你见过这样的电路板吗？——压电陶瓷电路板

   

压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。它在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。由压电陶瓷构成的超高精度、低能耗、控制简便的驱动器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用。

压电效应的原理可分为正压电效应和逆压电效应：

瓷片压缩，极化强度变小，释放部分吸附自由电荷，出现放电现象。外力撤除，瓷片回复原状，极化强度变大，吸附一些自由电荷，出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象，称为正压电效应。

 

正压电效应示意图

反之，在瓷片上施加与极化方向相同电场。极化强度增大，瓷片发生伸长或者缩短形变。这种由电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应。

 

逆压电效应示意图

而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。正是因为这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。目前应用最广泛的压电陶瓷材料是以锆钛酸铅(PZT)为基，通过用B位离子M92+、Nb5+、Ta5+进行单独或复合取代，形成ABO3结构的复合钙钛矿型的固溶体类陶瓷材料。

 

国内对压电陶瓷材料的研究开始于五十年代末期，比国外晚了十年左右。经过几十年的努力，我国的压电陶瓷有了很大发展。21世纪初叶，低温压电陶瓷的改进对于压电陶瓷广泛用于电子技术领域起了巨大的推动作用。然而，由于压电陶瓷硬度高、脆性大、难于加工。因此结构复杂的压电陶瓷体的制造一直是一大难题。清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室GuoDongt利用凝胶注模成型(gelcasting)制备PZT压电陶瓷，解决了压电陶瓷制备中亟待解决的问题。同时低温烧结压电陶瓷也抑制了烧结渗银过程中银离子向陶瓷内部进行扩散。我们知道，陶瓷属于绝缘介质，只有经过极化后的陶瓷才有压电性。但是陶瓷不能象金属那样被直接极化，必须先被金属化。

 

压电陶瓷是绝缘体，必须在陶瓷元件工作部位的表面上涂覆一层具有高导电率、结合牢固的金属作为电极(一般为银电极)。电极的作用有两方面：一是在强绝缘体表面附着的金属电极承受高压电场，以利于充分极化；二是在陶瓷元件表面聚集电荷和传递电荷。斯利通专注于各种新型陶瓷材料的金属化领域，通过大量的研发和试验，最终研究出一种新型薄膜生产工艺取代传统披银工艺，既节省了成本（用金属铜层取代银层），同时具备直接制作导通线路图形的能力。压电陶瓷在覆铜前需要保证表面光洁度，不能有油污类污染，需用特殊药水对其表面进行清洁，不可采用常规碱性溶液处理表面脏污。镀膜时瓷片需要平铺在炉体底部，偏压调试到合适值，以免产生击裂。钛层控制在200NM左右，铜层控制在300UM左右，镀膜之后需要立即进行一次铜，将表面疏松的铜层保护起来，如需制作出条状铜线路，需要进行线路转移，制作出相应的线路层后进行二次镀铜。完成后使用药水将表面干膜层去除掉，这里不可以使用碱性溶液，因为瓷片一般是单面敷铜，背面浸泡在碱性溶液过久会溶解或更加脆化，以致于粉碎。去除掉干膜后，表面使用纯水清洗干净，吸干水分烘干即可得到成品。

 近年来，PZT压电陶瓷在以下方面得到了广泛的应用：

高位移新型压电致动器

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自从发明压电致动器特别是多层压电致动器以来，其应用日益扩大，特别是精密定位方面。现在多层压电致动器在国外已经大量地应用于汽车的燃料注入系统和悬置系统。

压电变压器压电变压器

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从50年代就己开始研制，但是直到90年代才进入商品化，获得成功的应用。压电陶瓷变压器体积小，质量轻，可以做成扁平形状，它实际上没有电磁噪声，只产生有限的热，而转换效率高达95％，所以90年代随着薄形电源以及高频(大于2 MHz)开关电源对压电变压器迫切要求，对压电变压器的研制又重新活跃起来。现在己研制成多层压电变压器，最大功率已超过50 W，并且己大量地应用在笔记本式计算机液晶显示器的背光电源以及复印机和传真机的高压电源。

用于主动减震和降噪的压电器件

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许多机械结构往往会发生振动，由此又常常会引发噪声，对运动结构的减振降噪控制(如运行的机械、潜艇壳体、航空航天飞行器以及舱内)，具有重要的意义。特别是大型精密的航空航天的挠性结构，一般质量轻，阻尼小，一旦发生振动，其衰减过程十分缓慢；长期如此便会影响到结构运行的精度，甚至会引发结构疲劳、失稳等现象，因此对挠性结构的减振研究是十分必要的。传统的被动减振降噪方法是通过增加质量、阻尼、刚度、或者是通过结构的重新设计而改变系统的特性。压电材料自身具有的正反压电效应，使其成为挠性结构主动分布控制中检测器与执行器的理想材料。

医用微型压电陶瓷传感器

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美国密苏里一罗拉大学陶瓷工程系的W．Huebner教授研制出一种微型电压陶瓷传感器，它比人的头发还要细小，可以将它用来帮助医生探测病人的心脏附近，如冠状动脉，具有潜在致命危险的胆固醇的累积情况，使用时，将这种十分细小的传感器插入动脉血管并通过微细光缆输送到心脏部位，用来诊断有生命危险的胆固醇堵塞部位的位置和厚度，为在血管内采用激光外科手术将其清除铺平道路。

 

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审核编辑 黄宇