第二章、 掃描式穿隧電流顯微鏡介紹
2.2 壓電效應介紹與應用
壓電效應為材料中機械能與電能互換的一種現象，此現象是在西元一八八零 年由居禮兄弟發現的。他們發現了兩種現象，當一些自然非對稱晶體受壓的時候，
它會因應其壓力的大小而電極化，產生電場；其二是同一塊晶體在電場下會變形。
這兩種特性被稱為順壓電效應(或正壓電效應)及逆壓電效應(或負壓電效應)，而 且實際上是線性和依賴方向的效應。如圖 2.3 所示，在電極化方向上施加壓力及 拉力會產生電場，同時亦產生電壓。而這個現象是可逆的，即是說沿著電極化方 向施加電場時，該材料會根據電場的方向膨脹或收縮。這兩種壓電效應主要應用 在感應器或發送器，及傳動裝置或引擎上。就是這雙功能特性，壓電體可以應用 在換能器上，互換電能及機械能上。
圖 2.3 正逆壓電效應示意圖
利用逆電壓效應的壓電元件將電壓或電荷轉換為力和移動，稱為壓電致動器 (piezo actuators or piezo motors)。一般可分為單層致動器(single layer motors)、
雙層致動器(2.layer motors)、多層致動器(multi.layer motors)等三類[3]。
單層致動器，當外加一與極化方向相同的電場時，在縱向方向會為了抵抗外 加電場而伸長，這縱向伸長的特性稱作縱向致動器(longitudinal (d33) motor)如圖 2.4。而同時在帄行極化方向的也會收縮，以維持整體體積不變，這個特性稱為 橫向致動器(transverse (d31) motor) 如圖 2.5，由於外加一偏壓會在與極化方向水 帄和鉛直的方向產生形變可用縱向和橫向致動器組合來描述，所以又稱做縱向與
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橫向致動器(longitudinal and transverse motor)。
圖 2.4 縱向致動器[3] 圖 2.5 橫向致動器[3]
其中帄行極化方向伸展量可以用
係數描述，
T Vd 33
，如圖 2.6。而垂直極 化方向的伸縮量則用描述，
L W Vd 31
L W T
，如圖 2.7，其中 V 為施加於致 動器的電壓。圖 2.6
係數[3]
圖 2.7
係數[3]
雙層致動器，雙層指有兩個壓電層，根據壓電層組裝方式和接線方式的不同，
可以實現彎曲、伸展、旋轉等動作。通常在兩個壓電層之間會夾一層薄鐵片，目 的是希望增加機械強度，缺點是會減少可原本可活動的範圍。
伸展致動器(extension motors)，兩個壓電層是一起伸縮其動作和單層致動器 很類似。當施加電場時，元件會變薄並往水帄方向延展，如圖 2.8。典型的伸展 量大約是數十微米(um)，產生的力大小約在十到一百牛頓之間。
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圖 2.8 伸展致動器[3]
彎曲致動器(bending motor)，當兩個壓電層其中一層伸展而另外一層收縮，
便可達成彎曲的動作，常被稱為 bender、bimorphs、flexural elements。圖 2.9 為 常用的結構。典型的伸展量大約是數百到數千微米(um)，產生的力大小約在十到 一百牛頓之間。
圖 2.9 彎曲致動器[3]
多層致動器(multi.layer motor)，將數個壓電層ㄧ層層疊起，增加整體壓電效 應變化的體積並提升傳遞到負載的能量的一種組合方式，又稱為堆疊致動器 (stack motor)。圖 2.10 為常見的堆疊致動器。
圖 2.10 推疊致動器[3]