PZT的案例
Acta Mater.: 原位表征解密壓電材料電子應變的外在
圖8 不同組分PZT材料外在/本征應變貢獻比較
不同組分PZT材料在最強電場E=5 kV/mm的外在/本征應變貢獻比較，其中絕對貢獻顯示于y軸，每一組分的相對貢獻以百分比顯示。
圖9 PZT材料殘余應變隨組分的變化
殘余應變隨組分的變化，包括宏觀測量數據以及由衍射數據計算所得數據。
圖10 PZT材料的原位PDFs曲線(1)
a) PZT 50/50平行于場方向的原位PDFs曲線(其中黑色、紅色和藍色實線分別為未極化、場強最大E=5 kV/mm、極化后樣品的PDFs曲線，下同)；
b) PZT 52/48平行于場方向的原位PDFs曲線；
c) PZT 53/47平行于場方向的原位PDFs曲線；
d) PZT 54/46平行于場方向的原位PDFs曲線；
e) PZT 56/44平行于場方向的原位PDFs曲線。
圖11 四方相PZT樣品的極化旋轉
四方相PZT樣品極化旋轉的示意圖。
圖12 PZT材料的原位PDFs曲線(2)
a) PZT 54/46與場方向呈50°角的原位PDFs曲線(其中黑色、紅色和藍色實線分別為未極化、場強最大E=5 kV/mm、極化后樣品的PDFs曲線，下同)
b) PZT 56/44與場方向呈50°角的原位PDFs曲線。
展開 『分享』主動式振動控制的一篇E文： Structural vibration contro
The resonance condition can
be created through the appropriate design of the compensator and
implemented through adjusting the external electrical voltage applied to the
PZT actuator. Although PZT materials inherently possess nonlinear
characteristics (e.g., hysteresis), an equivalent linearized model is developed
for the actuator subsystem. An experimental set-up is then constructed to
validate the proposed linearized model and estimate the actuator parameters
using a nonlinear least squares algorithm. Because the parameters of the
PZT actuators (i.e. stiffness, damping, and effective mass) are approximate,
the compensator designs based on these parameters would result in partial
vibration suppression when utilized in real applications.
展開 基于ABAQUS的交流電驅動下壓電復合結構有限元分析
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。
一、PZT的本構模型
根據Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構方程為：
對于三維正交各向異性結構，其剛度系數矩陣、壓電系數矩陣、介電系數矩陣如下所示，本構方程寫成矩陣形式：
二、交流電驅動的壓電結構有限元仿真
1.應用背景簡介
以面向變體機翼應用的壓電復合結構為例，如圖1所示，變形所需的機械能由每個機翼上的三組壓電元件提供。這些驅動器沿翼展均勻分布，以實現沿翼展撓度幅值的主動控制。壓電元件除了為機翼的變形提供機械能外，還增加了整體結構的剛度，提高了承載能力。
2.有限元模型建立
將上述變體機翼進行簡化，建立圖2所示的壓電復合結構有限元模型，單位制采用m-kg-N-s。基體選用金屬矩形板，彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，尺寸為1×0.2×0.02(m)，選擇進行C3D8R單元進行網格劃分；壓電片材料選用PZT-5，采用上述壓電本構模型，尺寸為0.1×0.1×0.01(m)。
3.邊界條件設置
邊界條件為基體板左側固定端約束，右端自由，壓電片上下表面施加5個周期的220V正弦交流電，如圖3所示。定義分析步，打開幾何非線性開關，設置步長為100s，每間隔1s輸出一組結果，采用動力學隱式求解方法。
4.計算結果
通過ABAQUS有限元計算可以得到壓電復合結構的正弦振動響應結果，如圖4所示，動態圖展示了壓電復合結構在交流電作用下動力學響應。
展開 SimForge HSF?案例分享｜復雜仿真應用定制——BVFSim血管血液流動定制APP
</p><p class="ql-align-justify"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/eDjEHhX89DzsOocr5R5RVGuHC7Pzt0hia7sJELlELkIy6YiaSw7rQYmgoibJ91UO9LCopibSdI6uPljHHjzEx4JH9A/640?wx_fmt=png" alt="“神工坊”——血管血液流動定制APP的圖3"></p><p class="ql-align-justify"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/eDjEHhX89DzsOocr5R5RVGuHC7Pzt0hia7QY5JibQFvgMFNbGu6gMs62wmTd42MaIQ1Xzia2IibCicjficuxPoXFXrqQ/640?wx_fmt=png" alt="“神工坊”——血管血液流動定制APP的圖4"></p><p class="ql-align-center">圖3 網格劃分</p><p class="ql-align-center"><br></p><h3>4、仿真求解</h3><p> 計算提交，設置仿真相關參數，可以和看出用戶只需要設置和血液流動及血液屬性相關的參數，即可進行仿真計算，優秀的降低醫學人員的使用門檻。 </p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/eDjEHhX89DzsOocr5R5RVGuHC7Pzt0hiaLV61ENNzCPDma51CAZSgZia4vBSQ738n9bN1npsy5ib8c81orTiabG17Q/640?
