1.2　基于晶體變形效應(yīng)研究簡介

基于晶體變形的三維壓電效應(yīng)研究屬晶體物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、靜電學(xué)、彈性力學(xué)和實驗力學(xué)等多學(xué)科交叉研究的前沿課題,如果說縱向、橫向、剪切等壓電效應(yīng)研究是從晶體應(yīng)力角度出發(fā),揭示了機(jī)電耦合與變換的內(nèi)在規(guī)律,那么拉壓效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、彎曲效應(yīng)研究又將從晶體變形上反映了壓電晶體的上述規(guī)律?；诰w變形壓電效應(yīng)研究將壓電效應(yīng)從二維發(fā)展到三維,從線性極化發(fā)展到非線性極化,束縛電荷從單電極提取發(fā)展到多電極復(fù)合提取……,從而在一定程度上發(fā)展了壓電學(xué)科的理論體系。

1.2.1　壓電拉壓效應(yīng)研究

為了工程應(yīng)用的需求,把拉壓效應(yīng)作為壓電效應(yīng)的一種形式進(jìn)行研究,并給出壓電拉壓效應(yīng)明確的定義。壓電拉壓效應(yīng)按產(chǎn)生機(jī)理的不同分為正、逆壓電拉壓效應(yīng)。當(dāng)壓電晶體受到拉力或壓力作用時,在壓電晶體的某些表面上有電荷的積累,稱為壓電晶體的正壓電拉壓效應(yīng);將電場加到壓電晶體上時,壓電晶體會產(chǎn)生伸縮形變,這種現(xiàn)象稱為壓電晶體的逆壓電拉壓效應(yīng)。

目前有關(guān)壓電拉壓效應(yīng)的研究較多集中在壓電力傳感器等方面,即利用壓電材料來實施力的檢測,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)壓電石英疊堆傳感器組成

大連理工大學(xué)史麗萍、孫寶元教授采用22片X0°切型(縱向伸縮型)石英晶片按機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)方式組成疊堆施加外力,其一次正壓電效應(yīng)輸入輸出關(guān)系如圖1?1所示。實驗證明,該石英疊堆一次正壓電效應(yīng)具有比較好的線性,基本沒有遲滯現(xiàn)象。

圖1?1　壓電石英疊堆正壓電效應(yīng)

(2)壓電石英疊堆執(zhí)行器組成

1980年西門子公司就已經(jīng)將壓電石英作為執(zhí)行器用于噴射系統(tǒng)中,1996年開始批量生產(chǎn)壓電石英作為執(zhí)行器的共軌系統(tǒng)。由于壓電石英晶格變形非常小,為了保證壓電執(zhí)行器能夠提供所必要的行程,必須將盡可能多的壓電石英薄層燒結(jié)成一個立方整體。在實際中為噴油器所采用的壓電執(zhí)行器長度為30mm,是由300多層石英組成的,其每層厚度只有80μm,如圖1?2所示。

圖1?2　多層壓電執(zhí)行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對比電磁閥式的共軌噴射系統(tǒng),壓電執(zhí)行器首先有反應(yīng)速度快的特點。作為機(jī)電式的單元組件,壓電執(zhí)行器如同一個多層的石英陶瓷聚合裝置,或更確切地說,就是一個能量存儲器,其能量在電壓的作用下,馬上會釋放出來。由于壓電石英晶格的變形速度在0.1ms內(nèi),它比目前所有能利用的物理方法都要快,具有明顯應(yīng)用優(yōu)點。

1.2.2　壓電彎曲效應(yīng)研究

從上百年的發(fā)展中可以看到,盡管石英晶體是最早的壓電材料,但石英晶體器件的性能仍在不斷地改善,并呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢。例如:石英晶體的穩(wěn)定性每五六年就可以提高一個數(shù)量級。但是,壓電效應(yīng)的研究并未終結(jié),科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工程上的需要是其持續(xù)發(fā)展的動力。目前國內(nèi)外工程學(xué)術(shù)界關(guān)于壓電晶體彎曲效應(yīng)的定義和概念尚未明確提出,是因為壓電晶體在彎矩作用下而產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)是拉伸力和壓縮力共同作用的復(fù)合結(jié)果,所以往往把壓電晶體彎曲效應(yīng)歸結(jié)為拉壓效應(yīng)的復(fù)合效應(yīng)。但由于晶體內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力具有對坐標(biāo)的線性性質(zhì),因而本書把彎曲效應(yīng)作為壓電效應(yīng)的一種形式進(jìn)行研究,并給出壓電彎曲效應(yīng)明確的定義,壓電彎曲效應(yīng)按產(chǎn)生機(jī)理的不同分為正、逆壓電彎曲效應(yīng)。當(dāng)壓電晶體受到彎矩作用時,在壓電晶體的某些表面上有電荷的積累,稱為壓電晶體的正壓電彎曲效應(yīng);將電場加到壓電晶體上時,壓電晶體會產(chǎn)生彎曲形變,這種現(xiàn)象稱為壓電晶體的逆壓電彎曲效應(yīng)。壓電晶體彎曲效應(yīng)的研究較多集中在壓電彎曲振動的應(yīng)用上,即利用壓電材料來實施彎曲運動。主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)研究壓電晶體的彎曲振動

