大(da)多數現代(dai)設(she)備使(shi)用(yong)壓電作為(wei)其印刷電路(lu)板(ban) (PCB) 的壹(yi)個(ge)組(zu)成(cheng)部分。例(li)如，您(nin)的石英(ying)表需要壓電來(lai)調(tiao)節(jie)時(shi)間。此(ci)外，麥(mai)克(ke)風(feng)甚(shen)至(zhi)您(nin)心愛的 Siri 也(ye)需(xu)要它來(lai)進(jin)行語(yu)音識別。但(dan)是(shi)壓電是如何(he)工(gong)作的呢？所有(you)壓電材料(liao)都(dou)具(ju)有(you)獨特(te)的特(te)性(xing)。這些特(te)性(xing)使(shi)它們能夠與大(da)多數現代(dai)技術(shu)無(wu)縫(feng)集成(cheng)，以(yi)提供完美的融合(he)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們將為(wei)您(nin)提供有(you)關壓電如何(he)在(zai)日常使(shi)用(yong)中(zhong)發(fa)揮(hui)作用(yong)的完整(zheng)指南(nan)。

壓電是如何(he)工(gong)作的

壓電力(li)學(xue)插(cha)圖。 

壓電是由兩位法(fa)國科(ke)學(xue)家(jia)的兄弟雅克(ke)和(he)皮(pi)埃爾·居(ju)裏(li)創造(zao)的術語(yu)。在(zai)發(fa)現對(dui)兩個(ge)石英(ying)（或(huo)某(mou)些晶體(ti)）施(shi)加(jia)壓力(li)會產(chan)生(sheng)電荷(he)後(hou)。

Piezo 來(lai)自希(xi)臘語“ piece in ”，意(yi)思(si)是(shi)擠(ji)壓或(huo)按壓。因此(ci)，壓電意味著“擠壓電”。即壓兩個(ge)晶體(ti)產(chan)生(sheng)電能(neng)。壓電晶體(ti)有(you)助於(yu)將機(ji)械(xie)（聲能(neng)）轉(zhuan)換為(wei)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)可以(yi)解釋的電信(xin)號。 

該技術(shu)目(mu)前正(zheng)在(zai)快速(su)發(fa)展(zhan)中(zhong)。許多公司目(mu)前正(zheng)在(zai)使(shi)用(yong)這種(zhong)現象作為(wei)更(geng)先進(jin)技術(shu)的基礎(chu)。例如，新(xin)型(xing)陶瓷(ci)音頻音調(tiao)換能(neng)器(qi)是(shi)壓電技術(shu)的結(jie)晶。 

什麽(me)是壓電效應(ying)？

壓電效應(ying)圖示。  

壓電效應(ying)是將兩種(zhong)特(te)定(ding)材(cai)料擠壓在(zai)壹(yi)起(qi)以產(chan)生(sheng)電流(liu)的能力(li)。對(dui)這些材料(liao)施加(jia)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)有(you)助於(yu)在(zai)材料(liao)上(shang)產(chan)生(sheng)交替的負電(dian)荷(he)和(he)正(zheng)電荷(he)，從而產(chan)生(sheng)活躍(yue)的電場。 

然(ran)而(er)，這種(zhong)獨(du)特(te)的壓電特(te)性(xing)也(ye)是(shi)可(ke)逆(ni)的。呈現直(zhi)接(jie)壓電效應(ying)的材料(liao)也(ye)可(ke)以(yi)呈現逆(ni)壓電效應(ying)。 

逆(ni)壓電效應(ying)在(zai)許多涉及(ji)聲音的產(chan)生(sheng)、檢測(ce)和(he)分配的領域(yu)中(zhong)都(dou)有(you)幫(bang)助。此(ci)外，它還包括微量(liang)天平、點火(huo)源力(li)學(xue)、電(dian)子(zi)頻(pin)率(lv)生(sheng)成(cheng)、高壓產(chan)生(sheng)等(deng)。

直(zhi)接(jie)壓電效應(ying)

壓電和(he)逆(ni)壓電的圖示。

如前所述(shu)，擠(ji)壓壓電晶體(ti)會產(chan)生(sheng)壓電性(xing)。 

在(zai)插圖中(zhong)，當您(nin)在(zai)兩個(ge)金屬(shu)板(ban)之(zhi)間放(fang)置非導(dao)電壓電材料(liao)並將它們擠壓或(huo)壓縮在(zai)壹(yi)起(qi)時(shi)，它們會產(chan)生(sheng)電流(liu)。金屬(shu)板(ban)充(chong)當該電(dian)流(liu)的發(fa)射(she)器。 

