壓電效應
關注創建者：zhigu1951 創建時間：2019-02-28
壓電效應的視頻教程
ANSYS & Abaqus~壓電陶瓷材料和仿真計算
課程內容涉及到壓電材料相關內容以及壓電仿真相關的軟件操作： 具體包括：壓電材料簡介、性能參數和壓電方程等。 壓電仿真軟件操作實例（Piezoelectric Fan）： ANSYS_Workbench—ACT壓電插件實例操作； Abaqus 實例操作(Step by Step)； 模態分析 & 諧響應分析 ； 壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應。
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壓電效應的實例教程
對于某些高介電常數的鐵電材料，電致伸縮效應劇烈，稱為——壓電效應。壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應。
片狀獨石電容器由于強介電常數的陶瓷的壓電特性，在施加交流電壓的情況下，像如圖2所示進行收縮。
結果如圖3所示，電路板將朝平面方向振動。(芯片及電路板的振幅僅為1pm～1nm左右)
該電路板的振幅周期在達到人們能夠聽到的頻率帶 (20Hz～20kHz) 時，聲音可通過人耳識別。
正壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加機械壓力，介質晶體會發生結構重組排布，材料表面會感應出電荷，產生電位差。
正壓電效應—外力作用產生電荷
逆壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加電壓，則產生機械應力，發生形變。
逆壓電效應—電壓作用產生形變
壓電效應的學術定義：“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現正、負電荷，這一現象稱為正壓電效應。
反之在晶體上施加電場而引起極化，則產生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統稱為壓電效應。”
陶瓷介質是MLCC主要組成部分，電壓作用下，電致伸縮不可避免。如電致伸縮強烈表現為壓電效應，則會產生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎？
MLCC設計制造陶瓷介質材料主要有順電介質和鐵電介質兩大類。
順電介質又稱I類介質，主要有SrZrO3、MgTiO3等。順電介質電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產生噪聲。
展開 對于某些高介電常數的鐵電材料，電致伸縮效應劇烈，稱為——壓電效應。
壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應
小結：嘯叫原理
片狀獨石電容器由于強介電常數的陶瓷的壓電特性，在施加交流電壓的情況下，像如圖2所示進行收縮。
結果如圖3所示，電路板將朝平面方向振動。(芯片及電路板的振幅僅為1pm～1nm左右)
該電路板的振幅周期在達到人們能夠聽到的頻率帶 (20Hz～20kHz) 時，聲音可通過人耳識別。
正壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加機械壓力，介質晶體會發生結構重組排布，材料表面會感應出電荷，產生電位差。
逆壓電效應
對具有壓電特性的介質材料施加電壓，則產生機械應力，發生形變。
壓電效應的學術定義：
“在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力和切向力時，則發生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現正、負電荷，這一現象稱為正壓電效應。反之在晶體上施加電場而引起極化，則產生與電場強度成比例的變形或機械應力，這一現象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統稱為壓電效應。”
陶瓷介質是MLCC主要組成部分，電壓作用下，電致伸縮不可避免。如電致伸縮強烈表現為壓電效應，則會產生振動。
所有MLCC都會嘯叫嗎？
MLCC設計制造陶瓷介質材料主要有順電介質和鐵電介質兩大類。
順電介質又稱I類介質，主要有SrZrO3、MgTiO3等。
順電介質電致伸縮形變很小，在工作電壓下，不足以產生噪聲。
所以，順電介質(I類介質)材料做的MLCC，如NPO（COG）等溫度穩定性產品，就不會產生噪聲嘯叫。
