電子元器件工藝導(dǎo)論第三章

電子元器件工藝導(dǎo)論第三章第一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日§4.2壓電濾波器一.(正)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：對(duì)某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力，晶體兩端面表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比，這種由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象，稱(chēng)為(正)壓電效應(yīng)．第二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日逆壓電效應(yīng)：若將具有正壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中，電介質(zhì)晶體將發(fā)生形變，晶體的這種因外電場(chǎng)作用而產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)．二．壓電材料性能參數(shù)１．機(jī)電耦合系數(shù)正壓電效應(yīng)時(shí)：機(jī)械功=彈性貯存能＋電能逆壓電效應(yīng)時(shí)：電功=極化電能＋機(jī)械能并不能實(shí)現(xiàn)100%的能量轉(zhuǎn)換第三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)電耦合系數(shù)－－用于描述壓電體中機(jī)電耦合有效程度的參數(shù)

k２=轉(zhuǎn)換獲得的能量／輸入的總能量與壓電振子的振動(dòng)模式有關(guān)２．機(jī)械品質(zhì)因素－－衡量壓電體(壓電振子)在諧振時(shí)機(jī)械內(nèi)耗大小的參數(shù)Ｑm=2πWm/WkWm—諧振時(shí)振子內(nèi)貯存的最大機(jī)械能量

Wk---諧振時(shí)振子每周期內(nèi)機(jī)械損耗的能量Ｑm也是與壓電振子的振動(dòng)模式有關(guān)第四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日三．濾波器的類(lèi)型：1.低通濾波器第五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日２．高通濾波器第六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．帶通濾波器第七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．帶阻濾波器第八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日四．壓電濾波器１．何謂壓電濾波器將壓電諧振器與電感，電阻和電容按一定的設(shè)計(jì)組合起來(lái)，以滿足應(yīng)用要求的功能組件．２．壓電濾波器的類(lèi)型晶體濾波器：石英晶體，鈮酸鋰晶體，鉭酸鋰晶體陶瓷濾波器第九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．壓電陶瓷濾波器的組成

單個(gè)壓電振子組成的濾波器衰耗特性很差，一般都是將多個(gè)壓電振子按一定方式組合起來(lái)使用．組合方式：梯形濾波器(鏈型濾波器)：Ｌ型，Ｔ型，π型橋型濾波器：橋式，差接橋式第十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日二端振子組成的各種濾波器結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．壓電陶瓷濾波器的例子Ａ．低頻(124kHz)濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．中頻(465kHz)濾波器的電路結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｃ．高頻(30MHz)濾波器的電路結(jié)構(gòu)第十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日５．壓電陶瓷濾波器的特點(diǎn):元件數(shù)目大為減少(對(duì)于長(zhǎng)條伸縮振子=L+2C)可靠性大為提高溫度穩(wěn)定性：晶體濾波器：極佳陶瓷濾波器：優(yōu)于ＬＣ質(zhì)量因數(shù)：比LC高２～４個(gè)數(shù)量級(jí)用于窄帶濾波器時(shí)，比LC窄2~3數(shù)量級(jí)第十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日普通晶體濾波器的帶寬和頻率范圍：第十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日單晶體濾波器的帶寬和頻率范圍第十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日陶瓷濾波器的帶寬和頻率范圍第十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日6．壓電濾波器的衰耗特性:(串片-串臂振子)

(并片-并臂振子)第十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日§3.3壓電聲表面波器件一．固體的聲表面波聲體波與聲表面波：利用逆壓電效應(yīng)，可在壓電體內(nèi)部產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，即產(chǎn)生了聲體波．也可在壓電體表面產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象．在固體介質(zhì)中，既可傳播聲體波，也可傳播聲表面波．聲表面波的特點(diǎn)：聲表面波的傳播速度比固體中傳播的縱波和橫波的傳播速度都要慢．隨傳播距離的衰減遠(yuǎn)比縱波或橫波的要?。诙?yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日聲表面波的分類(lèi)：取決于激發(fā)狀態(tài)的不同和所用材料性能的差異．瑞利(Rayleigh)波(研究最充分)

蘭伯(Lamb)波斯東尼萊(Stoneley)波樂(lè)浦(Love)波

第二十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日聲表面波的激發(fā)與檢測(cè)利用叉指換能器第二十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日叉指換能器的頻率響應(yīng)特性－具有帶通性

