【Maker電子學】壓電蜂鳴器的原理與應用 — 特別篇

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作者:Bird

我們上次提過,將機械能轉換爲電荷的「正壓電效應」也同時存在於壓電蜂鳴器上;也就是說,如果你對壓電蜂鳴器施加力量,它會產生電荷,而在上面產生讓你可以測量到的電壓。

理論上它確實可以將震動轉換爲電訊號,但壓電蜂鳴器本身的結構並不適合將「聲音」轉換爲電訊號,其中一個主要的原因是,壓電蜂鳴器的機械結構導致它的頻寬很窄,也就是它對不同頻率的電訊號響應出來的機械訊號強度會有很大的差距。

以我們上一回看的一個範例來說,PKM22EPPH4007-B0 這顆壓電蜂鳴器在 4 KHz 左右的最佳共振頻率的效率最好,用 1.5 Vpp 的方波訊號,可以在 10 cm 處測得將近 95 dB 的音壓,但是如果驅動頻率只有 2 KHz 時,在同樣的驅動條件下,音壓卻只有 60 dB,中間差了超過 30 dB。

(圖片來源:Bird 提供)

雖然上圖是將電壓轉換爲機械震動的逆壓電效應,但同樣的現象也發生在將機械震動轉換爲電壓訊號的正壓電效應上;如果要用這樣的裝置來做聲電轉換,下場就是失真,因此壓電蜂鳴器雖然可以拿來當麥克風,卻不是一個好的麥克風。

除了用來偵測聲音訊號,壓電蜂鳴器其實也可以拿來偵測更低頻的機械訊號,而且效果還不差。如果你拿一個壓電蜂鳴器,直接用示波器去夾它的兩極,再用手去敲一下蜂鳴器,你可以在示波器上看到一個類似這樣的訊號:

(圖片來源:Bird 提供)

這個訊號相對來說不算小,用指尖輕輕敲 20 mm 的壓電蜂鳴器,大概都可以得到 3-4 Vpp 左右的訊號,如果用更大的力量敲,訊號的電壓會更高,甚至可以高到數十伏特、上百伏特都有可能。

對,這就是正壓電效應在低頻時的特性,它對低頻訊號的轉換效率相當高。

如果你家的瓦斯爐是不用裝電池的那種傳統瓦斯爐,每次點火時要將旋鈕轉到底然後聽到它「啪」一聲,它裡面就是利用壓電效應產生的電壓來點火。當你轉動旋鈕時,旋鈕的機構會去壓縮一個彈簧,彈簧上有一個擊鎚,當旋鈕轉到底時,被壓縮的彈簧會被釋放,擊鎚利用彈簧上累積的能量去撞擊一塊壓電材料,壓電材料被撞擊時,上面會產生大量的電荷,藉由導線引導到爐心的點火針,在點火針上產生電弧,點燃瓦斯。

點火針的尖端形狀會讓電場在針尖最強大,更容易迫使空氣被電離而發生放電,但即使是這樣,在 1-2 mm 的放電間隙下,也大概需要 1000 V 以上的電壓才能誘發尖端放電;也就是說,就這麼敲一下壓電晶體,它就可以產生超過 1000 V 以上的電壓。

不過點火用的壓電元件有特別設計過,它們通常是多層堆疊的壓電材料,藉由串聯的方式在同一次的機械敲擊下產生很高的電壓,至於壓電蜂鳴器這種單層的壓電材料,在不破壞它的前提下(別忘了,壓電晶體本身是一種燒結過的陶瓷,對它太殘暴它還是會破裂的),大概可以產生 30-40 V 左右的電壓,這已經是一個非常、非常、非常大的訊號了。

除了對低頻訊號的轉換效率很好之外,壓電材料的正壓電效應還有另一個有趣的特性:它只對「變動」的機械訊號有反映;也就是說,如果你對它施加一個恆定的力量,它不會輸出電壓訊號,只有在力量變化的時候,才會有電壓訊號。