產(chan)生(sheng)的電流(liu)會產(chan)生(sheng)電流(liu)——稱為(wei)壓電效應(ying)。

逆(ni)壓電效應(ying)

當您(nin)施加(jia)直(zhi)流電(dian)壓使(shi)壓電材料(liao)膨脹(zhang)或(huo)收(shou)縮(suo)時(shi)，就(jiu)會產(chan)生(sheng)反向(xiang)壓電。因此(ci)，這會產(chan)生(sheng)逆(ni)壓電效應(ying)——將電(dian)能(neng)轉化(hua)為(wei)機(ji)械能(neng)。

利用(yong)這種(zhong)方(fang)法(fa)有(you)助於(yu)制造(zao)產(chan)生(sheng)聲學(xue)聲音的設備(bei)，例(li)如壓電揚(yang)聲器(qi)和(he)壓電麥(mai)克(ke)風(feng)。這種(zhong)壓電設備(bei)非常(chang)實(shi)用(yong)，因為(wei)它們很薄，可以安裝(zhuang)到各(ge)種(zhong)小(xiao)家(jia)電(dian)中(zhong)。同(tong)樣，同樣的原理(li)也(ye)適(shi)用(yong)於聲納(na)換(huan)能器(qi)和(he)醫(yi)學超(chao)聲波(bo)等(deng)設備(bei)。

壓電材料(liao)

各種(zhong)天然和(he)人造材料(liao)都(dou)表現出壓電效應(ying)。當您(nin)施加(jia)壓力(li)（機(ji)械(xie)應(ying)力(li)）並(bing)施(shi)加(jia)高壓變形(xing)時(shi)，它們會產(chan)生(sheng)電。 

通(tong)常，這些材料(liao)是不導(dao)電的。這是壓電效應(ying)發(fa)生(sheng)的唯壹(yi)途(tu)徑(jing)。 

壓電材料(liao)主(zhu)要分為(wei)兩大(da)類(lei)： 

• 壓電晶體(ti)

• 壓電陶瓷(ci)

天然壓電材料(liao)的例子(zi)是(shi)柏(bai)林石(shi)、石英、羅(luo)謝(xie)爾鹽、電(dian)氣(qi)石等(deng)。人造壓電材料(liao)的例子(zi)包(bao)括鋯(gao)鈦(tai)酸(suan)鉛(qian) (PZT)、鈦(tai)酸(suan)鋇(bei)、蔗(zhe)糖(tang)和(he)鈮酸(suan)鋰(li)。 

與生(sheng)物材(cai)料相(xiang)比，人造材料(liao)更有(you)效，材(cai)料利用(yong)率更(geng)高。例(li)如，當您(nin)施加(jia)相(xiang)同的壓力(li)時(shi)，鋯(gao)鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)會產(chan)生(sheng)比石(shi)英更(geng)高的電壓，當您(nin)對(dui)這兩種(zhong)材(cai)料(liao)施(shi)加(jia)高壓電流時(shi)也(ye)是(shi)如此(ci)。

壓電材料(liao)

應(ying)用(yong)

燃(ran)氣竈燃(ran)燒器上(shang)的壓電火(huo)花(hua)發(fa)生(sheng)器燃(ran)燒器

今天，壓電換能(neng)器和(he)傳感器(qi)應(ying)用(yong)無處(chu)不在(zai)。今天市場上(shang)的每(mei)個(ge)設備(bei)中(zhong)可(ke)能都(dou)有(you)壹(yi)些壓電材料(liao)。

以東京的地鐵(tie)為(wei)例(li)。它使(shi)用(yong)該原理(li)作為(wei)替代(dai)能(neng)源。

以下(xia)是(shi)壓電原理(li)的壹(yi)些典型(xing)日常應(ying)用(yong)。

壓電傳感器(qi) 

壓電傳感器(qi)將物(wu)理(li)尺寸(cun)轉換(huan)為(wei)作用(yong)在(zai)傳感元件兩個(ge)相(xiang)對(dui)面(mian)上(shang)的力(li)。簡(jian)單(dan)來(lai)說，傳感器(qi)檢測(ce)聲音帶來(lai)的壓力(li)變化(hua)。 