第二十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日二．聲表面波延遲線延遲原理：利用聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬(wàn)倍的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延遲．相應(yīng)器件尺寸比同頻率下的電磁波器件尺寸小得多，且易獲得大延遲時(shí)間，工作頻率可達(dá)幾個(gè)GHz．聲表面波延遲線的分類(lèi)：非色散延遲線：延遲時(shí)間與信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)的延遲線采用叉指寬度和間隔相等的均勻叉指換能器色散延遲線：延遲時(shí)間與信號(hào)的頻率有關(guān)的延遲線采用叉指間距隨x而變的叉指換能器(發(fā)射)

等長(zhǎng)度指條的寬帶換能器(接收)第二十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日聲表面波色散延遲線的結(jié)構(gòu)和頻率特性第二十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日三．聲表面波濾波器工作原理：利用叉指換能器具有帶通性的頻率特性組成：叉指換能器＋與之附著的壓電介質(zhì)工作過(guò)程：在輸入換能器上施加交流信號(hào)，激起聲表面波，該聲表面波被輸出換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，加到負(fù)載上．特點(diǎn)：只有當(dāng)輸入叉指換能器上的電信號(hào)頻率所對(duì)應(yīng)的表面波波長(zhǎng)與叉指換能器的電極周期一致時(shí)，電信號(hào)才能從輸入換能器傳輸?shù)捷敵鰮Q能器第二十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日據(jù)此可通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)叉指電極的結(jié)構(gòu)來(lái)控制電信號(hào)的傳輸,從而實(shí)現(xiàn)濾波的目的.2.僅能設(shè)計(jì)為帶通型的,難以實(shí)現(xiàn)低通和高通特性.3.可分別設(shè)計(jì)幅頻特性和相頻特性第二十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日§3.4壓電變壓器一．工作原理通過(guò)逆壓電效應(yīng)，輸入的電信號(hào)將激勵(lì)起壓電片的機(jī)械振動(dòng)，在機(jī)械振動(dòng)中進(jìn)行阻抗變換，再通過(guò)正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在諧振頻率上獲得電壓輸出．第二十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日二．壓電變壓器的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)Ａ．具有反饋連接的橫向變壓器:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定第二十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．縱向振動(dòng)模式變壓器：升壓比與幾何尺寸無(wú)關(guān)，取決于Q和k2,遠(yuǎn)低于橫向變壓器，但輸入阻抗高第三十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｃ．組合式橫向變壓器１：輸出功率大，采用多層獨(dú)石陶瓷電容器工藝制作多層獨(dú)石壓電陶瓷變壓器。第三十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日D．組合式橫向變壓器2：諧振頻率低，升壓比小第三十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日E．兩端輸出型變壓器：兩端輸出，兩端輸出電壓可以不同第三十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｅ．中間抽頭型變壓器：靠近發(fā)電部分的端頭的輸出電壓較高，不同抽頭的輸出電壓不同，可多抽頭同時(shí)輸出，但總功率不變。第三十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｆ．切變模式壓電變壓器:輸出電壓與厚度切變模式、機(jī)電耦合系數(shù)有關(guān)，諧振頻率只與厚度有關(guān)，與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，可以達(dá)到較高工作頻率第三十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｇ．圓片型壓電變壓器：輸出電流較大第三十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｈ．環(huán)形壓電變壓器：諧振頻率低，輸出電流較小，輸出電壓較高第三十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日三．壓電變壓器的工作特性１．升壓比特性以橫向壓電變壓器為例：開(kāi)路升壓比：

第三十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日獲得最大功率輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)

獲得最大效率時(shí)的電壓放大倍數(shù)第三十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日重要特點(diǎn)：(１)變壓器的升壓比與頻率有關(guān)，在接近壓電陶瓷片的諧振頻率處達(dá)到最大值，偏離諧振頻率時(shí)，升壓比迅速下降．(２)變壓器的升壓比還與負(fù)載有關(guān)，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，隨負(fù)載的增加而迅速增加，之后逐漸飽和，同時(shí)效率開(kāi)始下降．(３)當(dāng)輸入電壓增大到一定值時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓的變化不再是線性的，輸出電壓增加變緩，甚至達(dá)到飽和．第四十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日２．輸入阻抗特性Ａ．與頻率有關(guān)在諧振頻率下阻抗的絕對(duì)值最低,在反諧振頻率阻抗最高.