最具有代表性的研究者有瑞典Uppsala大學(xué)的Jan S?derkvist,研究了不同的驅(qū)動電極配置所導(dǎo)致的石英晶體的彎曲振動情況及所產(chǎn)生的相應(yīng)電荷分布。日本東京大學(xué)的Hiroshi Toshiyoshi等人提出一種手風(fēng)琴式的石英斬光器,如圖1?3所示,目的是把它應(yīng)用在微光學(xué)中來改變光纖中的光路。

圖1?3　石英斬光器懸臂上電極布置的電鏡照片

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的榮偉彬等人研制出壓電陶瓷管驅(qū)動的三自由度微操作手結(jié)構(gòu),如圖1?4所示。它由兩段壓電陶瓷管器件組成,共三個直線運動自由度,其中上面的一段為Z軸,下面的一段為X和Y軸。當(dāng)在Z軸壓電陶瓷管器件的內(nèi)外管壁上施加電壓時,它將沿軸向伸縮,從而實現(xiàn)Z軸的微動。將X和Y軸壓電陶瓷管的外表面的電極按90°間隔平均分割成4份,當(dāng)在相對的兩個電極上施加大小相等、方向相反的電壓時,壓電陶瓷管將在該方向上產(chǎn)生彎曲變形,從而產(chǎn)生X、Y兩個方向上的微動。這三項研究啟發(fā)了利用壓電晶體彎曲效應(yīng)研制微型雕刻裝置——壓電雕刻筆式執(zhí)行器的研究思路。

圖1?4　微操作手的結(jié)構(gòu)

(2)壓電彎曲效應(yīng)的理論研究

美國波士頓大學(xué)的Jan G.Smits等人研究了壓電雙晶片的本構(gòu)方程,推導(dǎo)出壓電雙晶片在各種機(jī)械邊界條件下的特性方程。西安交通大學(xué)的王志宏等人用類似的方法研究了單體壓電片狀執(zhí)行器端部致動位移和驅(qū)動電壓之間的關(guān)系。這兩項研究為研究石英晶體基本切型的逆向壓電彎曲效應(yīng)提供了參考。

利用石英晶體彎曲效應(yīng)研制的壓電石英諧振器已廣泛地應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、頻率標(biāo)準(zhǔn)、自動控制等各個領(lǐng)域。此外,像管道機(jī)器人、硬盤中應(yīng)用的壓電復(fù)合磁頭懸浮臂、原子力顯微鏡中掃描探針的微懸臂等都是利用壓電晶體的彎曲效應(yīng)研制的。

1.2.3　壓電扭轉(zhuǎn)效應(yīng)研究

盡管石英晶體是最早的壓電材料,石英晶體的壓電模量雖然不是很大,但機(jī)械強度、穩(wěn)定性都很好,用水熱法又可以容易地培養(yǎng)出大尺寸優(yōu)質(zhì)的單晶,加之其特殊切型的零溫度系數(shù)等特性,使這一古老壓電晶體長盛不衰,不斷有新的應(yīng)用,成為最廣泛應(yīng)用的一種功能晶體。目前仍然得到廣泛的研究,如高新技術(shù)對人造石英晶體的品質(zhì)要求日益嚴(yán)格,需要高純度、高Q值、低位錯及腐蝕隧道密度小的晶體來適應(yīng)高頻化、小型化、片式化元器件的需要。

目前有關(guān)壓電扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究較多集中在壓電復(fù)合材料組成、扭轉(zhuǎn)換能器與超聲馬達(dá)等方面,即利用壓電材料來實施扭轉(zhuǎn)運動,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)壓電扭轉(zhuǎn)復(fù)合材料的組成

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所在早期1?3型壓電復(fù)合材料靜態(tài)、動態(tài)特性及應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上,開展了2?2型壓電復(fù)合材料,見圖1?5。

圖1?5　2?2型壓電復(fù)合材料橫波換能器

他們將直角坐標(biāo)系下的普通2?2型壓電復(fù)合材料按照極化方向沿圓周方向一致排列,組成一種可以模擬圓柱2?2型的壓電復(fù)合材料,并用這種壓電材料制作了產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動的橫波換能器,同時對換能器產(chǎn)生的聲波波形進(jìn)行了分析等。

