壓電效應的案例
干貨 | MLCC為什么會嘯叫？
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(fā)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(fā)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(fā)生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負電荷，這一現(xiàn)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(xiàn)象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統(tǒng)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(xiàn)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 MLCC為什么會嘯叫？怎么解決嘯叫？
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(fā)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(fā)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(fā)生與應力成比例的介質極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)正、負電荷，這一現(xiàn)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(xiàn)象稱為逆壓電效應。這兩種正、逆壓電效應統(tǒng)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(xiàn)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(wěn)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 在 COMSOL 中正確模擬壓電材料
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(lián)，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(fā)生改變；而逆壓電效應指對材料施加外部電場后，材料會發(fā)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(lián)。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(xiàn)出壓電特性。讓我們來一起探究微觀層面上究竟發(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(xiàn)出的壓電效應可以忽略。
展開 ANSYS APDL中的壓電分析
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(lián)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?yōu)榕蛎浕驗槭湛s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 
在 COMSOL 中模擬 4 種常見的揚聲器驅動器
感應電流效應被考慮包括在內，并且是在沒有施加外部電流存在時，對洛倫茲力的唯一貢獻量。
由周圍磁場引起的邊界應力 被施加在表面，可以由下式計算
其中， 和 是固體邊界外側的磁場和環(huán)境壓力。
COMSOL Multiphysics 并未明確在耦合特征中包含環(huán)境壓力定義。但是，如果壓力已知或由另一個物理場接口（例如聲學模型）計算，則可以向相應的 固體力學 接口添加額外的表面力。
如下圖所示，在平衡電樞傳感器教程模型中，可以看到磁機械力耦合 特征的使用。
磁機械力耦合 特征用于平衡電樞傳感器的完整振動電聲仿真。
壓電效應
壓電驅動器的工作原理是壓電效應，這是一種存在于某些被稱為壓電材料的晶體材料中的獨特物理現(xiàn)象。直接壓電效應包括當壓電晶體變形時沿固定方向的電極化。極化與變形成正比，并在晶體上產生電位差。另一方面，逆壓電效應與直接效應相反。它描述了施加電場時晶體中產生的變形，這是壓電驅動器運行的原理。
一種由四個三角形膜片組成的壓電 MEMS 揚聲器，利用壓電效應產生振動。在厚度方向上應用較大的比例以進行可視化。
正向和逆向壓電效應由 COMSOL 軟件的靜電 接口和固體力學 接口之間的多物理場耦合特征壓電效應 捕獲。每個物理場都包含一個專用的壓電材料模型，在固體力學 接口中命名為壓電材料，在靜電 接口中命名為電荷守恒，壓電，用于解釋壓電域中的特定本構關系。兩個物理場中的兩個壓電材料模型通過壓電效應 多物理場特性耦合。可以用應力-電荷形式或應變-電荷形式來表達應力、應變、電場和電位移場之間的關系。
壓力電荷：
應變電荷：
其中， 是應變， 是壓力， 是電場， 是電位移場。材料參數 和 對應材料的彈性和柔順性， 和 是耦合屬性， 和 是自由空間和相對介電常數。
展開 壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！
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(xiàn)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(fā)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(chuàng)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(fā)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(fā)的新型超薄能量采集系統(tǒng)，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(chuàng)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(fā)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 王中林、翟俊宜Nano Energy: 用于面內應變映射的柔性Li摻雜ZnO壓電晶體管陣列
