简述压电效应原理、类型及应用案例

世界上第一个压电效应是在1880年由两位科学家的兄弟“皮埃尔居里”和“雅克”发明的，这种效应是从对晶体施加的压力中发现的，或者石英会在材料中形成电荷。后来，他们提出了压电效应这样的科学事实。

之后，“居里兄弟”很快发明了“逆压电效应”，并且证实只要在晶体端子上施加电场，就会导致畸变，这被称为逆压电效应。压电（piezoelectric）这个名称取自希腊语。其中，piezo这个词的意思是pressed或者squeeze，而electric的意思是amber。

基本概念

压电效应可定义为特定材料产生电荷以响应施加的机械压力的能力，这种效应的独有特征之一是可逆的。即材料既表现出正压电效应，又表现出逆压电效应。

所以，压电效应按照能量转变的形式可以划分两大类，分别是正压电效应和逆压电效应。

压电效应的原理是，每当压电材料处于机械应力之下时，材料内的+ve和-ve载流子就会发生转移，这会在外部电场中产生。当它们反转时，外部电场也会延伸压电材料。

压电效应的应用主要涉及制造和声音检测、微天平、高压和电子频率的产生、非常精细的光学组件聚焦。这是原子分辨率科学仪器方法图的基础，如STM、AFM（扫描探针显微镜）。压电效应的常见应用是点烟器的爆炸源。

正压电效应案例

正如上面所介绍的，可以通过挤压压电材料来产生电能，这称为晶体中的正压电效应，压电效应发生在压电材料压缩过程中。压电晶体等压电陶瓷材料放置在下例所示的两个金属板之间。只要通过施加机械应力挤压材料，就会产生压电性。

在上图中，材料上会有电压电势。上述电路中的金属板可以被压电晶体夹在中间。两个金属板收集电荷，产生称为压电的电压。

在这种方法中，压电效应起到小型电池的作用，因为它会发电。所以这也叫做直接压电效应。有几种设备可以使用直接压电效应，例如压电传感器、麦克风、水听器和传感类型的设备。

逆压电效应

只要压电效应发生逆转就成称之为逆压电效应或反压电效应，这可以通过施加电能使晶体膨胀来形成。这种效应的主要作用是将电能转化为机械能。

通过利用这种效应，可以开发产生音频声波的设备。这些设备的最佳示例是扬声器或蜂鸣器。

使用这些扬声器的主要好处是它们非常薄，这使得它们可以在各种电话中发挥作用。甚至声纳换能器以及医学超声也利用了逆压电原理。非音频反向压电设备包括致动器和电机。

逆压电效应案例

压电晶体的扭转可以通过不同的频率以不同的方法完成，这种扭曲可以称为振动模式。晶体的设计可以做成各种形状，以获得不同的振动模式。目前有几种模式被扩展用于操作许多频率范围，以了解低成本、高性能的设备。

这些模式使我们能够创建在低kHz~MHz范围内工作的产品。振动模式有弯曲、纵向、面积、半径、厚度切变、厚度截留、表面声波和BGS波。

陶瓷是压电材料的重要集合。村田公司使用这些不同的振动模式以及陶瓷来制造许多有价值的产品，典型的示例包括陶瓷鉴频器、陶瓷陷波器、陶瓷BPF（带通滤波器）、陶瓷谐振器、蜂鸣器以及SAW滤波器。

主要应用

压电效应的应用包括以下几点内容：

• 压电传感器在工业应用中用于各种用途，例如发动机爆震传感器、压力传感器、声纳设备等。
• 压电致动器在工业应用中用于各种用途，如柴油燃料喷射器、快速响应螺线管、光学调节、超声波清洗、超声波焊接、压电电机、堆栈致动器、条纹致动器、压电继电器等。
• 压电换能器在医疗应用中用于各种用途，如超声成像、超声程序。
• 压电致动器用于消费电子产品，如压电打印机（点阵打印机、喷墨打印机）、压电扬声器（手机、耳塞、发声玩具、音乐贺卡和音乐气球）。压电蜂鸣器、压电加湿器和电动牙刷。
• 压电材料用于乐器拾音器和麦克风等音乐应用。
• 用于国防应用，如微型机器人、改变航向的子弹等。
• 用于其他一些应用，如压电点火器、发电、MEMS（微电子机械系统）、网球拍等。

总结

以上就是关于压电效应的基础内容介绍。从以上内容可以看出，压电效应是特定材料在施加机械应力时产生电能的能力，这种效应的主要特点是可逆的，即产生正压电的材料也会产生逆压电效应。