展開 
理論看夠了？來看看COMSOL實操！
此次仿真選取幾何形狀為長方體，壓電材料為Lead Zirconate Ti‐tanate（PZT-5H）的壓電陶瓷作為研究對象。物理場的構建與前文保持一致。但是，施加在壓電陶瓷上底面的荷載發生了變化，該載荷模擬了車輛輪胎壓過壓電陶瓷的受力情況，該文選用正弦荷載近似求解。
在COMSOL 中的全局定義中定義變量t和解析函數，將函數設置為 sin(t)*0.6*106，t 的單位為秒，函數的單位為 Pa，t 所取的范圍為 0~π，步長為 π/30s，荷載的變化圖像如圖4所示。將定義的函數載荷函數an1(t)與固體力學物理場中的邊界載荷相聯立，便得到了一個動態載荷，將該動態載荷施加到幾何形狀為長方體的壓電陶瓷的上頂面，約束和接地條件不改變。
在瞬態界面，將載荷作用的時間范圍為0~π，步長為π/30,得到電能隨時間分布的圖像，如圖5所示。從圖5可以看出，電能的變化規律和施加的正弦荷載的變化規律基本一致。因此可以認為在不破壞壓電材料的前提下，壓電陶瓷 PZT-5H 發電量的大小和外界是施加的力成線性相關。
本文來自：COMSOL仿真交流
展開 楊征保團隊《AFM》：跺跺腳就能發電！一種柔性透氣壓電復合織物
圖1 具有多級結構的壓電陶瓷復合織物示意圖及其應用
圖2 多級壓電復合纖維機械性能和壓電性能的仿真結果
圖3顯示了這種壓電復合織物的合成示意圖，其主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側再貼附銅網作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級多股陶瓷纖維構成了 PZT 陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級 PZT 纖維則是二級結構。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不僅為壓電復合織物提供了更好的機械性能，而且本身也是壓電材料，進一步提高了其壓電性能。
圖3 壓電陶瓷復合織物的合成示意圖及相關表征
而這種壓電復合織物內部獨特的多級孔隙結構，也讓其具有良好的透氣性（圖4）。在機械性能方面，相比于傳統的壓電復合材料，這種壓電復合織物具有更高的楊氏模量，斷裂強度，拉伸率，韌度及斷裂能（圖4）。
圖4 壓電陶瓷復合纖維的透氣性及機械性能
在壓電性能方面，這種具有多級結構的壓電陶瓷織物能夠產生128 V的開路電壓，足以同時點亮75盞LED。在1MΩ的最佳匹配電阻下，能夠產生 0.75 mW cm-2的瞬時功率密度，遠高于之前報道的工作（圖5）。
圖5 壓電復合織物的壓電性能
為了評估這種壓電復合織物在人體運動監測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產生的能量轉換為電信號。在此基礎上，研究人員構建了一種基于該種壓電復合織物的計步器，用于計算步行時的步數。在2分鐘內，該計步器成功記錄了63步，同時將其顯示在手機屏幕上。
此外，由這種壓電復合織物產生的電信號還可用于人運動時的能量收集。在36 s 的踩踏過程中，電容器中存儲的電壓增加到 3.1 V。
展開 上海交大超柔性納米發電復合材料
在所制備的壓電纖維布復合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類似于玻璃纖維布的多層次結構。電子級玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實現插指電極掩膜設計和上下柔性電極貼合封裝設計。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標準測試下能夠產生～60 V和～500 nA的輸出。一個8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運動的情況下能夠輕易點亮20個商用綠色LED燈。
同時，利用玻璃纖維布的微觀剛性，首次發現壓電納米發電機的形變與信號輸出之間呈線性關系，可望在柔性傳感領域獲得重要應用。另外在這種多層級結構的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時收集光能、熱能和機械能。這項工作為制造高性能，超柔性，低成本的納米發電機及柔性傳感器提供了新的視角，可望在柔性可穿戴設備領域獲得應用。
論文共同第一作者為上海交通大學的碩士研究生賀思博和英國華威大學的董文博士后研究員，郭益平教授為論文的通訊作者，上海交通大學為第一單位完成。郭益平教授所帶領的智能與能源復合材料研究小組長期致力于鐵電/壓電功能復合材料，能源及催化材料的基礎和應用研究，研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和面上項目（11474199和51332009）的資助。
來源：材料科學與工程公眾號、上海交大
