壓電陶瓷材料之應用

壓電陶瓷材料之應用 壓電陶瓷按照應用分類共分爲七大類： 一、 壓電振盪及材料 二、 壓電聲電元件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 三、 壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測 四、 資訊處理元件：濾波器、諧振器、檢波器、監頻器、表面聲波、延遲線 五、 動力裝置：點火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達、壓電變壓器 六、 壓電感測器：速度、加速度計、角速度計、微位移器 七、 光電元件：光調節器、光調節閥、光電顯示、光資訊儲存、影象儲存和顯示 目前市場容量最大的元件是頻率元件，主要包括濾波器和諧振器。

壓電陶瓷備製的工藝流程 配料均勻混合（紅色） 振磨（中小批量），球磨（大量） 過濾烘乾預燒（950-850度範圍內産生；黃色）細磨成形(幹壓，加粘合劑) 排膠成燒（1200度左右） 研磨清洗厚度分選表面金屬化（被銀：鍍銀） 極化（加電壓） 印電極切割焊接包封固化測試

壓電式蜂鳴器 壓電蜂鳴片是將高壓極壓化後的壓電陶瓷片黏貼於振動金屬片上。當加入交流電壓後,會因為壓電效應,而產生機械變形伸展及收縮，利用此特性使金屬片振動而發出聲響。以回授方式來做區分壓電蜂鳴片大致上分為回授式蜂鳴片(自激式)與無回授式蜂鳴片(外激式)兩種。當回授式蜂鳴片搭配正回授振盪電路會產生一個與共振腔頻率相同的單音；而無回授式蜂鳴片則可以搭配外部振盪電路,選擇任意頻率發出聲音。

壓電式蜂鳴器 壓電蜂鳴片的固定方式: a.週邊支持方式-將蜂鳴片外徑邊緣固定於共振腔內，一般採無回授式蜂鳴片,而其蜂鳴片須與共振腔頻率搭配,才會有較高的音壓輸出,並由外部振盪電路產生推動信號,使蜂鳴器發出聲音. b.節點支持方式-將蜂鳴片固定於約與陶瓷片直徑同尺寸的環形結構內。若共振腔設計得宜,並搭配頻率正確的回授式蜂鳴片與正回授電路,將可產生較大音壓及正確的頻率。 以上兩種方式都需以矽膠粘合蜂鳴片於機構中。

壓電陶瓷濾波器 概述： 　　近二十年來，壓電陶瓷濾波器技術的發展甚爲迅速，在電子産品中的應用也日趨廣泛。因它具有體積小，重量輕，價格低廉，可靠性高等優點而倍受重視。特別是它體積小的特點更適合於電路積體化的要求。　　 最初的壓電陶瓷濾波器是由單片或兩片組成的二端及三端器件，接著出現的是高選擇性的多節濾波器。它幾乎被應用於所有的ＡＭ／ＦＭ收音機中，隨著術的發展，在無線電蜂窩系統、通訊系統和電視等産業中被普通應用。

壓電陶瓷濾波器 陶瓷濾波器的壓電理論 陶瓷濾波器對頻率的選擇性源來自壓電陶瓷的壓電性及由此而引起的機電性能，適用於陶瓷濾波器的有關壓電技術的理論分析是非常困難的。由圖所示的等效電路圖代表了一個典型的二端濾波器，多節陶瓷濾波器等效電路, 就是將這些最基本的構造單元。通過一定的連接方式而組成的，在圖所示的線路中,諧振頻率fr和反諧振頻率fa由以下公式計算:

壓電陶瓷濾波器 將多個基本的兩端濾波器按一定方式連接後，通過濾波器振盪機電耦合係數的調整，就可以得到你想要的帶寬。如圖(1)、（2）所示。 圖(1) 圖(2)

壓電陶瓷諧振器 概述： 壓電陶瓷諧振器是近年來引人注目的一種壓電器件，它被應用於許多頻率控制電路中，非常成功地替代了昂貴且易碎的石英晶體諧振器，使産品的成本下降，體積減小，並使可靠性得到了保障。由於其諧振頻率和外形尺寸有較廣的選擇範圍，故陶瓷諧振器可以滿足控制系統的特殊要求。隨著數位積體電路技術的快速發展，單晶片微處理機不僅在工業自動控制方面，而且在電視機、洗衣機、空調機等家用電器控制方面也獲得了越來越廣泛的應用，作爲單晶片微處理機振蕩電路中的振蕩元件，高穩定，小外形尺寸的陶瓷諧振器作爲首選。壓電陶瓷諧振器遠被廣泛應用於汽車電子裝置、電腦、電話、印刷、照相機、音頻合成、通訊設備和玩具等許多方面，可以預期將來的應用領域會更爲廣闊。  

