壓電晶體與壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用

1、壓電晶體與壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用摘 要：壓電晶體與壓電陶瓷作為典型的功能材料，具有能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間互相轉(zhuǎn)換的工作特性，在電子材料領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。本文從壓電效應(yīng)入手，闡述了壓電晶體與壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)原理以及性能特點(diǎn)。針對(duì)壓電晶體與壓電陶瓷在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用情況，綜述了其近年來(lái)的研究進(jìn)展，并系統(tǒng)介紹了其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：壓電晶體 壓電陶瓷 壓電效應(yīng) 結(jié)構(gòu) 性能 應(yīng)用 發(fā)展引言1880年皮埃爾居里和雅克居里兄弟在研究熱電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱(chēng)性的時(shí)候，在石英晶體上最先發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。1881年，居里兄弟用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了壓電晶體在外加電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形變。1894年，德國(guó)物理學(xué)

2、家沃德馬沃伊特，推論出只有無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的20中點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。1石英是壓電晶體的代表，利用石英的壓電效應(yīng)可以制成振蕩器和濾波器等頻率控制元件。在第一次世界大戰(zhàn)中，居里的繼承人朗之萬(wàn)，為了探測(cè)德國(guó)的潛水艇，用石英制成了水下超聲探測(cè)器，從而揭開(kāi)了壓電應(yīng)用史的光輝篇章。除了石英晶體外，酒石酸鉀鈉、BaTiO3陶瓷也付諸應(yīng)用。1947年美國(guó)的羅伯特在BaTiO3陶瓷上加高壓進(jìn)行極化處理，獲得了壓電陶瓷的壓電性。隨后，美國(guó)和日本都積極開(kāi)展應(yīng)用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、音頻換能器、壓力傳感器等計(jì)測(cè)器件以及濾波器和諧振器等壓電器件的研究，這種廣泛的應(yīng)用研究進(jìn)行到上世紀(jì)50年代中期。19

3、55年美國(guó)的B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了比BaTiO3的壓電性?xún)?yōu)越的PbZrO3-PbTiO3二元系壓電陶瓷，即PZT壓電陶瓷，大大加快了應(yīng)用壓電陶瓷的速度，使壓電的應(yīng)用出現(xiàn)了一個(gè)嶄新的局面。BaTiO3時(shí)代難以實(shí)用化的一些應(yīng)用，特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器以及機(jī)械濾波器等，隨著PZT壓電陶瓷的出現(xiàn)而迅速地實(shí)用化了。采用壓電材料的SAW濾波器、延遲線(xiàn)和振蕩器等SAW器件，上世紀(jì)70年代末也已實(shí)用化。上世紀(jì)70年代初引起人們注意的有機(jī)聚合物壓電材料（PVDF），現(xiàn)在也已基本成熟，并已達(dá)到了生產(chǎn)規(guī)模。如今,隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大以及制備技術(shù)的提升,更多高性能的環(huán)保型壓電材料也正在研究中。一、壓電晶體與壓電陶

4、瓷的結(jié)構(gòu)及原理壓電效應(yīng)包含正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，當(dāng)某些電介質(zhì)在一定方向上受到外力的作用而發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，并且受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，而當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的機(jī)械變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而逆壓電效應(yīng)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。1.1壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對(duì)稱(chēng)性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生

5、形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。反之，壓電材料在電場(chǎng)中發(fā)生極化時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。對(duì)于壓電（單）晶體，其本身就具有壓電性。以石英為例，當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，硅離子和氧 離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如上圖a示。這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓縮，如上圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。

6、這一現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如上圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上， 即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反?？傊?，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時(shí)，在與X軸垂直的 面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 圖1.石英的壓電效應(yīng)原理而對(duì)于壓電陶瓷而言，在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電性；經(jīng)過(guò)極化處理后，它的壓電性非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，

7、為石英晶體的幾百倍。在極化前，每個(gè)單晶形成一個(gè)單個(gè)的電疇，無(wú)數(shù)個(gè)單晶電疇無(wú)規(guī)則排列，知識(shí)原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。要使其具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列。極化電場(chǎng)取出后趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。 圖2.壓電陶瓷的極化1.2正壓電效應(yīng)當(dāng)對(duì)壓電材料施以物理壓力時(shí)，材料體 內(nèi)之電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。P = d 其中，P為晶

8、體的電極化率，單位是C/m2，d為壓電常數(shù)，單位是C/N，為應(yīng)力，單位是N/m2。 1.3逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)（電壓），因電場(chǎng)作用時(shí)電偶極矩會(huì)被拉長(zhǎng)，壓電材料為抵抗變化，會(huì)沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)。這種通過(guò)電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過(guò)程稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。S = dt E其中，S為晶體的楊氏模量，dt為壓電常數(shù)，單位是m/V，E為電場(chǎng)強(qiáng)度適量，單位是V/m?？梢宰C明，正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。2 如果外界電場(chǎng)較強(qiáng)，那么壓晶體管還會(huì)出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（electrostriction effect