這個現象來自於壓電效應的本質。壓電材料之所以會是壓電材料,是因爲它內部的電荷分部是不均勻的,精確地來說,材料的內部有電荷的偶極矩,這種電荷分佈不均勻的現象,可能是材料本身的特性,也可以用人爲加工的方式來產生或是增強。像我們提過,壓電蜂鳴器最廣爲使用鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷,就是在製造過程中,利用人爲施加強大電場的方法將它極化,進而成爲優良的壓電材料。

當壓電材料被外部機械力壓縮或拉伸時,因爲內部電荷偶極矩的分佈被改變,材料本身爲了平衡,會在表面產生電荷,這就是我們看到的正壓電效應,但電荷產生之後,內部的電場分佈會逐漸達到平衡,因此表面電荷會逐漸消散,不會一直存在。

由於壓電元件的輸出是電荷,而一般我們測量訊號都以電壓爲測量的依據,因此我們需要一個將電荷量轉換爲電壓的電路,才能正確地測亮壓電元件的輸出。

這個電路叫做「電荷放大器」 (charge amplifier):

(圖片來源:Bird 提供)

其實電荷放大器也可以解釋成電流對電壓的轉換器,因爲電流就是單位時間內流過的電荷量,而由於電荷是具有累積性的,如果我們直接將電荷積分轉換成電壓,輸出電壓就會一直上升,直到達到放大電路的 VDD 後飽和就再也不動了,因此我們除了用電路積分單位時間內的電荷量之外,還需要一條路徑去泄放這些被積分的電荷。

上圖電路中的 C1 就是用來積分電荷、將電荷量轉換爲電壓的電容器。用電容器將電荷轉換爲電壓的公式是:

V = Q / C

因此我們看得出來,C 越小的話,轉換出來的電壓就會越大。

而與 C1 並聯的 R1 則是用來泄放 C1 上的電荷,它會影響整個系統的頻率響應。如果 R1 很大,C1 上的電荷泄放很慢,整個系統的響應就會偏向低頻;如果 R1 相對比較小,C1 上的電荷泄放較快,整個系統的響應頻率就會偏高。

設計電荷放大器時,一般的原則是,先根據壓電元件的電容量以及所需要的感度決定 C1,再根據所需要的頻率響應和 C1 來決定 R1。

最後,這個電路還缺了一件事:保護。我們前面說過,壓電元件在受到很大的力量時,可以產生很高的電壓,以 20mm 的壓電蜂鳴器來說,在不破壞它零件本身的前提下,可以產生高達 30-40V 的電壓輸出,這個電壓訊號足以破壞電路中的半導體元件。

因此我們需要一個保護電路來確保壓電元件的輸出不會超過後面電荷放大器可以容忍的範圍:

(圖片來源:Bird 提供)

電路中的 D1 叫做鉗位二極體(clamp diode),它由兩個對接的 TVS diode 組成,當兩端的電壓超過二極體的規格時,這個二極體就會導通,將能量吸收掉。假設我們希望輸入電荷放大器的電壓不要超過 10 V,就要選擇鉗位電壓 10 V 的二極體,這樣才能保證不管壓電元件產生的電壓多高,都不會破壞後面的電路。

選擇鉗位二極體還要考慮它能吸收的功率,但一般來說壓電元件只是產生的電壓高,總能量卻很低,因此一般規格的鉗位二極體大概都適用。

小結

我們花了三期的篇幅,介紹了壓電元件的原理、壓電蜂鳴器的使用方法、驅動電路,也特別介紹了一個非典型的應用情境:將壓電蜂鳴器或其它壓電元件拿來當作感測器使用。其實這些簡單的元件,背後都有許多值得探究的原理及應用,希望讀者在看完這次的文章後,能對壓電蜂鳴器有一些新的認識。

(責任編輯:賴佩萱)

Liang Bird
Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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