(2)壓電扭轉(zhuǎn)換能器的研制

陜西師范大學(xué)應(yīng)用聲學(xué)研究所孫國武等對矩形扭轉(zhuǎn)壓電換能器進(jìn)行了研究,他們用多片(一般為偶數(shù))矩形壓電片在平面內(nèi)拼接成單層振子,每個壓電片內(nèi)可產(chǎn)生切向極化,從而在外部呈現(xiàn)出純扭振動,并對它的頻率特性從理論上進(jìn)行推導(dǎo),用實驗加以驗證。該研究所的林書玉等對夾心式壓電超聲扭轉(zhuǎn)振動換能器進(jìn)行設(shè)計與開發(fā),這是利用沿切向極化帶孔的壓電陶瓷圓片的方法,推出了換能器共振頻率方程,并對有關(guān)影響扭振頻率的因素進(jìn)行定量分析。但是,這種切向極化壓電陶瓷圓片的工藝目前在國內(nèi)尚不完善,有待進(jìn)一步提高。圖1?6為扭轉(zhuǎn)換能器的核心模塊。

圖1?6　扭轉(zhuǎn)換能器原理圖

(3)壓電石英晶體扭轉(zhuǎn)振動的研究

最具有代表性的研究者是瑞典Upplasa大學(xué)的Jan S?derkvist和日本的Hirofumi Kawashima等人,他們研究了不同的驅(qū)動電極配置下所導(dǎo)致的石英晶體的扭轉(zhuǎn)振動情況,并對相應(yīng)產(chǎn)生的電荷密度和電場進(jìn)行了研究,最終研制成功了角速率傳感器,如圖1?7所示。

圖1?7　音叉角速率傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

(4)壓電扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器的研究

日本Tokin公司采用特殊電極,制作出了一種簡單可靠的壓電致動器,去掉了普通壓電陶瓷致動器需要的旋轉(zhuǎn)變換機(jī)構(gòu)。該致動器主要特點是在壓電陶瓷圓筒表面上涂覆交變曲折電極,這種電極與陶瓷圓筒中心線傾斜成45°,利用它進(jìn)行極化和控制陶瓷圓筒扭轉(zhuǎn)運動。這種致動器已應(yīng)用在X?Y工作臺上進(jìn)行微位移調(diào)節(jié)、控制微小的轉(zhuǎn)角和用于激光反射鏡的微角度調(diào)節(jié)上。此外,日本的布田良明也在中空壓電陶瓷圓柱體外周面上布置傾斜45°的叉指電極,即在外徑60mm、長25mm的壓電致動器上形成導(dǎo)體寬度和間隙比為0.3的叉指電極,用±1200V電壓可獲得±350μrad的扭轉(zhuǎn)角度。

如圖1?8所示為A.E.Glazounov等人利用放大的剪切效應(yīng)制造的管形扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器的原理,圖1?8(a)表示一片壓電陶瓷片的極化與變形情況,外電場E垂直于壓電陶瓷片極化方向,所以在外加電場的作用下能產(chǎn)生沿圓周切向的變形。圖1?8(b)即為偶數(shù)個這樣的壓電陶瓷片黏在一起組成的管形執(zhí)行器,當(dāng)它們被施加如圖中所示電場時會產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的圓周扭轉(zhuǎn)位移。

圖1?8　基于剪切效應(yīng)扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器的原理

(5)壓電扭轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)的研究

圖1?9為O.Ohnishi等人研究成功的定子與轉(zhuǎn)子式壓電扭轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)。該馬達(dá)主要由兩種類型的壓電陶瓷片組成,上層是由20層壓電陶瓷疊堆組成,每層壓電片都是厚度極化,從而整個上層壓電陶瓷片能實現(xiàn)縱向振動;下層由8層壓電陶瓷疊堆組成,每個壓電片是切向極化,能實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動。該壓電扭轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)的工作原理是:首先在下層壓電陶瓷疊堆中施加交變電場產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動,由于摩擦,轉(zhuǎn)子被帶動后會沿軸轉(zhuǎn)動,這時上層壓電陶瓷疊堆產(chǎn)生軸向振動,對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向沖擊力,將使轉(zhuǎn)子脫離定子而自由轉(zhuǎn)動,由于重力作用,轉(zhuǎn)子會下落與定子重新接觸,從而周而復(fù)始實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)運動。

圖1?9　壓電扭轉(zhuǎn)超聲馬達(dá)的結(jié)構(gòu)圖