压电技术与应用.pptx

1D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw壓電技術與應用壓電技術與應用德霖技術學院機械工程系林憲陽林憲陽 2D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw講員簡介講員簡介-林憲陽林憲陽現任：德霖機械工程系專任副教授兼系主任現任：德霖機械工程系專任副教授兼系主任學歷：國立台灣大學機械工程碩士及博士學歷：國立台灣大學機械工程碩士及博士學術榮譽：學術榮譽：91年中國機械工程學會博士論文獎第一名、年中國機械工程學會博士論文獎第一名、91年中國力學學會論文競賽年中國力學學會論文競賽 第二名、第二名、92年中華民國力學學刊論文獎第二名年中華民國力學學刊論文獎第二名著作：新型專利三篇、期刊論文著作：新型專利三篇、期刊論文12篇（篇（SCI）計畫：產學計畫：產學計畫兩件、研究計畫計畫兩件、研究計畫8件（自件（自91年至今）年至今）代表德霖學院申請代表德霖學院申請92年壓電微致動器技術研發中心年壓電微致動器技術研發中心執行教育部重點特色計畫執行教育部重點特色計畫3C產品同步工程研發中心產品同步工程研發中心規劃並執行規劃並執行92年職訓局年職訓局半導體及平面顯示器半導體及平面顯示器就業專精學程、就業專精學程、93年教育部最後一年教育部最後一哩試辦計畫、哩試辦計畫、95 年產業園區人才培育計畫年產業園區人才培育計畫3D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric History Piezoelectric Effect Piezoelectric Principle Piezoelectric Materials Piezoelectric Applications 內容大綱4D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric HistoryPiezoelectric History 西元1880年，居禮兄弟（Pierre and Jacques Curie）在石英晶體及羅息鹽（Rochelle Salt）等晶體若施加機械應力，則會產生電極化現象，這種效應被稱作壓電性（Piezoelectricity）。西元1917年，Paul Langevin 發展出第一個壓電工程應用：超音波水下偵測器，用來偵測水下潛水艇，這個潛水艇偵測器主要是將一很薄的石英晶體包覆於兩片鐵板內並黏結成一體，使其通電後能發出一高頻聲響，再接收打到物體表面後回傳訊號，以來回時間判斷其距離及位置。Pierre Curie(1859-1906),Nobel Prize in Physics,1903Jacques Curie(1856-1941)Paul Langvin(1872-1946 5D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw Direct Piezoelectric Effect voltage produced between surfaces of a voltage produced between surfaces of a dielectric solid(nonconducting substance)dielectric solid(nonconducting substance)when a mechanical stress is applied to itwhen a mechanical stress is applied to it Inverse Piezoelectric Effect when an electric field is applied,the structure changes shape producing dimensional changes in the material Piezoelectric Effecthttp:/ E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric Principle(1/3)Piezoelectricity is the combined effect of the electrical behavior of the material:Where D is the electric displacement,is permittivity and E is electric field strength,and Hookes Law:Where S is strain,s is compliance and T is stress.These may be combined into so-called coupled equations,of which the strain-charge form is:7D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw正壓電效應施加應力在壓電晶體上,會產生電荷。D=Q/A=d T-+F+-+-F+-+Piezoelectric Principle(2/3)8D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw 逆壓電效應施加電壓在壓電晶體上,會 產生應變。S=d E+-+-+-Piezoelectric Principle(3/3)9D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw對壓電陶瓷(PZT)而言10D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric Materialsl石英（Quartz）l鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT、PLZT）l聚偏二氟乙烯（PVDF）l複合材料陶瓷/高分子複合材料石英是由矽和氧（二氧化矽）組合而成並具有壓電效應，當一電位加在晶片表面時，它就會產生變形或振動現象掌握這種振動現象，控制其發生頻率的快慢以及精確程度就是石英震盪器的設計與應用 壓電陶瓷（PZT）Polyvinylidene Fluoride,or PVDF 又稱為KYNAR，是一種高分子聚合物，其壓電性質非常好，常用於感測器及電池應用11D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPZT應用限制應用限制 電壓:電壓方向與極性相反時,會有去極化作用;電壓值大於崩潰電壓,壓電陶瓷會破損。功率:功率愈高壓電陶瓷會發熱,造成去極化或破損。溫度:溫度愈高,壓電性逐漸減弱,高於居禮溫度時,永久喪失壓電性。應力:應力方向與極化方向相反時,會有去極化作用;外力超過機械強度,會破損。12D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric Applications致動器（Actuator）產生器（Generator）感測器（Sensor）換能器（Transducer）變壓器（Transformer）13D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twActuatorsUnimorph將一壓電體與金屬片黏結成一體之結構Typical Applicationshousehold appliance alarms and warning signals watch alarms smoke detectors keyboards/push-button devices buzzers and speakers toys/games 14D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twActuatorsBimorph串聯式並聯式Typical Applicationsaccelerometers opening/closing valves small-volume pumping devices switching applicationscooling devices for electronics(no electromagnetic noise)15D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twActuatorsActuatorsStacked