（晶體結構）壹端接上壹段細導線，此導線與在打火機
出氣口處的金屬材料形成壹個缺口，通過機械機構使撞
擊塊的撞擊時與氣源開啟同步。當撞擊塊以壹定的沖擊
能量或力撞擊壓電材料塊的另壹端時，壓電材料的內部
分子就會強烈振動，並將振動能量傳遞到導線中。由於
導線的截面積與壓電材料塊的截面積之比懸殊很大，在
導線中分子的振動就有了很大的加強趨勢。當導線的端
點分子強烈的振動撞擊缺口處的空氣分子時，空氣分子
也就產生強烈振動。空氣分子振動的運動軌跡就是我們
看見的電火星（電弧光）。這些電火星（電弧光）實際
上就是導線分子強烈振動並向打火機出氣口處的金屬材
料傳遞能量時空氣分子振動的運動軌跡，說明缺口處的
空氣分子振動很厲害。按照振動理論的說法振動強烈就
是物質溫度很高，當這個溫度超過打火機內的液化氣的
燃點時，跑出來的氣體就會被點燃，形成火焰，火焰就
是劇烈振動著的氣體物質分子影象。這就是打火機的基
本工作原理，其他電子打火裝置的道理與此相同。
第二
壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶
體材料。
目錄
基本介紹 材料原理 材料分類 無機壓電材料 有機壓電材
料
材料應用 換能器 壓電驅動器 傳感器上的應用 在機器人
接近覺中的應用
發展現狀 細晶粒壓電陶瓷 PbTiO3系壓電材料 壓電陶
瓷-高聚物復合材料 壓電性特異的多元單晶壓電體
基本介紹 材料原理 材料分類 無機壓電材料 有機壓電材
料
材料應用 換能器 壓電驅動器 傳感器上的應用 在機器人
接近覺中的應用
發展現狀 細晶粒壓電陶瓷 PbTiO3系壓電材料 壓電陶
瓷-高聚物復合材料 壓電性特異的多元單晶壓電體
展開
編輯本段基本介紹
受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。
1880年，法國物理學家P. 居裏和J.居裏兄弟發現，把
重物放在石英晶體上，晶體
壓電材料
某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這壹現象
被稱為壓電效應。隨即，居裏兄弟又發現了逆壓電效
應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的
機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作
用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷
中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電
荷面密度等於極化強度在表面法向上的投影，所以壓電
材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，
壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導
致材料變形。
利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交
流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用於傳感器元件
中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以
及電聲傳感器等。現在，這類材料被廣泛運用，舉壹個
很生活化的例子，打火機的火花即運用此技術。
編輯本段材料原理
壓電現象是100多年前居裏兄弟研究石英時發現的。那
麽，什麽是壓電效應呢？ 當妳在點燃煤氣竈或熱水
器時,就有壹種壓電陶瓷已悄悄地為妳服務了壹次。生產
廠家在這類壓電點火裝置內，藏著壹塊壓電陶瓷，當用
戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓
電陶瓷上，使它產生很高的電壓,進而將電能引向燃氣的
出口放電。於是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的
這種功能就叫做壓電效應。
壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會
產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓,則產
生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是壹種高頻
震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電
陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我
們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機
械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這
壓電石英晶體材料
種相互對應的關系確實非常有意思。
壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用
產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材
料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用
來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外,還具有
自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行
器設計中占有重要的地位。
編輯本段材料分類
無機壓電材料
分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體壹般是指壓電單晶
體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要
成份的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的
固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規則集合而成
的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是
鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電
疇由自發極化方向反向平行的180 疇和自發極化方向互
相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化（施加強直流
電場）條件下，自發極化依外電場方向充分排列並在撤
消外電場後保持剩余極化強度，因此具有宏觀壓電性。
如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸
鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的
研制成功，促進了聲換能器，壓電傳
壓電材料
感器的各種壓電器件性能的改善和提高。
壓電晶體壹般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程
有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此
具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、
鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。
相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加
工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩
定性差，因而適合於大功率換能器和寬帶濾波器等應
用，但對高頻、高穩定應用不理想。石英等壓電單晶壓
電性弱，介電常數很低，受切型限制存在尺寸局限，但
穩定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制
的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高
頻、高溫超聲換能器等。近來由於鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/
3Nb2/3)O3單晶體（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N,
ε≥20,000）性能特異，國內外上都開始這種材料的研
究，但由於其居裏點太低，離使用化尚有壹段距離。
有機壓電材料
又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及
其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及
其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(g)等
優點為世人矚目，且發展十分迅速，現在水聲超聲測
量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。不足之處是
壓電應變常數（d）偏低，使之作為有源發射換能器受
到很大的限制。
換能器
第三類是復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底
材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成
的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫學等領域得到廣泛
的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓
響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深
度。
編輯本段材料應用
壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和
超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲
換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅動器應
用。 換能器
換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生
機械振動的器件壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫
向壓電效應，而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶片
或壓電單晶片在外電場驅動下的彎曲振動，利用上述原
理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲
器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用
壓電聚合物的特點，研制運用其它現行技術難以實現
的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬
帶超聲信號發射系統等。
壓電聚合物水聲換能器研究初期
超聲波傳感器
均瞄準軍事應用，如用於水下探測的大面積傳感器陣列
和監視系統等，隨後應用領域逐漸拓展到地球物理探
測、聲波測試設備等方面。為滿足特定要求而開發的各
種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物