科學家們研究了單個單元的壓電效應，證明了Li元素的摻雜可以顯著提高應變靈敏度。傳感單元陣列在均勻和非均勻變形映射上表現(xiàn)出非常好的性能。壓電效應將微小尺度與高靈敏度結合在一個器件中，這使得高分辨率應變成像成為可能。此外，薄膜結構與微電子技術相比在納米線方面更加技術兼容。薄膜陣列感測程序可以通過一個連續(xù)的薄膜完成，該薄膜繞過感測層的光刻過程，因此感測層可以沉積得更厚，以便從平面內到外面的方向傳遞更多的變形，以進一步增強壓電元件效果和敏感度。這些獨特的優(yōu)勢可以大大擴展壓電設備的應用
文章鏈接：Flexible Li-doped ZnO Piezotronic Transistor Array for In-plane Strain Mapping. (Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.013)
本文由材料人編輯部金屬材料學術組艾超供稿，材料牛編輯整理。
展開 壓力傳感器的簡述
壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。
我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產生了電效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應。科學家就是根據這個效應研制出了壓力傳感器。
壓力傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。
壓力傳感器有好多種,主要有:
1)利用晶體的壓電效應的效應傳感器
2)壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。
在現(xiàn)在壓力效應也應用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓力陶瓷，包括鈦酸鋇壓力陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓力陶瓷、鈮鎂酸鉛壓力陶瓷等等。
壓力效應是壓力傳感器的主要工作原理，壓力傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓力傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。
壓力傳感器主要用于加速度和力等的測量中。
展開 今日Nature: 鐵電疇壁再發(fā)正刊，調制微波器件
而基于傳統(tǒng)壓電效應的鐵電薄膜器件一般無法突破幾百MHz最高頻率的介電響應極限。作者從分子動力學角度，運用微疇壁振動模型很好地解釋了實驗結果，為未來鐵電薄膜器件在微波通信領域中應用鋪平了道路。
清華大學于浦教授也對此項工作做出點評：
鐵電材料在信息存儲、壓電效應、光電轉換、傳感等領域具有重要的應用前景。尤其是近年來絕緣鐵電疇璧處顯著增強局域電導，疇璧增強的巨大光電壓響應等一系列新奇功能特性為鐵電材料的應用和探索賦予了更多可能性。在該工作中，顧宗銓博士等人借助鐵電疇璧的增強效應完美展示了鐵電材料在微波調控領域的優(yōu)越特性，為鐵電材料尤其是其疇結構的應用賦予了新的活力。
Drexel University的顧宗銓博士與Jonathan Spanier教授設計了研究工作。整個項目得到了加州大學伯克利分校Lane Martin教授，Bar-IIan大學Ilya Grinberg教授, 加州大學圣塔芭芭拉分校Robert York教授，以及賓夕法尼亞大學Peter Davies教授團隊的大力協(xié)助。
展開 干貨| MLCC電容嘯叫的4個對策
相比之下，利用壓電效應的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等，是積極的利用了高達幾十倍振動的產品，具有充分的可靠性。從這點看也可以理解MLCC的逆壓電效應對可靠性并沒有特別的影響。
MLCC電容嘯叫的4個對策
相比之下，利用壓電效應的壓電蜂鳴器和陶瓷振蕩器等，是積極的利用了高達幾十倍振動的產品，具有充分的可靠性。從這點看也可以理解MLCC的逆壓電效應對可靠性并沒有特別的影響。
基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
圖六
（a） 單層MoS2壓電電子學器件
（b ）壓電電子學效應對單層MoS2的非對稱調制
（c） 壓電光電子學效應對光電流的調制機理
【成果七】壓電光子學：從基礎，到材料及應用
香港理工大學郝建華教授和日本產業(yè)技術綜合研究所徐超男教授（共同通訊）合作在MRS Bulletin上發(fā)表了題為“Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications”的綜述論文。文章系統(tǒng)總結了壓電光子學效應的基本原理，材料的選擇到應用。壓電光子學是材料的壓電性質和光激發(fā)的耦合效應。金屬激活離子可以在這過程中扮演重要作用。首先作者介紹了壓電光子學的基本原理包括力致發(fā)光；其次介紹了有代表性材料的具體應用，譬如基于壓電光子學效應的磁場耦合多色發(fā)光等；最后文章對近年有代表性研究和工作進行了總結和介紹，為新型壓電光電子學器件，磁光學傳感，非破壞性環(huán)境監(jiān)測，新型光源和顯示技術等領域的應用和發(fā)展提供重要參考和思路。(Hao, J., & Xu, C. (2018). Piezophotonics: From fundamentals and materials to applications. MRS Bulletin, 43(12), 965-969.)
