壓電陶瓷換能器和壓電陶瓷材料

——-摘自2002年中國電子學會第十二屆電子元件學術年會論文集

1．壓電陶瓷的極化機理及機電轉換

壓電陶瓷換能器用陶瓷片的極化過程是壓電陶瓷片的電疇在直流電場作用下定向排列的過程。如圖（2）所示。

2．陶瓷換能器的工作原理

在壓電陶瓷換能器上施加交流電場時則產生形變，其形變的方向隨所加電場的方向而變化。所加電場所激勵壓電陶瓷換能器產生機械振動。特別是當激勵電場的頻率與壓電陶瓷換能器的幾何尺寸所決定的機械共振頻率大致相同時則引起共振，壓電陶瓷換能器的應用主要源於這種共振特性．其在共振附近的等效電路如下（圖6）：

3．換能器對壓電陶瓷材料的要求及國內外材料介紹

3．1換能器對壓電陶瓷材料的要求

適合於做換能器的壓電陶瓷材料有三大類，第一類是用於機電和電聲轉換的陶瓷材料，這些壓電陶瓷材料具有較高的機電耦合係數，在準靜態下，若沒有特寬和特窄的頻率頻寬要求，訊號的幅度屬於小到中等檔次時則可以用這類壓電陶瓷材料。這類材料內有介電常數分別為（1000—2000）和（2000—5000）兩類，介電常數較高的一類壓電陶瓷材料居里溫度和矯頑場都要比介電常數小的材料低，這樣影響了它使用的溫度和幅度範圍。第二類材料為低QIll值寬頻壓電陶瓷材料。這類材料具有低Qlll值的特點，可以製成效能特別優良的超聲換能器，在材料測試裝置和超聲分析裝置上，這些材料的介電常數有的很高，在3000左右，有的很低在300左右，這些材料的阻抗能和所需的頻率相匹配。第三類材料是大功率壓電陶瓷材料和引燃引爆壓電陶瓷材料，一般的壓電陶瓷，由於電疇的運動（滯後效應）的損耗隨電場的強度和機械應力的變大而其損耗也急劇增大，而且越來越顯著，在大功率下，陶瓷會發熱，甚至被燒燬，在大功率陶瓷中，由於加進了特殊的摻雜物，電疇運動相對穩定了，陶瓷片能在大功率下正常工作。

水聲換能器可分為發射性和接受型以及收發兼有共三種：

對於發射性換能器壓電陶瓷材料，首先要滿足大功率、高效率的要求，要求材料有高壓電常數g31，高機電耦合係數Kp和高介電常數

，另一方面要求材料有高矯頑電場Ec，機械強度好，介電損耗tan6小，機械品質因數Qm大。

對於接受型換能器壓電陶瓷材料要求靈敏度高，機電耦臺係數Kp和（介電常數）

要大，並且要有好的溫度和時間穩定性，壓電常數g31要大。

而對於超聲清洗機上使用的換能器屬於大功率換能器，在使用過程中有4種因素對換能器的損壞最大，它們是：

①絕緣破壞、②應力破壞、③熱破壞、④疲勞破壞。

因此在材料配方選擇時要考慮以下幾個方面。

①對高的電輸入功率要穩定。從材料特性來看，要求矯頑電場Ec大且機械強度高。

②電氣一超聲轉換效率高，即材料的機電耦合係數要大。

@耐熱性好，即材料的溫度係數要小，居里點要高。

④經時穩定性要好。

3．2國外各家生產陶瓷換能器公司壓電陶瓷材料

見表I，表2。

4．壓電陶瓷換能器典型應用介紹

1） 壓電開關

壓電陶瓷換能器用在各種特殊條件下做壓電開關控制各種升降機、專用精密控制儀表裝置．用1。5N的觸發後產生一個電壓脈衝，透過一個特殊線路能激勵陶瓷換能器和CMOS電路產生機電轉換。

2） 油墨印刷噴頭

換能器可用於在無噪聲的高速電信列印頭。獨立地控制13根V1RIT瓷管，利用內徑的收縮把油墨從約為20μm直徑的噴口中射出。

3） 壓電徽位移器

利用換能器的快速動作反向，用於行程高0。1mm，作用力達2MN（200Kp）的閥門，開放時間為10μs。

4） 影片觸發器

用於VCR裝置中重調影片頭位置的彎曲振動的壓電陶瓷換能器，有1μm／v以上的高靈敏度。

5） 壓電迴轉儀

它是利用與振動面（x軸），保持垂直的Y軸一面貼上壓電元件，可用於檢出z軸旋轉方向的科里奧爾力，這種壓電振動迴轉儀被應用於防止攝像機的手振，已取得實用。

6） 日本電氣工程公司利用壓電陶瓷變壓囂作成了AC-DC變換器該變換器的主要效能為：輸入電壓為80-140Vac，負載電流0。2A，可穩定輸出直流電壓為9v，最高效率達87％。根據輸入端子間反射噪聲測試結果，噪聲極小，可充分滿足VCC1級B組的允許極限值。

7）壓電陶瓷繼電器

壓電陶瓷貼合元件的位移振幅大。利用這一點，可以進行接點的開閉·如圖（12）所示，在小型繼電器範圍內，在需要用大約為電磁式繼電器所能控制的電功率的1/100為驅動功率來進行控制的情況下，由於壓電陶瓷繼電器只有直流損耗，因而能夠使正常狀態下必須的電功率大為降低。

5．2壓電陶瓷換能器發展趨勢：

（1）利用壓電陶瓷換能器產生的超聲波處理廢水及有毒水；

（2）扭縱頻率簡併超聲電機，該電機具有徑向尺寸小，輸出力矩大，可控性強的特點；

（3）防盜、測高、汽車防撞、遙控開關和機順人測距等超聲感測器：

（4）伺服位移致動器，光學應變鏡、應變光柵、超精密導向機構、切磨誤差補償致動器、油壓伺服閥等。

5．3壓電陶瓷換能器用於清洗的展望

中國科學院聲學研究所研究員林仲茂教授在其《高頻超聲精細清洗》一文中指出：微電子和計算機制造過程中的清洗物件如積體電路晶片、光掩膜、矽片、薄膜、磁碟、驅動器、讀寫頭、液晶玻璃及平面顯示器，微元件和拋光金屬件，用於醫學和宇航方向的精細零部件等。這些物件要求清洗過程中不受到任何微小的損傷，要能洗掉微米、亞微米的微小汙物。這就要用到高頻超聲精細清洗。精細高頻清洗要用的頻率為：100kHz-MHz，清洗方式有掃頻、多頻超聲清洗。原來市場銷售的超聲清洗機工作頻率為40kHz左右，該工作頻率低時（40kHz左右），則空化強度高而密度低，若用於精細清洗則易損壞清洗件。而高頻（100-MHz）清洗時，空化密度高穿達微細結構好，又易於清洗微元件，高精密零件，不致於損壞零件。所以將來研究適合於高頻超聲清洗的壓電陶瓷換能器是一個很有前途的課題。

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