它們不需(xu)要外部電壓源，並且(qie)可(ke)以(yi)通過施(shi)加(jia)的壓力(li)產(chan)生(sheng)結(jie)果。 

壓電傳感器(qi)很(hen)容易受到(dao)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)非常(chang)適(shi)合(he)用(yong)於醫(yi)療(liao)成(cheng)像(xiang)和(he)工業(ye)機(ji)器監(jian)控的超(chao)聲波(bo)換(huan)能器(qi)等(deng)高頻(pin)聲音設備(bei)。 

壓電傳感器(qi)具(ju)有(you)以下(xia)主(zhu)要特(te)點；

• 壹(yi)、強(qiang)度高、體(ti)積(ji)薄

• 二、機械強(qiang)度高

• 然(ran)後(hou)，高穩定(ding)性(xing)和(he)彈性(xing)柔(rou)順性(xing)

• 此(ci)外，寬(kuan)頻率(lv)範(fan)圍(wei)

• 此(ci)外，抗(kang)沖(chong)擊性(xing) 

• 最後(hou)，高壓輸出

高壓和(he)電源

使(shi)用(yong)壓電原理(li)的點煙器

這是壓電原理(li)最流行(xing)的實(shi)際應(ying)用(yong)。最好的例子(zi)是(shi)燃(ran)氣烤架和(he)電動打火(huo)機(ji)。此(ci)外，您(nin)只(zhi)需按下(xia)壹(yi)個(ge)按鈕(niu)，彈簧(huang)錘就(jiu)會撞擊壓電晶體(ti)。然(ran)後(hou)產(chan)生(sheng)足(zu)夠的火(huo)花(hua)，導(dao)致(zhi)電荷(he)點燃(ran)氣體(ti)。 

馬達

壓電效應(ying)的主(zhu)要優(you)點是(shi)對(dui)應(ying)於高壓應(ying)用(yong)的微小(xiao)變化(hua) - 使(shi)其非常(chang)適(shi)合(he)定(ding)位(wei)精度極高的應(ying)用(yong)。

這就(jiu)是(shi)壓電電機(ji)與傳統電磁發(fa)動機相(xiang)比具(ju)有(you)許多優(you)勢的原因(yin)。此(ci)外，盡(jin)管(guan)它們通常(chang)更(geng)小(xiao)和(he)更緊(jin)湊(cou)，但(dan)它們提供了更大(da)的力(li)和(he)扭矩。 

此(ci)外，電(dian)磁場不(bu)會影(ying)響(xiang)壓電器件(jian)的性(xing)能(neng)，這使(shi)得(de)它們更適(shi)合(he)快速(su)啟動和(he)停止(zhi)。 

壓電執(zhi)行器(qi)

壓電執(zhi)行器(qi)圖示。 

致(zhi)動器利用(yong)逆(ni)壓電效應(ying)為(wei)盲文(wen)和(he)針(zhen)織(zhi)機等(deng)設備(bei)供電。在(zai)致(zhi)動器系(xi)統(tong)內(nei)部，壓電材料(liao)位於(yu)金屬(shu)板(ban)和(he)致(zhi)動器裝(zhuang)置之(zhi)間。 

向(xiang)該系(xi)統(tong)施(shi)加(jia)高壓電流會導致(zhi)壓電材料(liao)不時(shi)地膨(peng)脹(zhang)和(he)收(shou)縮(suo)，從而使(shi)執(zhi)行器(qi)有(you)節(jie)奏地(di)移動。 

這些執(zhi)行器(qi)是有(you)益的，尤其是(shi)在(zai)需要精確(que)定(ding)位(wei)的設備(bei)中(zhong)，例(li)如衛星中(zhong)的鏡子(zi)。此(ci)外，由於(yu)其簡(jian)單(dan)的設計(ji)和(he)最少的移動部件，它們非常(chang)適(shi)用(yong)於小(xiao)型(xing)化(hua)設備(bei)，如攝像機和(he)移動電話。 

壓電的優(you)缺點

盡(jin)管(guan)贊(zan)不(bu)絕(jue)口，壓電性(xing)也(ye)有(you)壹(yi)些局限性(xing)。以(yi)下(xia)是(shi)壓電的壹(yi)些主(zhu)要優(you)點和(he)缺點。 

