班級:四自控四甲 組員:劉毓平 賴成洲 學號:49612026 49612069 壓電介紹 班級:四自控四甲 組員:劉毓平 賴成洲 學號:49612026 49612069

壓電歷史 電氣石(tourmaline，來自梵文的 turamali，意思為「混合寶石」)的化學式 為NaR3Al6[Si6O18](BO3)3(OH)4，在珠 寶行業中被譯名為碧璽，其常在同一晶體 上顯現多種顏色，是其主要特色。 相傳在西元1703年，荷蘭的阿姆斯特丹有 幾個小孩玩著荷蘭航海者帶回的石頭，發 現這些石頭除了在陽光底下出現的奇異色 彩外，更驚訝這些石頭有一種能吸引或排 斥輕物體如灰塵或草屑的力量，因此，荷 蘭人把他叫做「吸灰石」。

電氣石由於具有熱電性(溫度變化使得晶 體的兩端產生不同電性的電荷)及壓電性 (當施應力於晶體時，亦可感應出荷)， 容易因靜電效應而帶電，因而名。 十七世紀時巴西向歐洲輸出深綠色的長 柱狀碧璽，稱為「巴西祖母綠」；但是 它有一項祖母綠沒有的特質：熱電性 質。十八世紀以前，人們把電氣石與祖 母綠相混，事實上兩者是不一樣的東 西。

壓電效應 壓電效應(piexoelectrics)是材料中一種 機械能與電能互換的現象 ,此現象最早 是1880年由Pierre Curie  和Jacques Curie 兄弟發現 .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 料有應立場與電場偶合的效應 .壓電效 應有兩種 ,正壓電效應 (directpiezoelectric effect)及逆壓電效 應 .(converes piezoelectric effect).

正壓電效應 (Direct Piezoelectric Effect) Pierre Curie ＆ Jacgues Curie(居里兄弟)在1880年發現對電氣石施加機械應力，可在電氣石表面得到電荷，如下圖。此效應稱之為正壓電效應。

逆壓電效應 (Converse Piezoelectric Effect) 居里兄弟利用李普曼(M.G.Lippmann)的熱力學理論證實了壓電性的逆效應存在，即外加電壓於電氣石，則電氣石產生機械變形，如下圖所示。

壓電應用 在居里兄弟發現壓電性後的幾十年，壓電效應沒有受到任何重視，連居里兄弟本身也是拿來測量鐳元素所輻射出的電荷而已。到了第一次世界大戰，盟軍軍艦受到德國潛艇的攻擊大量受損，因為電磁波無法有效穿透海水而聲波容易在海裡傳播， 因此法國科學家朗哲文(Langevin)利用石英和鋼材作為聲波產生器。可惜等有了好結果，大戰已經接近尾聲而來不及用上了。其構造如圖所示，其原理為：石英兩面各貼一片鋼片，外加電脈波訊號，則經換能器轉換成生波傳至海底，經過一段時間後，換能器能接收由海底反射之回波，由來回時間以及波在海中行進的速度，可決定換能器到目標物的距離。

最早被使用的壓(鐵)電陶瓷 MIT的Von Hippel以及蘇俄的科學家Vul以及Goldman分別發現BaTiO3陶瓷材料。

性能優越的壓電陶瓷(PZT) Jaffe等人發現鋯鈦酸鉛(PZT)固溶 液材料所具有的優良壓電特性後， PZT即被廣泛的應用在各種壓電裝 置， PZT = PbTiO3＋PbZrO3

壓電聚合物(PVDF) Kawai發現聚偏氟乙烯薄膜製程的 駐極體具有優良的壓電性後，聚合 物駐極體的研究和應用迅速發展起 來

壓電蜂鳴器之振動分析 一、摘要 壓電蜂鳴器主要是由壓電圓盤、共振電路與諧 振腔體(塑膠殼類似音箱功能)所組成，因為壓 電圓盤為壓電蜂鳴器的主要材料，所以內容主 要是針對壓電圓盤的一些基本特性做一些研究 探討。簡單介紹了壓電本購方程式與文獻回顧。因為壓電陶瓷具有機電轉換特性，故利 用它製成的產品種類相當的多，所以在生活中 應用的範圍很廣，舉凡一般的消費性電子產品 (如手機、數位相機、微波爐、洗衣機等)，鬧 鐘及玩具， 辦公室設備(如影印機、收銀機 等)，汽車配備(如警報器等)，保全設備等都會 應用到。