展開 近年值得關注的新興MEMS和傳感器技術
薄膜壓電諧振器
PZT沉積和CMOS工藝集成的進步，可用于構建5G應用中的射頻（RF）濾波聲波導。這種采用現有可擴展工藝的新型濾波器設計已經成熟，可用于商業化。（相關研究機構：普渡大學、德州儀器）
基于PZT FeCAP（壓電鐵電電容器）的聲波導CMOS諧振器
圖片來源：普渡大學、德州儀器
體內無線通信
用氮化鋁（AlN）制造的MEMS超聲波收發器，能夠以Mbit/s的數據傳輸速率，直接穿過人體發送數據。隨著多種人體植入物或可穿戴醫療設備網絡的發展趨勢，這項創新成果可以實現醫療級安全的體內無線通信。這項早期研究仍需要體內驗證，開發并獲得監管批準可能還需要10年或更長的時間。（相關研究機構：美國東北大學）
基于壓電MEMS超聲換能器（PMUT）的超聲體內收發器
圖片來源：美國東北大學
屏幕和3D打印傳感器
利用屏幕和3D打印傳感器的眾多令人興奮的創新中，有一個代表性例子是電位硝酸鹽土壤傳感器。這種傳感器成本低、可生物降解，可以大面積部署，以監測農場的土壤質量。不過，目前大多采用桌面式或業余愛好者工具來制作屏幕和3D打印傳感器件，因此必須在有可能商業化生產之前，開發新的制造設備和基礎設施。（相關研究機構：普渡大學）
硝酸鹽土壤傳感器
圖片來源：普渡大學
可生物降解的電池
紐約州立大學賓漢姆頓分校開發了一種紙質電池，巧妙地利用細菌代謝作為電解質，可以提供0.5 uW的電能。這些電池可以溶解在水中，有朝一日或能用于為臨時醫療植入物或可生物降解的傳感器供電。這項令人興奮的概念驗證原型，還需要大量的工藝開發和新的制造基礎設施。
展開 怎么將廠家給的壓電陶瓷材料參數轉變為有限元輸入？
怎么將廠家給的PZT材料參數，變為輸入到有限元的矩陣呢??
在 COMSOL 中正確模擬壓電材料
圓盤表示 PZT-5H 徑向極化方向，其中藍色箭頭表示 3rd 主方向（極化方向）。默認坐標系顯示在左下角，用來建立柱坐標系的基矢顯示在右側。
COMSOL 仿真軟件還提供了其他用于建立用戶定義坐標系的選項。例如，可創建一個曲線坐標系以定義在空間中自由彎曲的各向異性材料。
本文來自：COMSOL博客
壓電雙晶體驅動懸臂梁變形的abaqus數值模擬 ￥2
問題描述：聚乙烯懸臂梁，左端固定，右端自由，懸臂梁的上、下兩個表面固定兩個PZT-4壓電體，在這兩個壓電體上輸入電載荷驅動懸臂梁變形。
文獻Haojiang Ding, Jian Liang： The fundamental solutions for transversely isotropic piezoelectricity and boundary element method給出了材料參數。極化方向為3方向，具體材料參數如下。
這些壓電材料的材料參數該如何輸入呢？我們知道壓電方程為
用Abaqus中的參數表示為
通過對比可以得到它們之間的關系，比如
其他就不在列舉。
最終計算結果如下
展開 
數字液壓閥及其閥控系統發展和展望（轉自液壓那些事）
中國航天科技集團公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應，研發了一款由PZT壓電材料制作的超高速開關閥，如圖2所示。該閥在額定壓力10MPa下流量為8L/min，打開關閉時間均小于1.7 ms。壓電材料脆性大，成本高，輸出位移小，容易受溫度影響，因此其運用受到限制。浙江大學歐陽小平等與南京工程學院許有熊等就壓電高速開關閥大流量輸出和疲勞強度問題設計了新的結構，并進行了仿真與實驗分析。
美國Purdue大學研制了一種創新型的高速開關閥電-機械執行器EAC(Energy coupling actuator)，如圖3所示。其包括一個持續運動的轉盤和一個壓電晶體耦合裝置。轉盤一直在順時針運動，通過左右兩個耦合機構分時耦合控制主閥芯的啟閉。試驗表明5ms內達到2mm的輸出行程。
圖2 PZT高速開關閥結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of PZT high-speed on/off valve
圖3 壓電EAC原理概念圖Fig.3 Piezo EAC concept
1.2 高速開關閥閥體結構優化與創新
高速開關閥常用的閥芯結構為球閥式和錐閥式。浙江大學周盛研究了不同閥芯閥體結構液動力的影響及補償方法。通過對閥口射流流場進行試驗研究，對流場內氣穴現象及壓力分布進行觀測和測量。美國BKM公司與貴州紅林機械有限公司合作研發生產了一種螺紋插裝式的高速開關閥(HSV)，使用球閥結構，通過液壓力實現銜鐵的復位，避免彈簧復位時由于疲勞帶來復位失效的影響。推桿與分離銷可以調節球閥開度，且具有自動對中功能。該閥采用脈寬調制信號(占空比為20%~80%)控制，壓力最高可達20MPa，流量為2~9L/min，啟閉時間≤3.5ms。該高速開關閥代表了國內產業化高速開關閥的先進水平，如圖4所示。
展開 壓電驅動風機葉片的模擬 ￥20
