3.3　压电材料

一些离子型晶体（如石英、钛酸钡）存在压电效应的性质。压电效应分正压电效应和逆压电效应。正压电效应如图3-3（a）所示，在压电材料一定方向上施加外力使其发生变形时，会引起它内部正负电荷的转移而产生电极化，电极化的方向随应力的方向而改变，从而使其两个相对表面出现符号相反的束缚电荷Q。当外力消失时，晶体又恢复不带电的原始状态。逆压电效应（或称电致伸缩）如图3-3（b）所示，若对压电材料施加电场作用时，会引起材料内部正负电荷中心的相对位移，导致材料变形，应变大小与电场成正比，应变的方向与电场方向有关，即电场反向时应变也改变方向。正压电效应可用于制作微传感器来感知外界机械能，而压电微执行器则利用压电材料的逆压电效应实现驱动。

图3-3　压电效应示意图

压电材料可以大块使用也可以小块分散使用。压电器件可做得很小很薄，且组合灵活，既可以作为驱动器，又可作为传感器。作驱动器时，它的激励功率小，响应速度较快，是形状记忆合金的一万倍。

压电材料除了石英晶体外，还有压电陶瓷、压电高分子材料和压电半导体等。由于陶瓷材料的化学惰性、机械稳定性、热传导特性和热膨胀特性，使其成为微机电系统的主要基板材料，如氧化铝陶瓷。用于致动器和传感器元件的压电陶瓷，具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外，它对结构的动力学特性的影响很小，并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动，可具有较强的驱动能力和控制作用。由于压电陶瓷具有的微小位移且精度高这一突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，是压电驱动器的理想材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BT）、锆钛酸铅（BZT）、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅（PN）、铌酸铅钡锂（PBLN）、改性钛酸铅（PT）等。压电陶瓷的极限应变小，不能作为结构材料。

在微机电系统应用中，薄膜状态的压电材料对于开发微传感器和微驱动器甚为关键。小型化和同硅的集成化趋势导致了对压电材料薄膜的性能和制备的日益重视。