压电陶瓷片的工作原理

导语：众所周知，压电陶瓷属于一种具备压电性、介电性、弹性等优良特性的电子陶瓷材料。压电陶瓷在机械效应下，会发生一些压电效应，这种反应十分具有灵敏性，充分利用之便可广泛应用于医学领域和声学领域。其实据小编了解，压电陶瓷除了作用于这些高科技领域之外，与我们日常生活也是密不可分的。那么，压电陶瓷的原理究竟是什么，让我们一起来看看吧。

　　压电性质的宏观解释

我们知道构成陶瓷分子的晶相是晶粒，这种晶粒是具有铁电性的，因为陶瓷内部的晶粒的取向具有随机性，所以内部的各个铁电性晶粒的自发极化矢量也是没有规律可循的，也就是呈混乱取向。因而为了使陶瓷表现出我们想要得到的压电特性，可以对其进行强直流电场下的极化处理。经过处理之后，混乱的取向自然而然会变成最优化的取向。在电场撤离之后，陶瓷不会完全恢复原状态，而是会剩余一部分极化强度，因此具备了压电性。

压电陶瓷的原理

    正压电效应物理机制

上述的极化处理显然是使陶瓷具备压电性至关重要的一步，这一步的物理机制可以用电荷来解释。极化后的陶瓷片会有束缚电荷出现在两端，外界的自由电荷会被吸附到电极表面上，这是一个充电的过程。这时，当有外力压向陶瓷片时，两端就会向外界放电反之，当有外力反向作用时，两端将会进行充电。这个过程实现了机械效应向电效应的转换，因而该现象又叫做正压电效应。

逆压电效应物理机制

除上面提到的极化方法之外，压电陶瓷也具备了自发极化的功能。这种极化会在外电场下发生变化，进而使得压电陶瓷变形。与自发极化方向相同的外电场叫正向电场，它会增强压电陶瓷的极化强度，使片体沿着极化方向伸长，反之如果加上了反向电场，相对应极化强度会减弱陶瓷将会沿着极化方向进行缩短。这个过程刚刚好是上述过程的逆过程，它实现了电效应向机械效应的转换，故此现象是逆压电效应。

压电陶瓷的出现，使得一些传统材料望其项背，达不到其优秀的物理特性和广泛的应用前景。压电陶瓷虽是一种新型材料，却因其简单的原理使其合成方便，具有亲民性。相信未来的压电陶瓷能克服种种障碍，为人类的生活提供更好的服务。

正压电效应

当压电材料受到某个固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，材料又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；材料受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应

当对压电材料施加电场时，材料的某些方向会出现机械形变的现象，并且其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。用逆压电效应制造的设备可用于超声工程和微运动领域。

压电材料外部施加力F的产出计算

外部施加力下压电材料产生的电荷Q或者电压V就是正压电效应的应用。通用常数比例变化（如压电常数d33和Cd大小的变化）施加全部外部作用下，压电陶瓷会对应产生电荷量Q。

Q=Cd×V=F×d33

此时输出电压V可由压电材料元件的压电常数g33、厚度t、截面积A的关系表达出来

利用压电陶瓷片的压电效应，可用万用表判断其好坏。

将压电陶瓷片的两极引出两根导线，然后把陶瓷片平放到桌子上，将两根引线分别接至万用表两表笔上，把万用表拨至最小电流挡，然后用铅笔橡皮头轻按陶瓷片，若万用表指针明显摆动，说明陶瓷片完好，否则，说明已损坏。"志高仪器专业提供:分析仪器,科学仪器,光学仪器,实验仪器,无损检测,电子侧量,工业控制,自动化,电力设备,压力,物位,流量,温度,校准,校验,传感器,变送器,分析仪,测试仪,检测仪,色谱,光谱,电工,示波器,测温仪,流量计,酸度计,探伤仪,振动仪,硬度计,试验机,水分测定,监测仪,电泳仪,测定仪,万用表,水质分析,示波器 ,热分析,分光光度计,电化学,低温,表面,比表面,便携式,衍射仪,PH计,COD测定,天平,元素分析仪,试验箱,超声波,工控机,老化箱,测厚仪等产品" 联系地址：广东省深圳市南山区东滨路世纪广场西座729室

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

压电陶瓷片之所以能够发出蜂鸣的声音，是利用了压电效应的原理。

压电效应有正压电效应和逆压电效应二种。

压电效应：当给压电陶瓷片施加一个外力时，压电片会产生电荷，这种现象称为正压电效应： 压力——电压。

反之，当给压电片施加电场时，压电陶瓷片会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应，施加的电场强度越强，振动的幅度越大。

这种现象称为逆压电效应：电压——压力，各种压电陶瓷的器件均是利用这一特性而工作的。

所以蜂鸣片（器）是一个电压元件，也就是说在器件上施加的电压越大，器件的响度也会越高。