壓電器件

壓電器件是利用材料的壓電效應製成的器件。

壓電器件

正文

利用材料的壓電效應(見石英晶體)製成的器件。大多數壓電器件的結構由電極、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。壓電器件的套用範圍很廣。當電信號頻率接近壓電片的固有頻率時，壓電器件靠逆壓電效應產生機械諧振，諧振頻率主要決定於壓電片的尺寸和形狀。如果頻率溫度特性也滿足要求，即可用來進行穩頻、選頻和計時。利用這種諧振來產生聲波，就構成超聲換能器。利用諧振頻率隨溫度或壓力而變化的特點，還可製成精度很高的測溫計和測力計。在非諧振狀態下，利用它的逆壓電效應可製成微位移器，利用它的正壓電效應又可製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、晶體振盪器和晶體濾波器。

壓電器件

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　以一個或多個壓電陶瓷振子（被覆電極的陶瓷片）通過金屬支架固定或用引線焊接，再封入外殼即構成陶瓷濾波器。例如將兩個陶瓷振子按圖1a作L型連線,可組成雙振子陶瓷濾波器。調節串聯振子1的諧振頻率fr1,使之等於並聯振子2的反諧振頻率fa2,於是濾波器的衰耗特性就如圖1b。當信號頻率位於fr1(=fa2)附近時,濾波器導通；當信號頻率遠離fr1時,濾波器阻斷。實際上雙振子組成的濾波器特性較差,如果將這個結構看作一節,並組成多節濾波器，則可得到滿意的濾波特性。

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陶瓷濾波器的分類如表2。陶瓷材料的機電耦合係數大，適於作寬頻濾波器。其相對頻寬約為0.3％～20％，阻帶衰減可達60分貝以上。

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陶瓷變壓器　根據陶瓷片的壓電效應和諧振特性來實現電壓變換的器件。陶瓷變壓器有多種結構形式，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，並沿厚度方向極化，作為輸入端，稱驅動部分；右半部分的端面被覆電極，並沿長度方向極化，作為輸出端，稱發電部分。與一般線繞變壓器相比，陶瓷變壓器的最大特點是適宜在高電壓、小電流下套用，故可作為雷達指示管和電視機顯像管的高壓電源，以及電子複印機、靜電集塵機和紅外變像管等的高壓電源。

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壓電陀螺　又稱壓電角速度感測器，是一種新型的導航儀器，多採用振梁結構形式。它有一根橫截面近似方形的金屬梁，在樑上貼上四個壓電換能器（圖 3）。金屬梁用恆彈性係數合金材料製成，換能器用高機電耦合係數的陶瓷材料製成。在驅動換能器上輸入電信號，藉助逆壓電效應使金屬梁產生以yz平面為中性面的彎曲振動。梁內任意點的速度為vx。若梁同時又以角速度ωz繞z 轉動，則梁內各點將受到科氏力的作用,由此引起以xz為中性面的彎曲振動。這個振動通過正壓電效應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。在梁的另兩個面上還貼上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定和輸出動態特性良好。壓電陀螺不存在高速轉動部分，因而具有功耗小、壽命長、動態範圍寬、體積小和可靠性高等優點。

壓電器件

壓電陶瓷器件還有許多種類，套用於各個領域。利用陶瓷的高機電耦合效應、高介電常數和高Q值等特點而設計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。例如，可以測量鐵道枕木所受的壓力、油斷路器內的壓力、衝擊波管內的壓力、煤礦坑道支架所受的壓力等，也可以測量象繼電器的觸點和人的脈搏等微小壓力。它既能測量動態力也能測量靜態力，而且測量範圍和精度都比較高。在陶瓷片上附加質量負載，就可製成加速度計。這種加速度計再附以積分電路就可構成振動計，用它可以測量地殼和建築物的低頻振動。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行疲勞試驗以及測量薄膜的粘接強度等。此外，壓電陶瓷超聲換能器在水聲和醫療等領域中的套用也日益增多。
壓電器件的發展方向是：①改進壓電器件的溫度穩定性；②改善蜂鳴器和送受話器的音質，以適應計算機、自動售貨機、電子翻譯機等設備的人-機對話的需要;③探索模擬生物功能的高分子壓電器件。
參考書目
　山東大學壓電鐵電物理教研室編：《壓電陶瓷及其套用》，山東人民出版社，濟南，1974。
　林聲和譯：《壓電陶瓷》，科學出版社，北京，1979。(B.Jaffe, W.R.Cook, Jr.and H.Jaffe,Piezoelectric Ceramics,Academic Press,London,New York,1971.)

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