微型精密泵浦。
  5. 各种电压产生应用,如点火器、无电池遥控器、能量捕获设备。
  6. 其余压电装置,包含压电变压器和机电式滤波器。

咏业科技在压电陶瓷产品领域的研发和生产有超过25年的经验,我们对于陶瓷的配方和制程能力有雄厚的基础背景。做为台湾压电陶瓷供应的领先者,咏业提供各式形状和各种功能的压电陶瓷供客户选择。并且,如客户有需求,我们也可依客户规格和需要来开发及生产客制化压电陶瓷组件。