壓電器件,壓電器件是什么意思

壓電器件是利用材料的壓電效應(yīng)制成的器件。

(石英晶體)

大多數(shù)壓電器件的結(jié)構(gòu)由電極、壓電片、支架和外殼組成。其中壓電片可以是圓片、長條片、棒、圓柱等形狀。壓電器件的應(yīng)用范圍很廣。當(dāng)電信號頻率接近壓電片的固有頻率時(shí)，壓電器件靠逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械諧振，諧振頻率主要決定于壓電片的尺寸和形狀。如果頻率溫度特性也滿足要求，即可用來進(jìn)行穩(wěn)頻、選頻和計(jì)時(shí)。利用這種諧振來產(chǎn)生聲波，就構(gòu)成超聲換能器。利用諧振頻率隨溫度或壓力而變化的特點(diǎn)，還可制成精度很高的測溫計(jì)和測力計(jì)。在非諧振狀態(tài)下，利用它的逆壓電效應(yīng)可制成微位移器，利用它的正壓電效應(yīng)又可制成壓電引燃和引爆器件。
　　壓電器件的品種繁多,按其用途可分成表1所列的 7類。按其使用的材料則可分成壓電晶體器件、壓電陶瓷器件。壓電晶體器件包括石英諧振器、晶體振蕩器和晶體濾波器。

　　壓電陶瓷器件?　主要有陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、壓電陀螺等。
　　陶瓷濾波器?　以一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷振子（被覆電極的陶瓷片）通過金屬支架固定或用引線焊接，再封入外殼即構(gòu)成陶瓷濾波器。例如將兩個(gè)陶瓷振子按圖1a作L型連接,可組成雙振子陶瓷濾波器。調(diào)節(jié)串聯(lián)振子1的諧振頻率fr1,使之等于并聯(lián)振子2的反諧振頻率fa2,于是濾波器的衰耗特性就如圖1b。當(dāng)信號頻率位于fr1(=fa2)附近時(shí),濾波器導(dǎo)通；當(dāng)信號頻率遠(yuǎn)離fr1時(shí),濾波器阻斷。實(shí)際上雙振子組成的濾波器特性較差,如果將這個(gè)結(jié)構(gòu)看作一節(jié),并組成多節(jié)濾波器，則可得到滿意的濾波特性。

　　陶瓷濾波器的分類如表2。陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)大，適于作寬帶濾波器。其相對帶寬約為0.3％～20％，阻帶衰減可達(dá)60分貝以上。

　　陶瓷變壓器?　根據(jù)陶瓷片的壓電效應(yīng)和諧振特性來實(shí)現(xiàn)電壓變換的器件。陶瓷變壓器有多種結(jié)構(gòu)形式，但常用的為橫向-縱向變壓器(圖2)。陶瓷片左半部分上下面被覆電極，并沿厚度方向極化，作為輸入端，稱驅(qū)動部分；右半部分的端面被覆電極，并沿長度方向極化，作為輸出端，稱發(fā)電部分。與一般線繞變壓器相比，陶瓷變壓器的最大特點(diǎn)是適宜在高電壓、小電流下應(yīng)用，故可作為雷達(dá)指示管和電視機(jī)顯像管的高壓電源，以及電子復(fù)印機(jī)、靜電集塵機(jī)和紅外變像管等的高壓電源。

　　壓電陀螺?　又稱壓電角速度傳感器，是一種新型的導(dǎo)航儀器，多采用振梁結(jié)構(gòu)形式。它有一根橫截面近似方形的金屬梁，在梁上粘貼四個(gè)壓電換能器（圖 3）。金屬梁用恒彈性系數(shù)合金材料制成，換能器用高機(jī)電耦合系數(shù)的陶瓷材料制成。在驅(qū)動換能器上輸入電信號，借助逆壓電效應(yīng)使金屬梁產(chǎn)生以yz平面為中性面的彎曲振動。梁內(nèi)任意點(diǎn)的速度為vx。若梁同時(shí)又以角速度ωz繞z 轉(zhuǎn)動，則梁內(nèi)各點(diǎn)將受到科氏力的作用,由此引起以xz為中性面的彎曲振動。這個(gè)振動通過正壓電效應(yīng)使讀出換能器輸出電信號，信號的幅度與角速度ωz成正比,故可用來確定角速度ωz的大小。在梁的另兩個(gè)面上還粘貼有反饋換能器和阻尼換能器，它們的作用是保持金屬的振幅穩(wěn)定和輸出動態(tài)特性良好。壓電陀螺不存在高速轉(zhuǎn)動部分，因而具有功耗小、壽命長、動態(tài)范圍寬、體積小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　壓電陶瓷器件還有許多種類，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。利用陶瓷的高機(jī)電耦合效應(yīng)、高介電常數(shù)和高Q值等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的壓電陶瓷測量器件，能方便地測量以往用其他方法難以測量的參數(shù)。例如，可以測量鐵道枕木所受的壓力、油斷路器內(nèi)的壓力、沖擊波管內(nèi)的壓力、煤礦坑道支架所受的壓力等，也可以測量象繼電器的觸點(diǎn)和人的脈搏等微小壓力。它既能測量動態(tài)力也能測量靜態(tài)力，而且測量范圍和精度都比較高。在陶瓷片上附加質(zhì)量負(fù)載，就可制成加速度計(jì)。這種加速度計(jì)再附以積分電路就可構(gòu)成振動計(jì)，用它可以測量地殼和建筑物的低頻振動。在陶瓷圓管上粘接喇叭型金屬塊,使其振幅增大,可用來測定金屬的磨損和進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以及測量薄膜的粘接強(qiáng)度等。此外，壓電陶瓷超聲換能器在水聲和醫(yī)療等領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益增多。
　　壓電器件的發(fā)展方向是：①改進(jìn)壓電器件的溫度穩(wěn)定性；②改善蜂鳴器和送受話器的音質(zhì)，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)、自動售貨機(jī)、電子翻譯機(jī)等設(shè)備的人-機(jī)對話的需要;③探索模擬生物功能的高分子壓電器件。
　　參考書目
　山東大學(xué)壓電鐵電物理教研室編：《壓電陶瓷及其應(yīng)用》，山東人民出版社，濟(jì)南，1974。
　林聲和譯：《壓電陶瓷》，科學(xué)出版社，北京，1979。(B.Jaffe, W.R.Cook, Jr.and H.Jaffe,Piezoelectric Ceramics,Academic Press,London,New York,1971.)