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声波滤波器基础——神奇的压电效应

射频学堂 2021-04-27 15:33 发文

大家好,我是RF小木匠

我们在之前的文章中介绍了一些关于声波滤波器的知识,从什么是声波,到声表面波,再到声表面波滤波器的结构,当然这里面也介绍了一些体声波滤波器。当然都是泛泛之谈,我们期望从器件的根源着手,详细去分析讲解。当然这里面也遗漏了一个重要的原理:压电效应和压电陶瓷,这个就是电磁波怎么变成为声波的原理。今天我们尝试着去解开压电效应的奥秘。

压电效应有个比较拗口的英文名字:Piezoelectric(paɪ,izoɪ'lektrɪk),这个单词我现在还不会读。还好国人给了它一个形象的名字:压电,这里面包含了压力和电,这也就形象的描述了这个特性,受到压力产生电流,如下图所示:

也足以看到中国文字的博大精深,什么Piezo,源自希腊又怎么样,你要标标准准的来自英国就应该叫做:Press-electric,这不就明白了吗?简而言之:压电效应就是当晶体受到挤压时会产生电流,反过来,当向晶体施加电流时,晶体形状也会发生变化。

神奇不?这么神奇的东西哪里有呢?其实压电晶体就在我们的身边,我们日常用的石英表,扬声器、麦克风都含有压电晶体,还有一个就是我们生活中最常用的电子打火机,就用到了压电晶体。

你可能会有所怀疑,这么神奇的东西居然这么普遍?是的,打火机的工作原理是什么呢?请看下图:你手一按,产生压力,然后压电晶体产生电流,在开路处产生电火花,打火机就打着了。

小时候,肯定有不少男生拿着这个欺负小女生。被这个电一下确实蛮疼的。

我们简单了解了压电效应之后,那么压电晶体到底是个什么玩意呢?顾名思义,压电晶体,就是具有压电效应的晶体。这里要从晶体的构造说起。规则晶体由通过键结合在一起的原子的组织和重复结构定义,这称为晶胞。大多数晶体(例如铁)具有对称的晶胞,这使其无法用于压电目的。如下图所示:

但是压电晶体却比较特殊,它的晶胞是不对称的。但是它仍然可以以电中性平衡存在。但是呢,当你在晶体表面施加压力时,晶体结构变形,原子就会互相推挤,就可以产生电流,这就完成了机械力到电的转变。当你对压电晶体施加电流时,晶体就会膨胀和收缩,就可以实现电流到机械能的转变。

这种压电材料有很多种,我们在电子设计中最常用的是石英晶体,还有一些天然的压电材料包括蔗糖,罗谢尔盐,黄玉,电气石,甚至骨骼。


但是天然材料很多应用比较受限,所以人们有制造了很多人造压电材料,比如PZT由锆钛酸铅制成,在相同的机械压力下可以产生比石英更高的电压,下图就是在超声波中使用的PTZ压电材料。

钛酸钡是一种陶瓷压电材料,在第二次世界大战期间被发现,并以其持久的耐用性而闻名。

铌酸锂是将氧,锂和lithium结合在一起的陶瓷材料,其性能与钛酸钡相似。

正因为有了这些压电材料,我们才能将压电效应发挥的极致,制做扬声器、麦克风。

当然还有医院的B超。

当然也构成各种声波滤波器的物理基础

今天就到这里了。欢迎大家留言讨论。

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