圖七
（a）壓電光子學和磁致發(fā)光的耦合示意圖
（b）壓電光子學效應所用的金屬離子常用元素
（c） 壓電光子學效應發(fā)光的能級圖
（d）多場激發(fā)的發(fā)光示意圖
展開 MLCC電容嘯叫！？怎么讓它閉嘴！
MLCC電容器發(fā)生嘯叫主要是由陶瓷的壓電效應引起的，MLCC電容器由于其特殊的結構，當施加在兩端的電場變換時，可以引起成比例的機械應力的變化，此為逆壓電效應，當振動頻率落入人耳聽覺范圍內時，就會產生噪音，即所謂的“嘯叫”。正壓電效應相反，是受到力的作用，產生電場的過程。
無論是筆記本電腦還是手機，對電源的要求越來越高，通常在電源網絡上并聯(lián)大量的MLCC電容，如BUCK、BOOST架構的電源，當設計異常或者負載工作模式異常時，就很容易產生“嘯叫”。
在筆記本電腦中，當電腦處于休眠狀態(tài)，或者啟動攝像頭時，容易產生嘯叫。
在手機中，最典型的一個案例是GSM所用的PA電源，此電源線上的特點是功率波動大、波動頻率為典型的217Hz，落入人耳聽覺范圍內(20Hz~20Khz)，當GSM通話時，用專用聽診器聽此電源線上的電容，很容易聽到“滋滋”嘯叫音。
如何抑制？
1. BUCK電源通常有PWM和PFM兩種工作模式。PWM工作模式時紋波小，用在負載功耗比較高的條件下，為了避免BUCK在PWM工作模式時，給電容充電的開關頻率進入人耳范圍內引起嘯叫，有的電源的開關頻率會刻意避開20hz~20Khz這個開關頻率。
2. 當電源處于輕載模式時，會間歇性的工作，間歇性輸出幾個脈沖，這個間歇性脈沖的頻率，也有可能被人耳聽到。所以也要從電源或者負載的角度，來優(yōu)化PFM工作時間歇性脈沖的工作頻率，避免嘯叫。
3. 另一個是隱含的一個狀態(tài)，在項目初期，系統(tǒng)往往不穩(wěn)定，負載在正常和低功耗模式之間反復切換，電源也容易在PWM和PFM兩個模式之間反復切換，這個切換的時隙，這也可能引起嘯叫，需要軟件優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免負載工作模式異常切換來避免嘯叫。
4.
展開 comsol固體力學和靜電耦合
comsol固體力學和靜電耦合 壓電效應 采用正弦激勵 為什么終端接受的電壓不是從零開始 壓電效應不是應該在施加力之后就變成零了嗎？
干貨｜MLCC電容為什么會叫？怎么讓它閉嘴！
MLCC電容器發(fā)生嘯叫主要是由陶瓷的壓電效應引起的，MLCC電容器由于其特殊的結構，當施加在兩端的電場變換時，可以引起成比例的機械應力的變化，此為逆壓電效應，當振動頻率落入人耳聽覺范圍內時，就會產生噪音，即所謂的“嘯叫”。正壓電效應相反，是受到力的作用，產生電場的過程。
無論是筆記本電腦還是手機，對電源的要求越來越高，通常在電源網絡上并聯(lián)大量的MLCC電容，如BUCK、BOOST架構的電源，當設計異常或者負載工作模式異常時，就很容易產生“嘯叫”。
在筆記本電腦中，當電腦處于休眠狀態(tài)，或者啟動攝像頭時，容易產生嘯叫。
在手機中，最典型的一個案例是GSM所用的PA電源，此電源線上的特點是功率波動大、波動頻率為典型的217Hz，落入人耳聽覺范圍內(20Hz~20Khz)，當GSM通話時，用專用聽診器聽此電源線上的電容，很容易聽到“滋滋”嘯叫音。
如何抑制？
1. BUCK電源通常有PWM和PFM兩種工作模式。PWM工作模式時紋波小，用在負載功耗比較高的條件下，為了避免BUCK在PWM工作模式時，給電容充電的開關頻率進入人耳范圍內引起嘯叫，有的電源的開關頻率會刻意避開20hz~20Khz這個開關頻率。
2. 當電源處于輕載模式時，會間歇性的工作，間歇性輸出幾個脈沖，這個間歇性脈沖的頻率，也有可能被人耳聽到。
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