壓電陶瓷諧振器 各種諧振器的特點

壓 電 陶 瓷 換 能 片 壓電材料的一個重要應用領域就是超音波換能器，即用于超音波的產生和接收。超音波科學的技術發展與壓電效應的發現、壓電材料科學的進展密不可分。至今大部分超音波換能器都已用壓電材料制造。壓電換能器種類繁多，不同的應用目的，對換能器有不同的要求：用于超音波加工、超音波焊接、超音波清洗、超音波處理及長距離超音波測距的換能器，要求能產生大的音波功率，有高的轉換效率；用于超音波無損檢測、超音波診斷、超音波成像的換能器，則需要有高靈敏度、寬頻帶、窄脈衝特性。因此，也要選用性能不同的壓電材料，採用不同的換能器結構。 超 音波 清 洗 換 能 片 超 音波 焊 接 換 能 片 潔 牙 機 用 換 能 片 美 容 及 按 摩 用 換 能 片

壓電陶瓷驅動器 由於壓電陶瓷具有把電能轉變爲機械能的能力，因此當應用系統通電給壓電陶瓷時，使材料的自發偶極矩發生變化，從而使材料的尺寸發生改變，這種效應能産生200-300的微應變，據報道，88層的壓電陶瓷片做成的驅動器可在20ms內産生50μm的位移，回應速度之快是其他材料所無法比擬的，是高精度、高速驅動器所必須的材料，已應用在各種跟蹤系統、自適應光學系統、機器人微定位器、磁頭、噴墨印表機和揚聲器等。

噴墨列印技術之主要運作原理分為兩類(見圖一)﹕熱泡式(Thermal bubble)及壓電式(Piezoelectric)。熱泡式乃利用加熱器將墨水瞬間氣化，產生高壓氣泡推動墨水由噴嘴射出(見圖二)﹔此型由於製造成本低，業己由HP及CANON成功地商業化，產生世界上非常大的噴墨印表機市埸﹔但由於其高溫氣化之運作原理使得適用液體(主要是水)之選擇性低，因而應用之領域有限。 圖一 噴墨頭之分類 圖二: 熱泡式噴墨頭

壓電式噴墨頭係利用壓電陶磁因施加電壓產生形變，擠壓液體產生高壓而將液體噴出﹔如圖所示，一個代表性之壓電式噴墨頭(彎曲型)，係由一壓電陶磁片(piezoceramic)、振膜(diaphragm)、壓力艙(pressure chamber)、入口管道(inlet & manifold)及噴嘴(orifice)所組成。當壓電陶磁片承受控制電路所施加的電壓，產生收縮變形，但受到振膜的牽制，因而形成側向彎曲擠壓壓力艙之液體。在噴嘴處之液體因承受內外壓力差而加速運動，形成速度漸增的突出液面。其後雖然作用於壓電陶磁片之電壓於適當時間釋放，液體壓力下降，噴嘴處液滴仍因慣性緣故，克服表面張力之牽絆而脫離。典型之300DPI噴墨印表頭之噴嘴直徑約50μm，一次噴出液滴量約為100pl(1pl = litter)，速度約為10m/sec。為了達到這麼高的噴出速度(動壓約為0.5大氣壓)，並克服液體之粘滯性及表面張力，壓力艙內液體所承受之壓力平均約為3大氣壓。 代表性之彎曲型壓電式噴墨頭