鐵電介質又稱II類介質，主要BaTiO3、BaSrTiO3等。
鐵電介質具有強烈的電致伸縮特性—壓電效應。
展開 正/逆壓電效應與材料本身的各向異性程度緊密相關，反過來又與壓電材料的晶體結構存在關聯，而各向異性的程度同時又受到極化過程的影響。下面，我們將介紹如何在 COMSOL 軟件中正確地模擬壓電材料的晶體取向和極化方向。
壓電效應簡介
讓我們快速回顧一下壓電效應的概念：正壓電效應指材料受到機械力的作用時，其電極化會發生改變；而逆壓電效應指對材料施加外部電場后，材料會發生變形。
壓電效應源自晶體結構
在 32 種晶體中有 20 種為非中心對稱的晶體結構，而壓電效應往往與此有所關聯。石英等天然材料具有壓電效應，原因就在于其自身的晶體結構。而鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，簡稱 PZT）等人工材料需經過極化過程才能表現出壓電特性。讓我們來一起探究微觀層面上究竟發生了什么，從而引起了壓電效應。
鈣鈦礦晶胞中偏離中心的鈦離子。
對于鈣鈦礦（perovskite，分子式為 CaTiO3）一類的典型的非中心對稱晶體結構來說，其晶體中每個晶胞的凈電荷均為零。然而，由于晶胞中的鈦離子略微偏離中心，因此產生了電極性，從而使晶胞轉化為有效的電偶極子。當機械應力作用在晶體上時，鈦離子的位置進一步發生變化，進而改變晶體的極化強度，產生正壓電效應；相反，當對晶體施加電場時，鈦離子的位置會發生相對移動，從而導致了晶胞變形，使其變得更接近（或偏離）正方體，這便是逆壓電效應的成因。
為何要對壓電材料進行極化？
在晶胞構成的宏觀晶體結構中，固有偶極子的取向原本是毫無規則的。當機械應力作用在材料上時，為使儲存在偶極子中的總機電能量降至最小，每個偶極子都會改變其初始取向，朝著使能量最小化的方向旋轉。如果所有偶極子的初始取向都雜亂無章（也就是凈極化為零）的話，旋轉行為可能不會顯著改變材料的宏觀凈極化，因此表現出的壓電效應可以忽略。
展開 聽上去有點不可思議，但這正是所謂的“壓電效應”向我們所展示的。
（圖片來源：維基百科）
壓電效應（piezoelectric effect），簡單說，就是指對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。
一般來說，壓電材料包括：骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等等。此類材料的應用范圍非常廣，例如：移動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。壓電效應的主要用途之一就是發電，例如我們走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪音產生的能量都可以被采集起來轉化為電能。
有關壓電效應的創新案例之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個經典案例：
1) 美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型換能器，可以采集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。
（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）
2）美國范德堡大學開發的新型超薄能量采集系統，即使受到極低頻率的人體運動所產生的彎曲或按壓，也可以產生少量電力。
（圖片來源于：John Russell / 范德堡大學）
3）愛爾蘭利默里克大學（UL）伯納爾學院的科學家觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在于禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。
（圖片來源：利默里克大學）
創新
近日，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位于布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學院及研究機構 Swerea IVF 合作，開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。
展開 例如，壓電陶瓷揚聲器等音頻元件要求陶瓷的介電常數要大，而高頻壓電陶瓷元器件則要求材料的介電常數要小。
