什么是压电？

“压电”一词起源于希腊语中的“压力”和“琥珀”两个词，这两个词在历史上一直被用作电的来源。字面意思是“压电”是指潜热和压力作用的结果。

由于机械应力的作用，电荷可以在许多固体材料中积累，包括精选的陶瓷、晶体和一些生物材料，如DNA、骨和某些蛋白质。由此产生的效应是一种由压力和/或潜热产生的电，也就是所谓的压电效应。

压电原理

1880年，法国物理学家雅克和皮埃尔·居里——他们似乎是兄弟——发现了某些晶体矿物的一个不同寻常的特征：当受到机械力时，压电晶体变成电极化。张力和压缩产生的电压极性相反，与施加的力成比例。

要理解的关键是，施加在材料上的能量可以是敲击、挤压、敲击或其他冲击材料但不会使其断裂的力。因此，必须极其小心地施加力。由于施加的力，材料的电荷平衡发生变化。例如，当一个晶体的电荷平衡受到10%的影响时，它就会产生电。因此，在一个面上有一个负电荷，在另一个面上有一个正电荷。

随后，这种关系的反面得到了证实：如果这些产生电压的晶体中的一个暴露在电场中，它会根据电场的极性和电场的强度而变长或变短。这些行为分别被标记为压电效应和逆压电效应，从希腊语单词piezein，意思是压力或挤压。

尽管压电电压、位移或力的大小很小，并且通常需要放大（例如，压电陶瓷的典型圆盘厚度将增加或减少仅为毫米的一小部分），但压电材料已被应用于令人印象深刻的应用范围。压电效应用于传感应用，如力传感器或位移传感器。

压电传感器应用

压电可以用于一系列压电应用，如喷墨打印和声音的检测和产生。例如，它被用于智能手机，将一个人声音的能量转换成电信号，由另一部手机接收并转换成可识别的声音。它还用于产生电子频率、高压、光学组件的超细浓缩、驱动超声波喷嘴和微天平。

由于压电技术可以应用于很多领域，所以它被广泛应用于各个行业和部门。除了智能手机和设备外，它还驱动无钥匙进入设备、声音警报，如烟雾报警器、病人监视器、安全气囊传感器、鱼和深度探测器等等。

逆压电效应用于驱动应用，例如用于精确控制定位的电机和设备，以及生成声波和超声波信号。在20世纪，金属氧化物基压电陶瓷和其他人造材料使设计者能够在许多新的应用中使用压电效应和逆压电效应。这些压电材料通常具有物理强度和化学惰性，制造成本相对较低。压电陶瓷元件的组成、形状和尺寸可根据特定用途的要求进行定制。与其他成分的陶瓷相比，由锆酸铅/钛酸铅配方制成的陶瓷具有更高的灵敏度和更高的工作温度，“PZT”材料是目前应用最广泛的压电陶瓷。

压电陶瓷元件

传统的压电陶瓷是一种钙钛矿陶瓷晶体，每种晶体由一个较小的四价金属离子（通常是钛或锆）组成，晶格中有较大的二价金属离子（通常是铅或钡）和氧离子（图1.1）。在赋予晶体四方或菱形对称性的条件下，每个晶体都有一个偶极矩（图1.1b）。

为了制备压电陶瓷，将组成金属氧化物的细小PZT粉末按特定比例混合，然后加热形成均匀的粉末。压电粉末与有机粘合剂混合，形成具有所需形状的结构元件（圆盘、杆、板等）。这些元件是根据特定的时间和温度程序发射的，在此过程中这些元件根据特定的时间和温度程序进行烧制，在此过程中，压电粉末颗粒烧结，材料获得致密的晶体结构。将元件冷却，然后根据规格对其进行成形或修整，并将电极应用于适当的表面。

在临界温度居里点以上，烧结陶瓷元件中的每个钙钛矿晶体都表现出简单的立方对称性，没有偶极矩（图1.1a）。然而，在居里点以下的温度下，每个晶体都具有四方或菱形对称性和偶极矩（图1.1b）。相邻的偶极子形成称为区域的局部排列区域。对准给了域一个净偶极矩，从而产生净极化。然而，相邻区域之间的极化方向是随机的，因此陶瓷元件没有整体极化（图1.2a）。

压电陶瓷元件中的磁畴通过将元件暴露于强直流电场（通常在略低于居里点的温度下）来对齐（图1.2b）。通过这种极化（极化）处理，与电场最接近的畴以不与电场对准的畴为代价而扩展，并且元件沿电场方向延长。当电场被移除时，大多数偶极子被锁定在一个接近对准的结构中（图1.2c）。元素现在有一个永久的极化，剩余的极化，并且是永久延长的。