在不同的情況下所使用的蜂鳴器當然就不同， 其頻率的高低、蜂鳴器震動的方式、聲音大小 也有所差異，還有位移、應力、應變、模態之 震動情形及阻抗的分析都是我們所要去研究， 並以簡諧分析模擬出阻抗並與阻抗分析儀所量 測的數值做相關比較。

二、緣由與目的 今天，我們都知道，壓電晶體可用來作為聲波的 產生器與接收器，無論在軍事上（如聲納）、工 業上、工程上都具有廣泛的用途，技術也趨至成 熟，而盤形壓電片的研究價值極高，因為這種一 體成型的結構是藉由電極塗佈及不同的驅動電 壓、工作頻率的輸入與輸出之形式來表達之元 件，研發或製作出新型之壓電產品其相關特性不 亞於Rsen 型的壓電片，相對來說目前運用的壓 電片中新興的運動形式，若持續開發在高科技產 業上的應用，盤形壓電片所製產品之產值與需求 將會相當驚人。

以目前市場上應用壓電材料特性製成各 種形式之產品與應用裝置，將會是進入 光機電與奈米科技中最具有發展潛力的 績優股之ㄧ，所以在未來可以往專利技 術的領域中發展，希望做出具有其指標 性品。

三、工作原理與結構分析 工作原理由於外部振盪電路產生一推動信號，使壓電圓盤產生一壓電效應，而此壓電效應也就是逆壓電效應(電能轉為機械能)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 ,會沿電場方向伸長如圖所示。

圖一 工作原理示意圖

而壓電蜂鳴器主要是由壓電陶瓷片、金屬片、 共振箱、諧振電路等構成， 周邊支持方式是 將蜂鳴片外徑邊緣固定於共振腔內，如圖二 示，而其蜂鳴片須與共振腔頻率搭配才會有較 高的聲音輸出，並由外部振盪電路產生推動信 號使蜂鳴器發出聲音。

四、模態與阻抗分析 本文的研究思考方向，為採用結構及製程均較為較簡單之圓盤形壓電片進行研究，由分析軟體與實驗的量測，以了解壓電片的相關位移、應力、應變、阻抗以及模態振動情形等重要性，使我們可以更加了解壓電片的特性，相對來說是幫助開發新產品應用時所需了解其特性之重要過程。 而我們運用有限元素ANSYS 來模擬分析，應先了解壓電材料之極化方向與邊界條件等，經由數學推導以及分析求得此條件下的共振模態頻率，而我們所需要的壓電材料之共振為橫向運動，因此在分析模態後必須尋找橫向振動之模型振態，再以ANSYS 模擬分析圓盤形壓電材料之相關特性，藉以求得相關的自然頻率、振動情形、位移與阻抗等性質。

圖一為ANSYS 模擬的各模態下之振動情形。 Mode1, 6392 Hz

Mode2, 27133 Hz

Mode3, 60417Hz

Mode4, 185058 Hz

我們使用阻抗分析儀量測壓電蜂鳴 器中的壓電圓盤，而根據實驗的結 果與模擬數據分析結果比較，我們 可以發現有限元素ANSYS 分析與 量測的結果非常的相似如圖二

圖二 阻抗比較

五、結論 對本研究之分析而言，以適當的電極面分析， 證明高階振動模態可被激起，而模態的高低取 決於振動的頻率。且利用三維有限元素法適用 於預先計算圓盤型壓電片的特性，可發現避免 耦合模態和厚度模態一起。因此，這研究幫助 了解壓電材料於圓盤型壓電片的實際特性，也 發現模擬分析可以作為創新開發壓電產品為最 重要的根據，當然最終目的為節省不必要的開 發成本，已達到最高速求。