壓電陶瓷極化處理之前是各向同性的多晶體，這是沿1(x)、2(y)、3(z)方向的介電常數是相同的，即只有一個介電常數。經過極化處理以后，由于沿極化方向產生了剩余極化而成為各向異性的多晶體。此時，沿極化方向的介電性質就與其他兩個方向的介電性質不同。設陶瓷的極化方向沿3方向則有關系
ε11=ε22≠ε33 即經過極化后的壓電陶瓷具有兩個介電常數ε11和ε33
由于壓電陶瓷存在壓電效應，因此樣品處于不同的機械條件下，其所測得的介電常數也不相同。在機械自由條件下，測得的介電常數稱為自由介電常數，在εT
表示，上角標T表示機械自由條件。在機械夾持條件下，測得的介電常數稱為夾持介電常數，以εS表示，上角標S表示機械夾持條件。由于在機械自由條件下存在由形變而產生的附加電場，而在機械受夾條件下則沒有這種效應，因而在兩種條件下測得的介電常數數值是不同的。根據上面所述，沿3方向極化的壓電陶瓷具有四個介電常數，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。
2. 壓電矩陣（Piezoelectric matrix）
對于一般的固體，應力T只引起成比例的應變S，用彈性模量聯系起來，即T=YS；壓電陶瓷具有壓電性，即施加應力時能產生額外的電荷。其所產生的電荷與施加的應力成比例，對于壓力和張力來說，其符號是相反的，用介質電位移D（單位面積的電荷）和應力T（單位面積所受的力）表示如下D=Q/A=dT。式中，d的單位為庫侖/牛頓（C/N），這正是正壓電效應。還有一個逆壓電效應，既施加電場E時成比例地產生應變S，其所產生的應變為膨脹或為收縮取決于樣品的極化方向。S=dE 式中，d的單位為米/伏（m/v）。上面兩式中的比例常數d稱為壓電應變常數。對于正和逆壓電效應來講，d在數值上是相同的。
展開 
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Ansys | 雙折射是什么？1個月前
彈光效應在某些方面類似于壓電效應。壓電效應是材料在承受機械應力時產生電荷的物理現象，而彈光效應則是施加的載荷改變了材料的電荷分布。但不同之處在于，前者改變的是電氣屬性，后者則是材料在原子重新分布后發生光學屬性變化。
由于這種雙折射在施加的機械載荷下發生，因此可以通過該現象實現材料應力分布的可視化。
適用于物理場之間相互作用強、必須實時反饋的場景（如壓電效應）。精度極高，但極度消耗計算資源。
流固耦合 FSI (Fluid-Structure Interaction) 工程中最常見的一類耦合。流體的流動產生壓力使固體發生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風機葉片形變、橋梁風振）。
壓電式MEMS：當器件出現機械變形時，這些MEMS會利用壓電效應（重新分配材料晶格中的電荷）來產生電流。
激光式MEMS：激光式MEMS通過將其輸出波長調整至所需的電磁頻譜大小/區域來調諧激光器。其可用于為不同應用調諧不同類型的激光，從聲光濾波器到光學通信和汽車照明，不一而足。
許多MEMS傳感器屬于慣性測量單元（IMU）類別，其會將機械響應轉換為電信號輸出。
壓電材料（PZT）具有正逆壓電效應，即當壓電材料受到機械變形時有產生電勢的能力；對它施加電壓時有改變壓電結構形狀的能力。此外，PZT因其測量精度高、響應速度快和性能穩定等優點在航空航天、精密測量、信息通訊和土木工程等領域發揮著重要作用。
壓電加速度計的核心是壓電材料的切片，通常是一種人工極化的鐵電陶瓷，具有獨特的壓電效應。當它在張力、壓縮或剪切方面受到機械應力時，它會在其極面上產生與施加的力成正比的電荷。
加速度計設計
在實際的加速度計設計中，壓電元件的布置能夠使得當組件被振動時，質量單元向壓電元件施加與所受振動加速度成正比的力。這可以從公式中看出：力=質量x加速度。
音頻電能通過電磁，壓電或靜電效應，使其紙盆或膜片振動并與周圍的空氣產生共振（共鳴）而發出聲音。
藍牙音箱是一種采用無線藍牙技術進行音頻傳輸的音箱，其工作原理與藍牙耳機類似。當用戶使用藍牙設備（如手機、電腦等）發送音頻信號時，藍牙音箱會通過藍牙模塊接收信號，并將信號轉化為聲音輸出。藍牙音箱通常具有自帶電池、無線連接等特點，可以方便用戶隨時隨地使用。
當前主要通過局部壓電效應以及摩擦電場對具有中心對稱結構的材料應力發光機理進行解釋，但隨著具有特殊應力發光特性材料的涌現，現有的機理無法對其應力發光過程進行解釋，因此新的應力發光機理也逐漸被提出。
4、 壓電智能復合材料
該復合材料具有壓電效應。當在材料上施加外力時，材料產生電壓的現象稱為正壓電效應；而對材料表面施加電場產生應變或應力稱為反壓電效應。即其具有將電能和機械能變換的特性，故可應用于智能結構中，特別是自適應、減振與噪聲控制等方面。
