壓電材料為一智慧型材料，可有多種大小與形狀的變化，壓電材料有許多種 類，而現今最廣泛應用的是壓電陶瓷材料，本章將簡介壓電材料的種類以及壓電 陶瓷(PZT)，何謂正逆壓電效應，並且為了解釋壓電材料的機電耦合效應，利用 壓電方程式及壓電等效電路模型來加以說明。
2.1 壓電材料
壓電材料對於環境敏感度較低，製造容易可製成多樣形狀，例如：單層、多 層、管狀、環狀、圓柱形等各種壓電晶片，壓電材料反應時間快速，因此很適合 用於機械能轉換成動能的應用，壓電材料一開始並不是人工製造出來的，原本在 地球上就有壓電礦石的存在，隨著材料科學的發展，至今已經可以藉由人工製造，
一般壓電發電材料可分成四種種類，如表2.1，單晶類(Single Crystal)，薄膜類 (Thin Film)，聚合物(Polymer)，陶瓷(Ceramic)，複合材料(Composite
Materials)。
表2.1 壓電材料分類表[17]
種類 材料
單晶 石英（水晶）、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽等 薄膜 氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)等
聚合物 聚偏二氟乙烯(PVDF)等 陶瓷 鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT)等 複合材料 PVDF-PZT 等
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2.1.1 壓電陶瓷材料
壓電陶瓷是一種可以使電能和機械能相互轉換的特殊陶瓷材料。它主要是 藉由燒結而形成的一種多晶材料，與普通的單晶壓電材料相比，有相當多的優點，
例如價格較低廉、容易加工成各種不同形狀的元件、能大量生產等，因此可以針 對各種不同的應用做客製化的製作。
壓電陶瓷是由許多粒徑在幾個微米左右的小晶粒所組成，主要成分是鉛、鈦 和鋯的氧化物，其優點為可使用不同比例的搭配來改變其壓電特性，雖然壓電陶 瓷的種類很多，但其中以鋯鈦酸鉛 (PZT) 因為具有良好的壓的活性，耐酸鹼，
可製成任何形狀，本論文也採用PZT 作為實驗的材料，通常在壓電陶瓷的實際 使用上，會搭配軟性金屬材料作為基板，或是使用於雙層壓電晶片中間的夾層，
軟性金屬可緩衝陶瓷材料容易在使用中因為勁度過大產生碎裂。
下圖為PZT 的晶體結構，其晶格為四方結構，分子式 r Ti ，四邊頂 點為各八分之一的氧(負二價)離子，在各面的面心處共有六顆二分之一的鉛(正 二價)離子，而中心點為一顆鈦離子或鋯離子。
圖 2.1 高於居禮溫度 PZT 晶體[15] 圖2.2 低於居禮溫度 PZT 晶體[15]
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正式的分子式應該包含壓電材料鈦離子跟鋯離子兩者之間的比例，例如 Pb[Zr xTi 1-x]O3 0<x<1，表示，x 為鋯離子占的百分比，1-x 為鈦離子占的百 分比，圖2.1[15]為在高於居禮溫度的 PZT 晶格，此時的離子晶格是對稱的，圖 2.2[15]為在低於居禮溫度的 PZT 晶格，此時離子晶格呈現不對稱結構，使得正 電荷中心與負電荷中心位於不同位置上，而產生電性偶極矩。
圖2.3 壓電陶瓷透過高壓電場(1)極化前 (2)極化中 (3)極化後[15]
壓電材料燒結出來後，如圖2.3[15]各 PZT 晶格都具有電偶極矩，但是方向 呈現不規則排列，此時並沒有壓電特形的存在，需再經過高壓電場的處理，即所 謂的極化處理(poling)，經過極化處理的壓電材料，其晶格都具有相同方向的電 偶極矩，才有所謂的壓電特性。
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2.1.2 壓電效應
壓電效應(Piezoelectricity) ，此現象最早是 1880 年由皮埃爾。居禮(Pierre Curie)和雅客。居禮(Jacques Curie)兩兄弟發現，居禮兄弟發現對與某些晶體施 加壓力時，它們會在材料表面產生電壓訊號，又若將這些晶體置於電場當中，它 們會壓縮而變形，而壓電材料會有壓電效應，壓電材料會有壓電效應是因晶格內 原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應
。
如上一小節所示，具有壓電性的材料其首要條件是晶體結構中存在非對稱中 心(non-centrosymmetry)，也就是說，其正電荷中心和負電荷中心並非位於同一 個位置上，使得正負電荷無法表現出中和的特性，就會有電偶極矩的存在。電荷 及應變間相互的因果關係，使得晶體在結構上存在一個可受外力作用而產生電荷 移動的帶電體，此帶電體稱為電偶極矩(electric dipole moment)。只要物體之結 晶構造存在可受外力而移動之電偶極矩，就會產生機電能量彼此轉換的現象，此 即壓電現象的根源，壓電效應分成正逆兩種，以下表格說明。
表2.2 正逆壓電效應
正壓電效應 (機械能轉電能)
當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電 材料為抵抗這變化會在材料表面產生正負電荷，以保持原狀。