压电换能器的压电陶瓷怎么选择,要考虑哪些参数,怎么确定陶瓷片数量

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

2、压电陶瓷片加锡，先对压电陶瓷片铜/钢基片加锡，由于铜/钢基片散热快，锡不能加多，只是焊接时间延长，一般要在2.5秒以上的时间才能让锡点可靠的附着在铜/钢基片上。再对镀银涂层加锡，要求锡焊点小，加锡时间小于1.5秒即可。

性状： 白色重质无定形粉末。无臭。无味。溶于2份硫酸和1份

二氧化锆结构

水的混合液中，微溶于盐酸和硝酸，慢溶于氢氟酸，几乎不溶于水。有刺激性。相对密度5.85。熔点 2680 ℃。沸点4300 ℃。硬度次于金刚石。

分子结构：低温时为单斜晶系，在1100℃以上形成四方晶型，在1900℃以上形成立方晶型。

化学性质

1、由灼烧二氧化锆水合物或挥发性含氧酸锆盐所得的二氧化锆为白色粉末，不溶于水[2]

ZrO2·xH2O

ZrO2+xH2O；

2、经由轻度灼烧所得的二氧化锆，比较容易被无机酸溶解

ZrO2+4H+=Zr4++2H2O

强热灼烧所得的二氧化锆只溶于浓硫酸和氢氟酸，经过熔融重结晶的二氧化锆只与氢氟酸作用；

3、二氧化锆是一种两性氧化物，与碱共熔可形成锆酸盐，但锆酸盐遇水容易水解为ZrO2·xH2O而沉淀。

ZrO2+2NaOH=Na2ZrO3+H2O

Na.ZrO3+H2O=ZrO2+NaOH；

4、二氧化锆与碳和氯气高温反应，或者与四氯化碳反应，生成四氯化锆及二氯氧化锆，水解又得到二氧化锆[3]

3ZrO2+2C+4Cl2=ZrCl4+2CO2+2ZrOCl2；

5、它在电弧中与碳作用生成碳化锆

ZrO2+2C=CO2+ZrC；

6、成斜锆石型的ZrO2 是黄色或棕色单色斜晶体不溶于水、盐酸和稀硫酸，溶于热浓氢氟酸、硝酸和硫酸。与碱共熔生成锆酸盐。化学性质非常稳定。用于制高级陶瓷、搪瓷、耐火材料。可由锆英石与纯碱共熔，用水浸出锆酸钠，与盐酸作用成二氯氧化锆，再煅烧而制得。

应用领域

金属锆及其化合物的原料

用于制金属锆和锆化合物、制耐火砖和坩锅、高频陶瓷、研磨材料、陶瓷颜料和锆酸盐等主要用于压电陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及贵重金属熔炼用的锆砖、锆管、坩埚等。也用于生产钢及有色金属、光学玻璃和二氧化锆纤维。还用于陶瓷颜料、静电涂料及烤漆。用于环氧树脂中可增加耐热盐水的腐蚀。

耐火材料

氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。由于ZrO2物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得ZrO2纤维具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等其他耐火纤维品种更高的使用温度。氧化锆纤维在1500 ℃以上超高温氧化气氛下长期使用，最高使用温度高达2200 ℃，甚至到2500 ℃仍可保持完整的纤维形状，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染，是目前国际上最顶尖的一种耐火纤维材料。 ZrO2的耐酸碱腐蚀能力大大强于SiO2和Al2O3。不溶于水，溶于硫酸及氢氟酸；微溶于盐酸和硝酸。能与碱共熔生成锆酸盐。

燃气轮机

等离子喷涂二氧化锆热障涂层在航空及工业用燃气轮机上的应用已有很大进展，在一定限度内已经用于燃气轮机的涡轮部分。由于这种涂层可以降低气冷高温部件的温度50~200 ℃，因此可以显著地改善高温部件的耐久性,或者容许提高燃气温度或减少冷却气体的需用量而保持高温部件所承受的温度不变，从而提高发动机的效率。

陶瓷材料

因为氧化锆的折射率大、熔点高、耐蚀性强，故用于窑业原料。压电陶瓷制品有滤波器、扬声器超声波水声探测器等。还有日用陶瓷（工业陶瓷釉药）、贵重金属熔炼用的锆砖及锆管等。纳米级氧化锆还可以用作抛光剂、磨粒、压电陶瓷、精密陶瓷、陶瓷釉料和高温颜料的基质材料。

