壓電效應的微觀機制及其應用

石小寧

摘 要：介紹了正壓電效應和逆壓電效應，主要分析了壓電效應產生的微觀機制，討論了壓電效應的主要應用以及發展前景。

關鍵詞：正壓電效應;逆壓電效應;電致伸縮效應

電介質被極化后會表現出特有的物理特性，壓電效應便是其中一種。利用壓電效應制成的各種電子元件和傳感器被廣泛地應用到生產和生活的各個方面，有著廣泛的應用前景。

1 正壓電效應和逆壓電效應

壓電效應分為兩種，分別稱為正壓電效應和逆壓電效應。

1.1 正壓電效應。有些電介質，當對它們某一特定方向施加作用力時，電介質會發生極化現象。對于均勻電介質而言，這時會在電介質相對的兩個面上出現極性相反的極化電荷。撤去作用力后，電介質的形變消失，電介質表面的極化電荷也隨之消失。如果改變作用在電介質上力的方向時，相應的極化電荷的正負號也隨之改變，且電荷量與所受到的力成正比，這種現象稱為正壓電效應。

1.2 逆壓電效應。有些電介質，當對它們某一特定方向加上電場的時候，電介質會因在電場中的極化而發生形變。當電場的極性相反時，形變也會跟著發生相反的改變。這種現象稱為逆壓電效應。

2 壓電效應的微觀解釋

2.1 壓電材料 壓電效應是電介質由于極化而使分子形狀和分布改變所產生的效應。不是所有的材料都會產生壓電效應，壓電材料主要包括以下三類：第一類是用人工方法生長出的壓電單晶體，如水晶;第二類是壓電陶瓷，它是人工制造的多晶體壓電材料，如鈦酸鋇BT;第三類是壓電高聚物復合材料，它是無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成 的壓電復合材料，如壓電橡膠。從微觀結構上來說，32種點群晶體中，只有其中無對稱中心的20種晶體才具有壓電效應。

下面以石英晶體為例，說明壓電效應的微觀機制。石英晶體的化學成分是二氧化硅，是一種原子晶體。理想的天然石英晶體是無色透明的六棱柱形狀。在晶體學中，石英晶體中有三條正交的軸線：縱向軸Z軸稱為光軸;通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸的X軸稱為電軸;與光軸和電軸垂直的Y軸稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶體柱面。石英晶體的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列。沿著光軸看去，也就是在Z平面上可以等效地認為是正六邊形的排列結構。根據帶電離子電荷分布的情況，可以將其等效為圖1的正六邊形結構。圖中圈中帶“+”號代表硅離子，圈中“-”代表氧離子。相對的硅離子和兩個氧離子構成一個電偶極子，對應的電偶極矩分別為p1、p2和p3（圖1）。

2.2 正壓電效應的微觀解釋 當石英晶體沒有外力作用時，晶體中的晶格保持正六邊形不變，因此三個電偶極矩大小均相等，矢量和為零。當晶體受到外力作用時，如沿X方向的壓力的作用，晶體會發生形變（圖2）。這種情況下，X方向上的電偶極子的距離將會縮小，根據電偶極矩的定義可知，p1將會減小，而p2和p3將會增大，所以在X方向上的電偶極矩的矢量和會大于零，所以在X軸的正方向會出現正電荷，對應面會出現負電荷。而在Y方向和Z方向，電偶極矩的矢量之和依然為零，故不會出現電荷。反之，如果沿X方向受拉力的作用，則會在X軸正方向出現負電荷，對應面會出現正電荷。這個方向的壓電效應稱為縱向壓電效應。

對于Y軸可以作出同樣的討論，當Y方向受到拉力作用時，它的效果和圖2的情況是一樣的，此時X的正方向上會出現正電荷，而對應面上出現負電荷，反之亦然。這個方向的壓電效應稱為橫向壓電效應。

