壓電效應

壓電效應（英語：Piezoelectricity），是電介質材料中一種機械能與電能互換的現象。壓電效應有兩種，正壓電效應及逆壓電效應。壓電效應在聲音的產生和偵測、高電壓的生成、電頻生成、微量天平（英語：Microbalance）和光學器件的超細聚焦有着重要的運用。

當壓電效應材質的應變片，改變形狀後產生電壓（此為誇張的示意圖）

發現

1880年皮耶·居禮和雅克·居禮兄弟發現電氣石具有壓電效應。1881年，他們通過實驗驗證了逆壓電效應，並得出了正逆壓電常數。1910年，德國物理學家沃德馬·沃伊特（英語：Woldemar Voigt）發表著作《晶體物理學教科書》（Lehrbuch der Kristallphysik，Textbook on Crystal Physics）。這本書描述了20種能夠產生壓電效應的自然晶體，並且用張量分析來嚴格定義壓電常數。^[1][2]:47

兩種壓電效應

壓電效應圖解

正壓電效應

當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷，以保持原狀。這種由於形變而產生電極化的現象稱為「正壓電效應」。若欲持續產生電能，須使材料振動。^[3]

正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。

${\displaystyle P=d\sigma }$

其中，${\displaystyle P}$為晶體的極化強度，單位是${\displaystyle C/{m^{2}}}$， ${\displaystyle d}$為壓電常數，單位是${\displaystyle C/N}$，${\displaystyle \sigma }$為應力，單位是${\displaystyle N/{m^{2}}}$。

逆壓電效應

當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為「逆壓電效應」。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。

${\displaystyle S=d_{t}E}$

其中，${\displaystyle S}$為晶體的應變，${\displaystyle d_{t}}$為壓電常數，單位是${\displaystyle m/V}$，${\displaystyle E}$為電場強度向量，單位是${\displaystyle V/m}$。

兩種壓電效應的關係

可以證明，正壓電效應和逆壓電效應中的系數是相等的，且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。^[2]:48頁

電致伸縮

如果外界電場較強，那麼壓電晶體還會出現電致伸縮（英語：Electrostriction）效應，即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現象。可以用以下公式給出：

${\displaystyle S=\mu E^{2}}$

其中，${\displaystyle \mu }$為電致伸縮系數，單位是${\displaystyle m^{4}/{C^{2}}}$。

材料

壓電材料會有壓電效應是因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。根據材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電複合材料四種。根據具體的材料形態，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。^[2]:49

壓電單晶體

壓電單晶體大多數為鐵電晶體。另外還包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等晶體。這些鐵電晶體包括：

• 含氧八面體的鐵電晶體，例如鈦酸鋇晶體、具有鈮酸鋰結構的鈮酸鋰、鈮酸鉭和具有鎢青銅結構的鈮酸鍶鋇晶體。
• 含有氫鍵的鐵電晶體，例如磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、和磷酸氫鉛（及磷酸氘鉛）晶體。
• 含層狀結構的鈦酸鉍晶體等。

目前應用最廣泛的非鐵電性的石英壓電晶體、鐵電型壓電晶體鈮酸鋰和鈮酸鉭等。^[2]:49頁

壓電多晶體（壓電陶瓷）

陶瓷的壓電性質最早是在鈦酸鋇上發現的，但是由於純的鈦酸鋇陶瓷燒結難度較大，且居裏點（120℃左右）、室溫附近（5℃左右）有相變發生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。1950年左右發明的鋯鈦酸鉛（簡稱：PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。^[2]:49

壓電聚合物

早在1940年，蘇聯就曾發現木材具有壓電性。之後又相繼在苧麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發現了壓電性。1960年發現了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發現電極化後的聚偏二氟乙烯具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-穀氨酸酯和尼龍-11（英語：Nylon_11）等。^[2]:63

壓電複合材料

壓電複合材料是由兩種或多種材料複合而成的壓電材料。常見的壓電複合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環氧樹脂）的兩相複合材料。這種複合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，並具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現聲阻抗匹配。^[2]:65。此外，壓電複合材料還具有壓電常數高的特點。壓電複合材料在醫療、傳感、測量等領域有着廣泛的應用。

參考文獻

1. Woldemar Voigt, Lehrbuch der Kristallphysik （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） (Berlin, Germany: B. G. Teubner, 1910).
2. 朱建國，孫小松，李衛. 電子與光電子材料. 北京: 國防工業出版社. ISBN 978-7-118-05244-2.
3. 林蕙君、舒貽忠. 壓電振能擷取簡介 (PDF). （原始內容存檔 (PDF)於2020-09-15）. 極化過的陶瓷壓電材料受力變形時，電偶極矩的密度也會改變，在材料表面產生正負電荷，此即為正壓電效應(direct piezoelectric effect)。分佈不均的正負電荷建立了淨電場，意即有電勢能存在。若能在材料表面舖設電極提供自由電子，電勢能即可驅動這些自由電子產生電流。然而，電流產生的同時，材料表面的正負電荷也會漸漸中和，電勢能終將消失。因此，若欲持續地產生電能就必須使材料振動，反覆的拉伸與壓縮即可產生電性交錯的交流電。

相關標準

• ANSI-IEEE 176 (1987) Standard on Piezoelectricity
• IEEE 177 (1976) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators
• IEC 444 (1973) Basic method for the measurement of resonance freq & equiv series resistance of quartz crystal units by zero-phase technique in a pi-network
• IEC 302 (1969) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators Operating over the Freq Range up to 30 MHz

相關條目

• 電介質
• 陶瓷材料
• 機電耦合系數

外部連結

• 奈米纖維發電衣 走動就來電 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），載中時電子報，2008年2月15日
• （英文）Piezoelectric Ceramic （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）