壓電發(fa)電(dian)機(ji) 

壓電發(fa)電(dian)機(ji)（也(ye)稱為(wei) PEG）利用(yong)壓電傳感器(qi)將機(ji)械(xie)能轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能，無(wu)需(xu)任何(he)物(wu)理(li)旋(xuan)轉——通常在(zai)傳統發(fa)電(dian)機(ji)中(zhong)找(zhao)到(dao)。因此(ci)，壓電發(fa)電(dian)機(ji)具(ju)有(you)小(xiao)巧(qiao)、緊湊且易於管(guan)理(li)的尺寸(cun)。 

在(zai)這壹(yi)代(dai)中(zhong)，壓電發(fa)電(dian)機(ji)是發(fa)電(dian)領域(yu)非常(chang)受歡迎的突(tu)破(po)。雖(sui)然尚(shang)未(wei)實(shi)現，但(dan)它們有(you)能力(li)將自(zi)供電無線(xian)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的夢(meng)想變為(wei)現實(shi)。 

要實(shi)現這個(ge)夢(meng)想，可(ke)能(neng)還(hai)有(you)很長(chang)的路(lu)要走；然而，壓電發(fa)電(dian)機(ji)已(yi)被(bei)證(zheng)明(ming)是可靠、穩定(ding)和(he)高度耐(nai)用(yong)的電源。專家(jia)認(ren)為(wei)，不(bu)久之(zhi)後(hou)壓電發(fa)電(dian)機(ji)就(jiu)能(neng)取代(dai)我(wo)們的大(da)部分電(dian)力(li)需(xu)求(qiu)。 

壓電發(fa)電(dian)機(ji)——優(you)點和(he)局限性(xing) 

好(hao)處(chu)

• 第(di)壹(yi)，尺寸(cun)多樣。由於(yu)其獨(du)特(te)的特(te)性(xing)，壓電元件具(ju)有(you)高度靈活的尺寸(cun)和(he)設計(ji)。它們可以(yi)像(xiang)您(nin)需要的那(na)樣(yang)扁(bian)平，以適(shi)合(he)任(ren)何(he)微(wei)型(xing)設備(bei)。 

其次(ci)，壓電元件收(shou)集原本(ben)會被(bei)浪(lang)費掉的能量(liang)。例如，連接(jie)到人行天橋的壓電電機(ji)收(shou)集來(lai)自步(bu)法(fa)的振(zhen)動並將其轉(zhuan)換為(wei)電(dian)能。這是壹(yi)種(zhong)替代(dai)能(neng)源和(he)減少環境(jing)噪(zao)音的方(fang)法(fa)。 

限制

• 它們的功(gong)率輸(shu)出有(you)限。壓電發(fa)電(dian)機(ji)需要不斷的振(zhen)動才能產(chan)生(sheng)恒定(ding)的功(gong)率。因(yin)此(ci)，產(chan)生(sheng)的功(gong)率與施加(jia)的應(ying)力(li)成(cheng)正(zheng)比。您(nin)可以(yi)通(tong)過將多個(ge)壓電元件堆(dui)疊在(zai)壹(yi)起(qi)來(lai)增加(jia)輸(shu)出。然而(er)，在(zai)某(mou)壹(yi)點(dian)之(zhi)後(hou)，收(shou)益(yi)遞(di)減(jian)，因為(wei)它需要更大(da)的壓力(li)來(lai)運行(xing)系(xi)統(tong)。 

結(jie)論(lun)

那(na)麽(me)，壓電是如何(he)工(gong)作的呢？綜(zong)上(shang)所述(shu)，壓電材料(liao)可以(yi)方(fang)便(bian)地(di)將機(ji)械(xie)能轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能。這些材料(liao)的獨特(te)特(te)性(xing)使(shi)其在(zai)許多技術(shu)領域(yu)非常(chang)有(you)用(yong)。尤其是(shi)需要精確(que)定(ding)位(wei)的區域(yu)。 

壓電技術(shu)的應(ying)用(yong)是無(wu)限的，有(you)很多可能(neng)性(xing)可(ke)以(yi)探(tan)索。潤(run)澤(ze)五(wu)洲(zhou)PCB等(deng)技術(shu)制造(zao)商(shang)處於(yu)將這項技術(shu)集成(cheng)到(dao)日常使(shi)用(yong)中(zhong)的前沿(yan)。