材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分
發揮壓電聚合物高彈性、低密度、易於制備為大和小不
同截面的元件、而且聲阻抗與水數量級相同等特點，最
後壹個特點使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在
被測聲場中，感知聲場內的聲壓，且不致由於其自身存
在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水
聽器件內的瞬態振蕩，從而進壹步增強壓電聚合物水聽
器的性能。
壓電聚合物換能器在生物醫學傳感器領域，尤其是超聲
成像中，獲得了最為成功的應用、PVDF薄膜優異的柔
韌性和成型性，使其易於應用到許多傳感器產品中。
壓電驅動器
壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機
械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎，
包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式，基於聚合物雙
晶片開展的驅動器應用研究包括顯示器件控制、微位移
產生系統等。要使這些創造性設想獲得實際應用，還需
要進行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）***聚合物
使該材料具備了產生大伸縮應變的能力，從而為研制新
型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防應用前景
的推動下，利用輻照改性***聚物制備全高分子材料水聲
發射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統地
進行之中。除此之外，利用輻照改性***聚物的優異特
性，研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用，還
需要進行大量的探索。 傳感器上的應用
1.壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所
制成的。壓電式壓力傳感器的基本結構如右圖所示。由
於壓電材料的電荷量是壹定的，所以在連接時要特別註
意，避免漏電。壓電式壓力傳感器的優點是具有自生信
號，輸出信號大，較高的頻率響應，體積小，結構堅
固。其缺點是只能用於動能測量。需要特殊電纜，在受
到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。
2.壓電式加速度傳感器
壓電元件壹般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個
表面上鍍有電極，並引出引線。在壓電晶片上放置壹個
質量塊，質量塊壹般采用比較大的金屬鎢或高比重的合
金制成。然後用壹硬彈簧或螺栓，螺帽對質量塊預加載
荷，整個組件裝在壹個原基座的金屬殼體中。為了隔離
試件的任何應變傳送到壓電元件上去，避免產生假信號
輸出，所以壹般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來
制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的壹半。
測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在壹起。當傳
感器受振動力作用時，由於基座和質量塊的剛度相當
大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性
很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動，並受到與
加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有壹
正比於加速度的應變力作用在壓電晶片上。由於壓電晶
片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生交變電
荷（電壓），當加速度頻率遠低於傳感器的固有頻率
時，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的
加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到
前置放大器後就可以用普通的測量儀器測試出試件的加
速度；如果在放大器中加進適當的積分電路，就可以測
試試件的振動速度或位移。 在機器人接近覺中的應用
機器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其壹，
在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下壹步運動
做好準備工作；其二，探測機器人手和足的運動空間中
有無障礙物。如發現有障礙，則及時采取壹定措施，避
免發生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信
息。
超聲波是人耳聽見的壹種機械波，頻率在20KHZ以上。
人耳能聽到的聲音，振動頻率範圍只是20HZ－
20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲
波射線並定向傳播，機器人采用超聲傳感器的目的是用
來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。壹般用來探
測周圍環境中較大的物體，不能測量距離小於30mm的
物體。
超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和
控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：
首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈沖式的超聲
波。發射器發出壹連串超聲波後即自行關閉，停止發
射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開
始計時。當超聲波遇到物體後，就被反射回來。等到超
聲接受器收到回聲信號後，定時電路停止計時。此時定
時電路所記錄的時間，是從發射超聲波開始到收到回聲
波信號的傳播時間。
利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之
間的距離。這個換算的公式很簡單，即聲波傳播時間的
壹半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個
工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。
壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的應用。如
鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。
編輯本段發展現狀
下面介紹幾種處於發展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應
用。 細晶粒壓電陶瓷
以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成
的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微
米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可
提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機
械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電
壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒
徑有上述如此多的好處，但同時也帶來了降低壓電效應
的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統的摻雜工
藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶
瓷相當的水平。現在制作細晶粒材料的成本已可與普通
陶瓷競爭了。近年來，人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切
割研磨研究，並制作出了壹些高頻換能器、微制動器及
薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細晶粒壓電陶
瓷的優越性。隨著納米技術的發展，細晶粒壓電陶瓷材
料研究和應用開發仍是近期的熱點。 PbTiO3系壓電材
料
PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元
件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺
寸產品難的問題，人們還是在改性方面作了大量工作，
改善其燒結性。抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細
小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良
PbTiO3材料報道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得
到了廣泛應用。目前該材料的發展和應用開發仍是許多
壓電陶瓷工作者關心的課題。 壓電陶瓷-高聚物復合材
料
無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料，
兼備無機和有機壓電材料的性能，並能產生兩相都沒有
的特性。因此，可以根據需要，綜合二相材料的優點，
制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很
高，比普通壓電陶瓷更適合於水聲換能器。在其它超聲
波換能器和傳感器方面，壓電復合材料也有較大優勢。
國內學者對這個領域也頗感興趣，做了大量的工藝研
究，並在復合材料的結構和性能方面做了壹些有益的基
礎研究工作，目前正致力於壓電復合材料產品的開發。
壓電性特異的多元單晶壓電體
傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強，
從而得到了廣泛應用。但作為大應邊，高能換能材料，
傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。於是近幾年
來，人們為了研究出具有更優異壓電性的新壓電材料，
做了大量工作，現已發現並研制出了Pb(A1/3B2/
3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的d33最高
可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高
達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8），其應變>1.7%，幾
乎比壓電陶瓷應變高壹個數量級。儲能密度高達130J/
kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學
者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又壹次飛躍。
現在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的
生產工藝研究，它的批量生產的成功必將帶來壓電材料
應用的飛速發展。