9、），即材料應(yīng)變與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o出：S=E2其中，為電致伸縮系數(shù)，單位是m4/C2。二、壓電晶體與壓電陶瓷的性能特性壓電晶體包含壓電單晶體和壓電多晶體，其中壓電單晶體常被簡(jiǎn)稱(chēng)為壓電晶體，而壓電多晶體則常被稱(chēng)為壓電陶瓷，除此之外，壓電材料還包括壓電聚合物和壓電復(fù)合材料。2.1壓電單晶體壓電單晶體大多數(shù)為鐵晶體管。另外還包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等晶體。這些鐵電晶體包括：（1）含氧八面體的鐵晶體管，例如鈦酸鋇晶體、具有鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰、鈮酸鉭和具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鋇晶體。（2）含有氫鍵的鐵晶體管，例如磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、和磷酸氫鉛（及磷酸氘鉛）晶體。（

10、3）含層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍晶體等。目前應(yīng)用最廣泛的為非鐵電性的石英壓晶體管、鐵電壓晶體管鈮酸鋰和鈮酸鉭等。2 壓電單晶體的優(yōu)點(diǎn)是其的Q值高，即頻帶窄，同時(shí)介電常數(shù)和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，因此適合做工作溫度范圍很寬的傳感器；壓電當(dāng)晶體的缺點(diǎn)是其的制造工藝難度較大，價(jià)格昂貴。2.2壓電多晶體（壓電陶瓷）陶瓷的壓電性質(zhì)最早是在鈦酸鋇上發(fā)現(xiàn)的，但是由于純的鈦酸鋇陶瓷燒結(jié)難度較大，且居里點(diǎn)（120左右）、室溫附近（5左右）有相變發(fā)生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。1950年左右發(fā)明的PbZrO3-PbTiO3（簡(jiǎn)稱(chēng)：PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。3壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是其抗酸堿，機(jī)電耦合系數(shù)高

11、，容易制成任意形狀，價(jià)格變異；壓電陶瓷的缺點(diǎn)是其溫度系數(shù)大，存在一定的遲滯、蠕變及非線(xiàn)性，需要高壓極化處理。同時(shí)，按照壓電陶瓷中成分的種類(lèi)多少可分為一元系至多元系壓電陶瓷，其性能相差巨大，不再贅述。2.3壓電聚合物早在1940年，蘇聯(lián)就曾發(fā)現(xiàn)木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動(dòng)物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1960年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強(qiáng)的壓電性。具有較強(qiáng)壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。42.4壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常

12、見(jiàn)的壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹(shù)脂）的兩相復(fù)合材料。這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長(zhǎng)處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。5此外，壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。三、壓電晶體與壓電陶瓷的應(yīng)用發(fā)展3.1壓電晶體與壓電陶瓷的應(yīng)用由于壓電晶體與壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)以及電致伸縮效應(yīng)這樣的特殊功能，因而在現(xiàn)代科技中有著廣泛的運(yùn)用，諸如壓電傳感器、壓電變壓器、壓電電聲換能器、壓電晶體振蕩器，壓電微位移機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)舉例說(shuō)明如下：壓電傳感器：在科學(xué)研究、工程現(xiàn)場(chǎng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方

13、面，在需要測(cè)量壓力、應(yīng)力、速度、加速度等力學(xué)或者能轉(zhuǎn)換為力的非電物理量時(shí)，壓電傳感器是應(yīng)用較多的一種傳感器，它以正壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，晶體表面產(chǎn)生電荷，實(shí)現(xiàn)了非電量向電量的轉(zhuǎn)換，并且其具有頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等特點(diǎn)。壓電變壓器：利用正壓電效應(yīng)，可以將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能實(shí)現(xiàn)發(fā)電，同時(shí)還可以利用力學(xué)沖擊來(lái)獲得瞬時(shí)高電壓輸出，這種獲得高電壓的方法可以用來(lái)做成引燃裝置，例如汽車(chē)火花塞、打火機(jī)、炮彈的引爆壓電雷管等，還可以用來(lái)做紅外夜視儀和手提X光機(jī)中的高壓電源等。壓電電聲換能器：利用正壓電效應(yīng)，可以將聲能轉(zhuǎn)換成電能，例如壓電話(huà)筒、噪聲探測(cè)器等，其與傳統(tǒng)的電磁型話(huà)