壓電耦合是一些單晶體的自然特性，如：石英、鐵電陶瓷（PZT）、壓電聚合物（PVDF）。直接的壓電耦合可以把機械能轉換為電能，而反壓電耦合則是將電能轉換為機械能。
在壓電分析中，結構場和準靜電場通過壓電常數耦合。
問題描述
一壓電驅動的風機葉片結構如下，分析其模態及在115伏60Hz下的響應。
壓電驅動風機葉片真實模型
壓電驅動風機葉片幾何模型
模態分析
設置各個部件的材料屬性，尤其壓電材料。在Engineering Data中，創建新的材料命名為“Piezo”，密度輸入為7500kg m^-3，以表格的形式輸入壓電材料的各向異性彈性模量。
對兩塊壓電晶片零件賦予Piezo材料屬性，同時在Piezo2 body頂部上建議一個y軸反轉的局部坐標系作為壓電極化方向。
設置面尺寸及體尺寸，網格劃分如下：
在分析設置明細中Options的Max Modes to Find輸入3，其余保持默認；FR4板上的兩圓孔面施加固定約束。
插入Piezoelectric Body對兩壓電晶片零件添加壓電屬性如下：
插入Voltage對下面的壓電晶片底部添加0電壓值；同時對兩壓電晶片零件的接觸面添加Voltage Coupling。
求解得到前三階頻率為60Hz、340Hz、352Hz，振型如下：
諧響應分析
諧響應分析的邊界條件在模態分析的基礎上，再在上部壓電晶片部件的頂面添加電壓115V
采用完全法進行分析，掃頻范圍為59Hz到61Hz，間隔為20；剛度系數通過阻尼vs頻率添加，頻率60Hz時對于阻尼系數為0.01.
展開 我國學者發明新型納米晶鐵電材料結構
2011年德國研究人員在摻雜氧化鉿（HfO2）材料中觀測到鐵電性，和傳統鐵電材料（如PZT，SBT等）相比，HfO2基鐵電和CMOS工藝完全兼容，因此HfO2基鐵電晶體管很快引起了微電子研究人員的極大關注。然而，從目前研究看，HfO2基鐵電材料尚存在以下問題：1）摻雜HfO2的本征缺陷導致鐵電材料存在不可避免的喚醒效應、印刻效應和易極化疲勞；2）實驗研究顯示HfO2基鐵電晶體管用作非易失存儲器時柵介質厚度一般為8~10 納米，而用作負電容晶體管時柵介質厚度為4納米左右，這限制了HfO2基鐵電晶體管在集成電路先進技術節點的應用。
針對上述問題，研究團隊采用先進的原子層沉積（ALD）工藝，在非晶順電介質Al2O3中嵌入少量氧化鋯（ZrO2）納米晶顆粒，實現了新型的納米晶鐵電薄膜。該材料的鐵電參數不僅可以通過改變ZrO2含量來大范圍調整，而且通過使用更致密的Al2O3和ZrO2代替HfO2，有效克服了摻雜HfO2本征缺陷引起的喚醒效應、印刻效應和極化疲勞，從而提高了器件的耐久和保持特性。此外，由于NEI介質整體為不定形（amorphous）相，可以被制備得非常薄。在對NEI進行詳細鐵電特性表征的基礎上，研究團隊還制備了3.6 納米NEI 鐵電負電容器件。器件測試結果表明：和HfO2基鐵電器件相比，基于該新型納米晶鐵電材料的鐵電晶體管可在柵介質厚度更薄的情況下實現穩定的負電容效應，且晶體管亞閾值擺幅突破了60mV/decade物理極限。論文工作為實現3~5納米負電容FinFET奠定了材料基礎，也為我國“后摩爾時代”新器件研發提供了具有自主知識產權的技術方案。
（來源：信息科學部）
展開 壓力傳感器的簡述
在現在壓力效應也應用在多晶體上，比如現在的壓力陶瓷，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的應力。
壓力傳感器主要用于加速度和力等的測量中。壓力式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓力式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位，壓力傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量qiang炮子 彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。
壓力式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓力傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓力傳感器的應用就非常廣。
除了壓力傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠發揮它們獨特的用途。
壓力傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電 傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變 式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠 發揮它們獨特的用途。
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