其他

此外氧化锆可用于白热煤气灯罩、搪瓷、白色玻璃、耐火坩埚等的制造。X射线照相。研磨材料。与钇一起用以制造红外线光谱仪中的光源灯，厚膜电路电容材料，压电晶体换能器配方。

（晶体结构）一端接上一段细导线，此导线与在打火机

出气口处的金属材料形成一个缺口，通过机械机构使撞

击块的撞击时与气源开启同步。当撞击块以一定的冲击

能量或力撞击压电材料块的另一端时，压电材料的内部

分子就会强烈振动，并将振动能量传递到导线中。由于

导线的截面积与压电材料块的截面积之比悬殊很大，在

导线中分子的振动就有了很大的加强趋势。当导线的端

点分子强烈的振动撞击缺口处的空气分子时，空气分子

也就产生强烈振动。空气分子振动的运动轨迹就是我们

看见的电火星（电弧光）。这些电火星（电弧光）实际

上就是导线分子强烈振动并向打火机出气口处的金属材

料传递能量时空气分子振动的运动轨迹，说明缺口处的

空气分子振动很厉害。按照振动理论的说法振动强烈就

是物质温度很高，当这个温度超过打火机内的液化气的

燃点时，跑出来的气体就会被点燃，形成火焰，火焰就

是剧烈振动着的气体物质分子影象。这就是打火机的基

本工作原理，其他电子打火装置的道理与此相同。

第二

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶

体材料。

目录

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

展开

编辑本段基本介绍

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把

重物放在石英晶体上，晶体

压电材料

某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象

被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效

应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的

机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作

用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷

中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电

荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电

材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，

压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导

致材料变形。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交

流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件

中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以

及电声传感器等。现在，这类材料被广泛运用，举一个

很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。

编辑本段材料原理

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那

么，什么是压电效应呢？ 当你在点燃煤气灶或热水

器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产

厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用

户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压

电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的

出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的

这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会

产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产

生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频

震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电

陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我

们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机

械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这

压电石英晶体材料

种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用

产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材

料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用

来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有

自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行

器设计中占有重要的地位。

编辑本段材料分类

无机压电材料

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶

体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要

成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的

固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成

的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是

铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电

畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互

相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流

电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤

消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。

如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸

铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的

研制成功，促进了声换能器，压电传

压电材料

感器的各种压电器件性能的改善和提高。

压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程

有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此

具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、

锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加

工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳

定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应

用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压

电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但

稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制

的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高

频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/

3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N,

ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研

究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。

有机压电材料

又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及

其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及

其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等

优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测

量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是

压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受

到很大的限制。

换能器

第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底

材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成

的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛

的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压

响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深

度。

编辑本段材料应用

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和

超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声

换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应

用。 换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生

机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横

向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片

或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原

理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声

器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用

压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现

的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽

带超声信号发射系统等。

压电聚合物水声换能器研究初期

超声波传感器

均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列

和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探

测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各

种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物

材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分

发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不

同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最

后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在

被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存

在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水

听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听

器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声

成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔

韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机

械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，

包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双

晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移

产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需

要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物

使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新

型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景

的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声

发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地

进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特

性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还

需要进行大量的探索。 传感器上的应用

1.压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所

制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由

于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注

意，避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信

号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚

固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受

到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

2.压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个

表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个

质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合

金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载

荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离

试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号

输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来

制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传

感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当

大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性

很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与

加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一

正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶

片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电

荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率

时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的

加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到

前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加

速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测

试试件的振动速度或位移。 在机器人接近觉中的应用

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，

在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动

做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中

有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避

免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信

息。

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。

人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－

20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声

波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用

来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探

测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的

物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和

控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：

首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声

波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发

射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开

始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超

声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定

时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声

波信号的传播时间。

利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之

间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的

一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个

工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如

鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

编辑本段发展现状

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应

用。 细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成

的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微

米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可

提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机

械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电

压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒

径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应

的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工

艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶

瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通

陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切

割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及

薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶

瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材

料研究和应用开发仍是近期的热点。 PbTiO3系压电材

料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元

件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺

寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，

改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细

小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良

PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得

到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多

压电陶瓷工作者关心的课题。 压电陶瓷-高聚物复合材

料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，

兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有

的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，

制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很

高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声

波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。

国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研

究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基

础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，

从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，

传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年

来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，

做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/

3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高

可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高

达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几

乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/

kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学

者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。

现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的

生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料

应用的飞速发展。