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 壓電陶瓷變壓器是20世紀50年代開始研製，並於70年代發展起來的新型電子變壓器，早期使用鈦酸鋇材料，轉換效率很低，實用價值不大，隨著鋯鈦酸鉛等高壓電常數，高KP和高QM壓電陶瓷材料的出現，壓電陶瓷變壓器的研製才取得了顯著的進展，與傳統的繞線變壓器相比，壓電陶瓷變壓器具有體積小，重量輕，耐高溫，耐輻射，高可靠，使用時不會擊穿，而且不産生電磁干擾等功能。壓電陶瓷變壓器也具有電壓變換，阻抗變換和電流變換等功能，壓電陶瓷變壓器由於結構簡單，易於批量生産。目前Rosen型升壓變壓器已經形成了産品，如靜電影印機，高壓電源，負離子發生器，警用電擊器，液晶顯示背景光源，小功率鐳射管電源等均已採用，現已能生産空載升壓比大於9500，輸出功率大於100W的壓電陶瓷變壓器。另外，近10年來壓電陶瓷變流器也得到了迅速發展，並在筆記本電腦中成功應用。然而，由於壓電陶瓷變壓器涉及到電學，聲學，機械學等學科，壓電變壓器的設計，製作和應用等方面均存在問題，還需要進一步研究，壓電陶瓷變壓器目前只能少量代替，而不能完全代替電磁變壓器。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 壓電變壓器的種類及工作原理 壓電陶瓷變壓器種類較多，如常用的升壓壓電陶瓷變壓器：輸入壓電片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能，從而在壓電片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出。壓電陶瓷變壓器實際上是一種壓電陶瓷振子。振子的振動方向分爲：沿長度方向或沿直徑方向的伸縮振動，彎曲振動和剪切振動三種。壓電陶瓷變壓器可以其中任意一種振動形式進行工作，所以壓電陶瓷變壓器的種類很多。如：橫-縱向型及縱向型變壓器。所謂橫-縱向型變壓器是指變壓器的驅動部分和發電部分的極化方向垂直。縱向型變壓器的驅動部分的極化方向和發電部分的計劃成本方向平行。一般縱向型變壓器的開路升壓比僅在幾十倍範圍，而橫-縱向型變壓器的升壓比可達數百倍。圓片組成的壓電變壓器爲兩個半徑不同的圓瓷片粘合而成，小圓片沿厚度方向極化，大圓片沿徑向極化，這種形式的變壓器輸出電流大。環狀壓電陶瓷變壓器的特點是：其諧振頻率低，而且輸出電流小。長條陶瓷片振動有一種將驅動部分設計在陶瓷片中間，發電部分在兩端，可以根據需要，調節其發電部分的長度，在兩端可得到不同的電壓輸出。所謂彎曲振動的變壓器，它們均由兩塊壓電陶瓷片粘合而成；在變壓器的驅動部分，兩片的極化相同；發電部分，是兩片沿厚度方向極化。這種彎曲振動的變壓器工作頻率較低。還有厚度剪切型變壓器。這種變壓器的諧振頻率與厚度成反比，與長度無關；因此，諧振頻率都較高。因爲厚度切變機電耦合係數高，所以升壓高，輸出功率大。在實際應用中使用最多的是橫-縱向型變壓器，因爲它製造方便，升壓比高。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 壓電陶瓷變壓器是利用壓電陶瓷作爲振動能量的傳遞，使輸入和輸出兩端間的電壓發生變化的元件。自1957年C.A.羅森發表這種元件以來，繼而又有很多報導，但基本上仍保持著在同一塊壓電陶瓷材料上改變極化方向而構成。輸入部分和輸出部分各自給定相當於1/2波長（或1/4波長）的長度，以使在整個長度上産生一個波長（或1/2波長）的振動.在這種情況下的輸出電壓和輸入電壓之比，即升壓比Υ。壓電陶瓷變壓器用的材料應變該具有高的機電耦合係數，特別是橫向機電耦合係數和縱向機電耦合係數要高變壓器在進行機電能量轉換的過程中，由於本身的發熱損耗會導致傳輸效率下降，因此要求材料熱穩定性好，也要求表徵材料諧振時損耗大小的機械品質因數Qm要適當高些。實驗證明，Qm值在500至1000範圍較爲適當。此外，要求材料有好的頻率溫度穩定性和時間穩定性，以保證變壓器在變化的環境溫度和長期使用過程中，性能穩定。變壓器與濾波器的振子不同，它在工作時即要承受大的輸入電信號，又要在諧振時産生大的應變。因此，所使用的材料，即要能避免因機械疲勞引起材料壓電常數劣化，又要能耐較高的交流和有足夠的機械強度。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 國內外有不少很有價值的壓電陶瓷配方，這裏舉幾例： 用於製作壓電陶瓷變壓器的PMMN四元系材料的基本組成是： 式中A=0.059, B=0.066, C=0.459, D=0.416, 該組成可摻加適量的CeO2進行改性，並且用Sr部分取代Pb，使材料的溫度特性得到改善。可用混合氧化物的工藝製備PMMN四元系壓電陶瓷和100×25×3.6(mm2)尺寸的壓電陶瓷變壓器片。壓電變壓器的無負載交變電壓升壓率爲780，其全波諧振頻率爲30.58KHz。PMMN四元系壓電陶瓷材料呈現出大的機械品質因數（3500），大的機電耦合係數。這些優越的特徵有助於製作具有高電壓率的大功率輸出變壓器。此外，材料的基本參數也可通過改變PMMN材料的組成比容易控制。通過加雜其他材料和部分取代Pb能夠改善溫度特性。因此有必要添加適量的CeO2和用Sr部分取代Pb。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 材料組成爲： 日本東陶機器株式會社提供製作小型，大功率壓電陶瓷變壓器的材料及其特性如下： 式中A=0.05～0.13,B=0.07～0.13,C=0.362～0.415,D=0.407～0.453,爲獲得大輸出功率密度，推薦組成範圍爲：A=0.05～0.12,B=0.07～0.12,C=0.367～0.412,D=0.412～0.453, 得到的輸出功率密度爲4.8W/cm3.爲進一步提高其輸出功率密度，確定組成比爲：A=0.06～0.12,B=0.08～0.11,C=0.372～0.407,D=0.412～0.448,其輸出功率密度可大於5.5W/cm3。另一組推薦組成爲：A=0.07～0.11,B=0.08～0.1,C=0.377～0.402,D=0.417～0.443,其輸出功率密度大於5.8W/cm3。 材料配製以常規工藝進行，預燒溫度爲900℃,3hr,燒結溫度爲1100～1350℃,45分鐘。將燒結體研磨製成圓片，試樣厚度爲1mm，變壓器元件尺寸爲28×7.5×2mm，所測得性能結果爲：介電常數800～1400，tgδ0.34～1.28,Kp0.17～0.56,Qm700～2260,功率密度2.4W/cm3～6.2W/cm3。     利用本方法製作的材料，可得到大輸出功率密度，尤其適於製作小型，大輸出功率密度的壓電變壓器，適於用作冷陰極管點燈的驅動電源。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 材料組成爲: 日本東陶機器株式會社提供製作壓電陶瓷變壓器的另一組材料及其特性如下： 材料組成爲: 式中,A爲Ba或Sr，a=0.1～0.14,（除O外），b+c+d+e=1,在上述主成分內，另外添加0～1.0wt%MnO2作爲副成分，另一種材料組成（Pb1-aBaxSra-x）[(ZnbTic(Mg1/3Nb2/3)d(Zn1/3Nb2/3)e)O3,式中，a=0～0.14（除0外），b+c+d+e=1,在上述主成分內，另外添加0～1%的MnO2作爲副成分，本材料組成中，Pb置換量應位於0.05～0.1範圍內，副成分MnO2添加量應位於0.25～1%範圍內。材料配製以常規工藝進行，預燒溫度爲900℃,3hr,燒結溫度爲1100～1300℃,45分鐘。極化是置於100℃矽油中，加上2kv/mm直流電壓30分鐘。隨後，經室溫恢復24小時後，進行老化處理。性能的結果爲：介電常數1120～2780，tgδ0.3～2.2,Kp0.31～0.63,Qm196～1630。  綜上所述，利用本方法材料與過去材料（無置換，或用La置換）相比，具有下列優點。(1)Kp 等壓電特性好，（2）變壓器輸出特性高；（3）輸出電壓高的組成範圍寬，對組成控制要求不嚴；（4）燒成溫度低，適於在較低溫度下燒成，可抑制Pb 的揮發，防止材料組成的改變。