Actuator16D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw經由雙簧式壓電致動器出力使基板產生振經由雙簧式壓電致動器出力使基板產生振動從而構成一揚聲機制：動從而構成一揚聲機制：用於行動電話、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦等之發聲模組壓電式平面喇叭壓電式平面喇叭Distributed Mode Actuator(DMA)17D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw Anywhere as a SurfaceSound Speaker(restricted space,weight and power).Flexibility in manufacturing tolerance and extra design freedoms.Many times more efficient than conventional loudspeakers.18D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw DMA produces bending resonance and converts an electrical signal into a modal exciting force.Flat panel is vibrated by the DMA exciting force.This in turn produces bending waves in the panel,then generates sound to the listeners.19D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw DMA is a micro-scale electromechanical device using a piezoelectric material as an exciter of flat panel for reproducing sound.DMA comprises one or more small multilayered piezo crystal beams,connected at a common stub which forms the panel forcing point.20D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw21D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw提升電容值及作用電場降低驅動電壓提升音壓積層壓電平面喇叭積層壓電平面喇叭22D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw 較佳音質電腦之動圈式喇叭尺寸.40 x 20 x 15mm deep(12cm).相同頻率響應及音壓之壓電平面喇叭尺寸 42 x 10 x 2.5mm(1.05cm).12 Times Smaller壓電平面喇叭體積效應壓電平面喇叭體積效應23D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twDMA is 5 times lighterMICROSPEAKER 15gmsDMA 3gms重量效應重量效應24D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw筆記型電腦筆記型電腦無須出音孔無須出音孔易於薄型化易於薄型化手機手機無須出音孔無須出音孔較大螢幕較大螢幕面板面板透明喇叭透明喇叭易於薄型化易於薄型化Xbrokensmooth產品造形設計產品造形設計25D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twFrequency Response DMA vs MICROSPEAKER26D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw壓壓電電式式平面喇叭平面喇叭與與傳統線圈傳統線圈式式喇叭特性喇叭特性比比較表較表27D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twN506iV501TDMADMA應用實例應用實例28D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw其基本工作原理又為何？簡單地說，利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性，使其能產生超音波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動的機構設計，讓超音波馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。超音波馬達不受磁場干擾的影響超音波馬達有較大的保持扭矩 超音波馬達在低轉速時有較大的輸出轉矩，可直接驅動負載 超音波馬達運轉較為安靜超音波馬達有體積小、重量輕、響應快速、結構簡單超音波馬達不適合高速運轉 超音波馬達使用壽命較短 超音波馬達定速控制的設計較為複雜 超音波馬達成本較高 29D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw什麼是保持扭矩呢？即是在不輸入電壓的情形下，要讓馬達轉動所需施加的外力。一般的電磁馬達其保持扭矩較小，在切掉電源後，由於慣性力大於保持扭矩，所以馬達不會立即停止。而超音波馬達因為其摩擦驅動的原理，所以保持扭矩相當大，若在運轉時突然切掉電，馬達會立即停止，不會因慣性作用而繼續移動。利用這個特點，我們可以輕易地做到快速且精確的定位，不但可以大幅增加系統的定位性能，更可以減少系統設計時的複雜度。30D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric Motor “In(A)the motor is at rest with pre-load.When a charge is applied,the element expands across its thickness(B).When the voltage goes negative,the element retracts,leaving a gap(C).The process is repeated 130,000 times/s(D)”31D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw壓電式噴墨技術壓電式噴墨技術 壓電式噴墨技術-所謂針點式的噴墨技術，有點類似汽車引擎活塞的動力推擠，從墨水槽將墨水推出，其原理是利用石英晶體的導電性，通電後電流讓石英晶體產生固定的震盪頻率，墨水推出噴嘴。32D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.twPiezoelectric Resonant Fans for small-Scale Cooling Applications Low power requirements No bearings or wearing parts Scale versatility Light weight High structural durability Quiet/noiseless Solid state devices Produces negligible heat Operates at varying temperatures Wont affect magnetic fields Wont interfere with electromagnetic transmission Can be produced in high volume at a low per unit cost Can be optimized for various voltages,temperatures,size,applications Next generation cell phonesPDAsLaptops Video games 33D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw 空中換能器應用實例空中換能器應用實例汽車倒車雷達34D E L I N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y 2005 DLIT,All rights reserved http:/www.dlit.edu.tw簡簡 報報 結結 束束 敬敬 請請 指指 教教謝謝大家耐心觀看