當作用力沿著Z軸，也就時光軸方向時，不管是拉力還是壓力，都不能改變p1、p2和p3的大小和方向，所以，沿著光軸方向的作用力不會出現壓電效應。

由此可知，不管作用力是沿著X方向還是沿著Y方向，都會出現壓電效應，但電荷只出現在X方向，即電軸方向。

2.3 逆壓電效應的微觀解釋 當石英晶體沿著X方向加上電場的時候，如圖3。電偶極子在電場中會受到電場力的作用，X方向上的電偶極子間的距離會縮小，所以體積會相應的發生縮小。

電場的方向相反時，體積會增大。 同樣，當在Y方向上加上電場后，由于電場力的作用，會改變電偶極子在Y方向上的距離，因此會改變晶體的體積。但是，在Z方向上加上電場不會改變晶體中的任何電偶極子間帶電粒子的，所以不會出現體積的改變。

2.4 逆壓電效應和電致伸縮效應 電介質在電場中還有一種效應，稱為電致伸縮效應，它和逆壓電效應有相似之處，但二者的物理實質是不同的，這里需要區分一下。電介質在電場中會發生形變，這種效應稱為電致伸縮效應。逆壓電效應和電致伸縮效應的區別在于，首先電致伸縮效應可以發生在一切電介質中，而逆壓電效應只對壓電材料才會發生。其次，逆壓電效應中電場必須沿著特定的方向才會發生，而電致伸縮對電場的方向沒有限制。第三，在相同的電場下，電致伸縮要比逆壓電效應弱得多。

3 壓電效應的應用

壓電效應和逆壓電效應實現了力學量和電學量之間的聯系和轉換，因此，由壓電材料制成的各種元器件得到了廣泛的應用。

3.1.換能器 換能器是實現電能和聲能之間轉換的器件，主要包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器。壓電材料在外力的作用下可以產生電場的正壓電效應，可以制成如麥克風等換能器件。當聲波傳到壓電材料上時，會對壓電材料產生周期性的壓力，這樣就會以壓電材料中產生交變的電場，這個電信號經過放大后就可以再以電信號的形式輸出到電子播放儀器。利用在壓電材料在電場作用下會發生變形的逆壓電效應，可以將音頻以電信號的形式作用于壓電晶體，使之產生周期性的機械振動，由此發出聲音。利用這一原理可以制成耳機和揚聲器等器件。壓電效應中的力學變形使它在水下也不會受影響，所以可以制成水聲換能器，在軍事方面和水下探測有廣泛的應用。當在壓電材料上加上高頻電場時，壓電材料會產生高頻的機械振動，這就會產生超聲波，這就時超聲換能器。主要應用在材料清洗和醫學檢測方面。

3.2.壓電驅動器 壓電驅動器是利用逆壓電效應形成機械驅動和控制能力的一類裝置。電場作用于壓電材料后會發生變形，此變形作用于從動件實現機械驅動或機械控制，而非傳統驅動器那樣需要先形成旋轉再經轉換形成為目標動力或運動，因而一般具有結構簡單、可控性好、適應性強、控制精度高和響應速度快等特點。

3.3.壓電傳感器 傳感器是把非電學量轉換成電學量以便于進行測量的裝置。壓電效應由于力學量和電學量之間的聯系，因而可以制成壓電傳感器將力學量轉換成電學量進行測量。壓電材料受力后，表面會產生電荷，電荷量是與所受的力成正比。因此，可以通過測量壓電材料的電場來確定所受的力的大小。這種壓力傳感器廣泛應用于生物醫學測量中。還可以利用慣性力的原理制成測量加速度的傳感器等。

4 結語

壓電效應由于其特殊的力學和電學效果，在各行各業中有廣闊的應用前景。一方面，新興的壓電材料不斷被制造出來，顯示出更加優越的性能。另一方面，由壓電材料制成的各種元器件種類也越來越多，功能越來越強大，將會在國民生產和日常生活領域發揮更加重大的影響。

參考文獻：

[1]閆迎禮.壓電效應及其應用[J].安陽師范學院學報，2001.

[2]王矜奉，高汝偉.逆壓電效應與電致伸縮效應[J].物理，17（7），1994.