压电效应与压电电机种类(一 压电效应及压电材料)

一路上

前言

压电电机广泛用于各行各业。比如，压电超声用于检测人体内部组织，高精度压电电机用于手机相机调焦，压电传感器用于检测水流速，压电制动器用于喷墨打印机墨水的喷洒，逆压电原理用于收集机械能等等。

那么，什么是压电效应？常见的压电电机有哪3种类型？压电技术如何应用于镜头调焦，人体探测，机械能收集？

压电效应及压电材料

通俗来说，压电就是压一下就有电。

当然，正如光路可逆一样，压电也可逆。

也就是说，通电时它就压缩（或者伸长），而压缩可以产生运动，于是有了压电驱动。

其实，压电效应最先在石英（二氧化硅）上发现。

1880年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，压力会在许多晶体中产生电荷，例如石英和电气石。

压电的发现及压电晶体结构

他们称这种现象叫“压电效应”。

随后，他们又发现电场可以使压电材料变形，他们称这为“逆压电效应”。

压电效应：

• 图a材料受拉力，在两端产生负电压，
• 图b材料受压力，在两端产生正电压。
  

逆压电效应：

• 图c材料两端接通电压，材料产生拉伸形变，
• 图d压电材料两端被夹住，接通电压时，会产生一个向外的推力。
  

直观感受一下，压电就是这样的：压缩就产生电压。

压缩就产生电压

压电直观解释：压缩时，在材料两端产生电压。

材料两端产生电压

压电现象直观解释：

压缩或者拉伸在压电材料中均产生电压，拉伸时产生负电压，压缩时产生正电压。

压缩时产生正电压

但是，在接下来的几十年中，压电研究仍停留在实验室中。

直到第一次世界大战的爆发，压电材料才第一次应用于声纳设备。声纳中压电技术的首次使用，引起了压电设备在国际上的强烈关注。

虽然石英是第一种商用压电材料，但科学家们一直在寻找性能更高的压电材料，结果在第二次世界大战期间，美国，俄罗斯和日本的研究小组，发现了一种新型的人造材料，称为铁电材料，其压电常数比天然压电材料高出许多倍，于是钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）压电材料诞生了。

压电陶瓷及其极化的含义：

通常，陶瓷是由微晶体组成的，而每个晶体是由带正电荷或负电荷的原子构成的，大多数陶瓷带有的正负电荷是平衡的。但是，在自然状态下，有一种介电陶瓷（称为铁电陶瓷）在晶体中带有不平衡的正负电荷，会造成偏电荷，也就是发生自发极化。如顶部图，焙烧后，铁电陶瓷会立即发生自发极化，并产生随机极轴（也称为偶极，此概念我们下一节解释），整体来看，陶瓷似乎有了平衡的正负电荷。但是，随着高直流电压的施加，自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐，即使去掉电压，极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程称为极化。如果将极化应用于铁电陶瓷，就会生成压电陶瓷。

压电材料PZT的极化过程，总体意思和上图一样

当给压电陶瓷施加交流电时，陶瓷内的正负电荷中心会相互吸引或排斥，就会造成陶瓷的膨胀或缩小。

给压电陶瓷施加交流电

机械压应力或拉应力使石英原子结构中电荷移动，形成电偶极子，导致在石英的顶部和底部之间产生电压。

石英的顶部和底部之间产生电压

一些天然的压电材料包括柏林铁矿，蔗糖，石英，罗谢尔盐，黄玉，电气石和骨头（由于磷灰石晶体，干骨表现出某些压电特性，通常压电效应作为生物力传感器）。

人造压电材料的例子，包括刚刚提到的钛酸钡和锆钛酸铅（PZT）。

几种PZT压电材料的属性，来自Piezo

压电材料属性来自PI

几种压电材料的属性

天然单晶材料，例如石英和托玛琳的压电效应相对较小。多晶铁电陶瓷，例如钛酸钡和锆钛酸铅表现出更大的电压效应。

而且PZT有许多改进形式，例如含Ni，Bi，Sb，Nb离子的PZT陶瓷，在制造时还可以专门优化压电和介电参数，所以广泛用于压电执行器或传感器中。