14、筒及噪聲探測(cè)器相比，靈敏度更高、頻帶更寬、結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠。同時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)，可以講電能轉(zhuǎn)換為聲能，因此可利用壓電晶體與壓電陶瓷制成揚(yáng)聲器、耳機(jī)、蜂鳴器等。特別是超聲波發(fā)生器，它是利用相應(yīng)頻率的電振蕩來(lái)激勵(lì)壓電晶體，從而產(chǎn)生頻率高于20000Hz的超聲波。目前，這種超聲波發(fā)生器已廣泛用于海洋探測(cè)、固體無(wú)損探傷、醫(yī)療檢查、超聲波清洗、特種加工等方面。壓電晶體振蕩器：壓電晶體振蕩器是將機(jī)械振動(dòng)變?yōu)橥l率的電振蕩的器件，由夾在兩個(gè)電極之間的壓電晶片構(gòu)成。由于壓電晶片的機(jī)械振動(dòng)有一個(gè)確定的固有頻率，所以它對(duì)頻率非常敏感。石英晶體振蕩器是目前應(yīng)用最多的一種壓電晶體振蕩器，由于它制造容易、性能穩(wěn)定、精

15、度高、體積小。因此廣泛應(yīng)用于軍事通訊和精密電子設(shè)備、小型電子計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)以及石英鐘表內(nèi)作為時(shí)間或頻率的標(biāo)準(zhǔn)。有恒溫控制的石英晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-13量級(jí)，可作為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)而用于原子鐘內(nèi)。壓電微位移機(jī)構(gòu)：壓電微位移機(jī)構(gòu)是幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型微位移機(jī)構(gòu)，其能量轉(zhuǎn)換率高、電源功耗低、響應(yīng)速度快、分辨率高、輸出力大，以及輸出位移穩(wěn)定、能夠減少蠕變現(xiàn)象等特點(diǎn)，6因此越來(lái)越多的運(yùn)用于各種需要對(duì)位移進(jìn)行精密控制的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。3.2壓電晶體與壓電陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)結(jié)合壓電晶體和壓電陶瓷本身性質(zhì)以及運(yùn)用范圍的不斷擴(kuò)大所提出的新的要求，其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：無(wú)鉛壓電陶瓷材料：傳統(tǒng)的含鉛壓電陶瓷

16、，其中鉛元素的含量高達(dá)60%以上，而氧化鉛是一種易揮發(fā)的有毒物質(zhì)，在生產(chǎn)、制備、使用及廢棄后的處理過(guò)程中，都會(huì)給人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境造成損害。隨著環(huán)保意識(shí)的日益深入，壓電陶瓷的無(wú)鉛化是必然趨勢(shì)。壓電薄膜材料：二十世紀(jì)八十年代后期，壓電薄膜已成為壓電材料應(yīng)用研究的重要方向之一。壓電薄膜能制造成非易失隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、熱釋電紅外探測(cè)器、壓電微型驅(qū)動(dòng)器與執(zhí)行器。其優(yōu)越性是尺寸小、重量輕、工作電壓低、能與半導(dǎo)體集成電路兼容。壓電厚膜材料：PZT壓電厚膜材料是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料，兼顧了塊狀材料和薄膜的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓低，使用頻率范圍寬，與半導(dǎo)體集成電路兼容，PZT厚膜與其薄膜相比具有更大的

17、驅(qū)動(dòng)力，更好的壓電性能。壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料：無(wú)機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹(shù)脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o(wú)機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒(méi)有的特性。它既保持了壓電陶瓷優(yōu)良的壓電性能，同時(shí)又有利于機(jī)械加工，具有定得柔順性。納米壓電陶瓷：近年來(lái)隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米陶瓷逐步受到人們的關(guān)注。將納米技術(shù)運(yùn)用于壓電陶瓷的制備，一方面可極大地改善提高材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能，另一方面通過(guò)控制納米經(jīng)歷的生長(zhǎng)，可以獲得量子限域效應(yīng)，7以及性能特異的鐵電體。四、結(jié)束語(yǔ)壓電晶體與壓電陶瓷作為獨(dú)特的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、生物等高新技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，各國(guó)都在積極研究和開(kāi)發(fā)新的壓電功能材料，研究的重點(diǎn)大都是從老材料中發(fā)掘新效應(yīng)，開(kāi)拓新應(yīng)用；從控制材料組織和結(jié)構(gòu)入手，尋找新的壓電材料。目前國(guó)際上對(duì)壓電材料的應(yīng)用研究十分活躍，許多新的壓電器件，包括過(guò)去認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的器材也被研制出來(lái)了。隨著對(duì)材料的組成、制備工藝及結(jié)構(gòu)的不斷深入研究，更加新穎的壓電器件將不斷的映現(xiàn)出來(lái)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1朱建國(guó)，孫小