壓電材料及其特性

某些單晶材料表現(xiàn)出以下現(xiàn)象：當晶體受到機械應(yīng)變，或者當晶體受到外部應(yīng)力的作用而變形時，會在晶體的某些表面上產(chǎn)生電荷；當應(yīng)變的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時，電荷的極性也會反轉(zhuǎn)。這被稱為直接壓電效應(yīng)，表現(xiàn)出這種效應(yīng)的晶體被歸類為壓電晶體。 (見圖1)。

圖1. 直接壓電效應(yīng)。

相反地，當一個壓電晶體置于電場中，或者當電荷通過外部手段施加在其表面時，晶體會發(fā)生應(yīng)變，即晶體的尺寸會發(fā)生變化。當施加的電場方向反轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的應(yīng)變方向也會反轉(zhuǎn)。這被稱為逆壓電效應(yīng)。 (見圖2)。

圖2. 逆壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷

今天的許多壓電應(yīng)用都使用多晶陶瓷而不是天然壓電晶體。壓電陶瓷更加靈活多樣，因為它們的物理、化學和壓電特性可以根據(jù)具體的應(yīng)用進行定制。壓電陶瓷材料可以制造成幾乎任何形狀或大小，并且材料的機械和電學軸可以與材料的形狀相一致。這些軸在極化過程中被設(shè)定（這個過程使材料具有壓電性質(zhì)）。直流極化場的方向決定了材料的機械和電學軸的方向。

壓電常數(shù)

已經(jīng)在大約1000種晶體材料中定性地展示了壓電效應(yīng)。這些包括自然發(fā)生壓電效應(yīng)的材料，以及通過高壓或極化過程可以誘導壓電性的其他單晶和多晶材料。波士頓壓電光學公司提供的典型壓電材料列在表1中。在直接和逆壓電效應(yīng)中，應(yīng)變和應(yīng)力與電參數(shù)之間通過壓電常數(shù) dij、gij、hij 和 eij 相關(guān)聯(lián)。對于材料中的不同方向，這些壓電常數(shù)有不同的值。此外，應(yīng)力和應(yīng)變之間還通過材料在不同方向上的彈性常數(shù)相關(guān)聯(lián)。

晶體取向

張力或壓縮發(fā)展的方向，與應(yīng)變平行的極化方向被稱為壓電軸。

在石英中，這個軸被稱為“X軸”，而在極化的陶瓷材料如PZT中，壓電軸被稱為“Z軸”。通過應(yīng)用電場的方向和晶體取向的不同組合，可以在晶體中產(chǎn)生各種應(yīng)力和應(yīng)變。例如，垂直于壓電軸方向施加的電場將導致沿軸方向的伸長，如圖2所示。然而，如果電場平行于壓電軸施加，將引起剪切運動。這種運動如圖3所示。

圖3. 剪切運動

共振頻率

如果，與圖2和圖3所示的直流場相比，施加的是交變場，晶體將以交變場的頻率振動。如果交變場的頻率與晶體厚度代表半個波長的頻率相對應(yīng)，晶體振動的幅度將更大。這被稱為晶體的基本共振頻率。當晶體的厚度等于半波長的奇數(shù)倍時，晶體也將具有大幅度的頻率。這些被稱為諧波或倍頻共振頻率（如第3次倍頻、第5次倍頻等）。然而，振動幅度最大的發(fā)生在基本頻率，隨著諧波數(shù)的增加，振動幅度減小。晶體的兩個表面會發(fā)生能量損耗。因此，波士頓壓電光學公司為在較高諧波頻率下使用提供了倍頻拋光晶體。這種特殊開發(fā)的工藝限制了能量損耗，從而促進了更高諧波（第9次倍頻、第11次倍頻等）的使用，并增加了所有共振頻率的幅度。