是一種機械能與電能互換之現象，此現象最早被發現是在西元1880年，由法 國科學家，居里兄弟（Jacques Curie, 1855-1941；Pierre Curie, 1859-1906）發現了
壓電效應[10]（piezoelectricity）。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱性的現象時，
發現有些天然礦物晶體受到壓力因而改變體積時，在晶體的表面會產生微小的電
荷。這種現象便稱之為壓電效應，這現象形成之原因是因為材料晶格內，特殊的
原子間排列方式，使得材料具有應力場與電場耦合之效應。又在西元1881年，他
們實驗證實了這種現象也是可逆的，也就是晶體置於電場中時也會造成體積上的
變化。
此即是所謂的壓電性（piezoelectricity），是為一種機電能互相轉換之效應。
後來科學家們經過更詳細的研究後，便把材料因應力、應變的變化而造成電場的
變化稱之為「正壓電效應」。反之，材料因加入一個電場而造成應力、應變的變
化便稱之為「逆壓電效應」，而具有壓電效應的材料便統稱為「壓電材料」。
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壓電材料會有其極化的方向，有些未極化前的壓電材料，是不具壓電效應的。
因為材料內部結晶為等向性（isotropic），使得偶極矩的方向是隨機分布，互相平
衡抵銷下使得材料不具壓電性，如圖2-1（a）所示。因此就需要極化之處理，使
得晶體內原本平均分布的偶極矩依極化電場去做排列，如圖2-1（b）所示，使之
產生異向性（anisotropic）而有壓電效應。
圖2-1（a） 材料未極化前 圖2-1（b） 材料加一向上電場極化之後
且在使用上也必頇注意幾項事情。比如一般使用之壓電材料為鐵磁性材料，
當鐵磁性之壓電材料使用時功率過高而發熱時，隨著溫度一直升高，壓電性便會
逐漸減弱，一直到溫度高於居禮溫度時（如鈦酸鋇陶瓷約為130℃），便會永久喪
失其壓電性；或施加電場之方向與極性方向相反時，會造成去極化，而失去壓電
效應；或是施加的電壓值和外力過大也會造成壓電材料之毀損。
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正壓電效應（direct piezoelectric effect）
如圖2-2所示，對一壓電材料施以物理應力時，使壓電材料變形，極化強度 因偶極矩縮短而減弱，因此一部份的電荷被釋放產生一電場來抵抗這趨勢，以保
持原始狀態。此機電能轉換是為機械能轉換為電能。
V
V F
F P
V
F F
圖2-2 正壓電效應
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逆壓電效應（converse piezoelectric effect）
如圖2-3所示，對一壓電材料施加與極化方向相同之電場時，極化之強度因 偶極矩變長而增強，因此壓電材料為抵抗這趨勢而沿著電場方向伸長以保持原始
狀態。此機電能轉換是為電能轉換為機械能。
0V
V -+
P
V +
-圖2-3 逆壓電效應
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2.2.1 磁滯效應（hysteresis）
此為壓電材料的非現象之一。如圖2-4所示，當輸入之電壓訊號由 0V 升高 至某定值後，再降低回到 0V 時，可以發現電壓和位移量並沒有一線性關係，
而且不是順著同一條路徑回來，而是偏移了一個位移量∆x，這種現象便稱之為
磁滯效應（hysteresis），且此現象會隨著輸入電壓的升高而變得更加明顯。由於
鐵電材料所做成的壓電致動器，無法有效的避免磁滯效應的發生，而且磁滯效應
所造成的誤差會高達全行程的10~15％，這在利用壓電材料應用於奈米級精密定
位上是個令人相當困擾的現象。消除磁滯現象方法可以是選擇適當的壓電材料和
其合適的工作電壓，使工作電壓盡量不落在磁滯曲線區內。但一般消除此現象的
方式，大多還是利用回授控制補償方法來解決。
Voltage (V)
Displac ement ( μm )
∆x
圖2-4 磁滯效應
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2.2.2 潛變現象（creep）
此為壓電材料的非現象之一。如圖2-5所示，當輸入一固定電壓值保持不變 後，伸長量∆L理應保持不變。但是由於壓電材料內的極性持續的增加，即使電
壓保持固定，壓電材料也會隨著時間愈長而緩緩的伸長一小距離，這種現象便稱
為潛變（creep）。其伸長量∆L和時間的關係式（2.1）為：
∆ L ≒ ∆ [ 1 + γ × log (10t) ]
式（2.1）其中
γ = 壓電材料之潛變因子（creep factor）
t = 時間
Time (s)
∆ L ( μm )
0.1 1 10
50
50.1 50.6 51.1
圖2-5 潛變現象
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2.2.3 響鈴殘振（ringing）
圖2-6為響鈴殘振，此為壓電材料的非現象之一。操作在一共振頻率下，所 產生的一種無阻尼響應，此現象稱之為響鈴殘振（ringing）。在到達目標伸長量
前持續震動，隨時間增長後漸漸到達目標伸長量，欲消除此現象可用回饋控制來
解決。
Time (ms)
∆ L ( μm)
圖2-6 響鈴殘振
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