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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:
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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」。
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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。
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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).
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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圖一 工作原理示意圖
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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。
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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。
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圖一為ANSYS 模擬的各模態下之振動情形。
Mode1, 6392 Hz
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Mode2, Hz
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Mode3, 60417Hz
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Mode4, Hz
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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
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圖二 阻抗比較
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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。
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