壓電陶瓷變壓器及壓電陶瓷材料 結論: 壓電變壓器是利用機電能量的二次變換在諧振頻率上獲得升壓輸出，壓電陶瓷高壓發生器除利用上述壓電陶瓷振蕩中的二次機電能量轉換和阻抗變換獲得高電壓外，還可以直接利用正壓電效應産生高電壓，如長2cm,直徑0.5cm，沿軸向極化的壓電陶瓷圓柱當受到40kgf壓力作用時，産生的電壓可達100kv以上，這種獲得高電壓的方法可湧於引燃引爆裝置，如汽車火花塞，壓電點火器等；在軍事上可用於引爆裝置，如炮彈和手榴彈的壓電雷管，因引爆短，可大大提高引爆可靠性，此外，還可用作紅外夜視儀和手提X光機中的高壓電源等。壓電變壓器今後將向高功率，高效率，高可靠性的方向發展，所以必須做好以下工作：（1）對各種成分的壓電陶瓷的高功率特性進行研究；（2）建立完整的壓電變壓器設計方法；（3）建立疊層壓電變壓器電特性估計的方法；（4）研究壓電變壓器的驅動方法（由恒定電流驅動而穩定工作以及完全無電感的變壓器）；（5）建立壓電變壓器特性的精確測定方法。通過上述工作，壓電變壓器的應用範圍必將得到進一步拓展。近幾年，隨著多層壓電陶瓷變壓器和壓電變流器，多層壓電變流器，高次振動模式驅動的壓電變流器，盒式壓電變流器問世，壓電陶瓷變壓器的應用將越來越廣。