輸入電壓與電流之間的相位差也隨頻率變化,在諧振頻率與反諧振頻率處,相位差為零,輸入阻抗呈純電阻,在此兩頻率之間,輸入阻抗呈電感性,在此兩頻率之外,輸入阻抗呈電容性第四十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日B.與負(fù)載阻抗有關(guān)隨負(fù)載阻抗的增加而減少,負(fù)載阻抗愈大,輸入阻抗愈小,開(kāi)路時(shí)輸入阻抗最小.

開(kāi)路狀態(tài)工作時(shí),發(fā)熱嚴(yán)重,容易損壞壓電變壓器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高，重量輕，體積小，無(wú)漏泄磁場(chǎng)，不燃燒等；壓電變壓器的缺點(diǎn)：需在諧振頻率下工作，輸出功率低，電壓調(diào)整特性差。應(yīng)用：從靜電除塵、靜電復(fù)印、小功率激光管等到液晶顯示背光源等第四十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日四．壓電變壓器的應(yīng)用例子液晶顯示器背景光源的電源變壓器:將電池的低直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓,開(kāi)始時(shí)電壓超過(guò)1000V,穩(wěn)定時(shí)只需上述值的1/3~1/2，電流約5~6mA，與壓電變壓器的輸出電壓/電流特性相符。電源的控制部分、驅(qū)動(dòng)部分和壓電變壓器部分全部安裝在一塊玻璃環(huán)氧基板上，轉(zhuǎn)換效率80%,實(shí)現(xiàn)小型化、高轉(zhuǎn)換效率和低成本。第四十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日2.高頻降壓變壓器(DC-DC降壓變換器)(通過(guò)輸入輸出層間的絕緣層微調(diào)諧振頻率，通過(guò)各層厚度和層數(shù)來(lái)控制降壓比)第四十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日§3.5熱釋電紅外探測(cè)器熱釋電效應(yīng)概述１．定義某些晶體可以因溫度變化而引起晶體表面電荷，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)．２．壓電、熱釋電和鐵電效應(yīng)的關(guān)系Ａ．電介質(zhì)(絕緣體)與導(dǎo)體不同，帶電粒子被束縛在固定位置上，在電場(chǎng)作用下，僅能作微小的位移，即產(chǎn)生電極化，但不產(chǎn)生電流，稱(chēng)這種性質(zhì)為介電性．第四十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．極性晶體與非極性晶體在晶體的32種對(duì)稱(chēng)群中，有11種具有對(duì)稱(chēng)中心，晶格上為非極性原子或分子，在電性上是完全電中性的，稱(chēng)為各向同性介電體．另有20種結(jié)構(gòu)的晶體，其結(jié)構(gòu)上無(wú)對(duì)稱(chēng)中心，在壓力作用下可產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此即壓電效應(yīng)．第四十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｃ．自發(fā)極化與自發(fā)極化偶極矩的變化極性晶體的極化可能是自發(fā)產(chǎn)生的,此時(shí)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生永久偶極矩(表征極化大小與方向的物理量)．當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，此偶極矩可能發(fā)生變化，這種變化可能是大小和方向同時(shí)變化，也可能僅僅是方向上的變化．Ｄ．熱釋電效應(yīng)與鐵電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)當(dāng)晶體溫度改變時(shí)，自發(fā)極化偶極矩發(fā)生變化，從而使晶體表面出現(xiàn)束縛電荷，此即熱釋電效應(yīng)；自發(fā)極化強(qiáng)度矢量在電場(chǎng)作用下會(huì)改變方向，此即鐵電效應(yīng)．第四十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日E．壓電、熱釋電和鐵電效應(yīng)的關(guān)系介電體壓電體

熱釋電體鐵電體第四十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．熱釋電效應(yīng)的分類(lèi)Ｉ．若晶體均勻受熱，且在此過(guò)程中受到機(jī)械支持，從而幾何尺寸不變，此時(shí)自發(fā)極化的改變?yōu)榈谝活?lèi)熱釋電效應(yīng)．自發(fā)極化改變量與溫度改變量間的比例系數(shù)稱(chēng)為第一或恒應(yīng)變熱釋電系數(shù)．第四十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日II．若晶體均勻受熱，無(wú)機(jī)械夾持，使應(yīng)力為零或保持恒定，此時(shí)晶體受熱膨脹，出現(xiàn)壓電效應(yīng)并疊加到第一類(lèi)熱釋電效應(yīng)上，這一附加的熱釋電效應(yīng)稱(chēng)為第二熱釋電效應(yīng)．應(yīng)力自由熱釋電效應(yīng)應(yīng)是第一和第二熱釋電效應(yīng)之和．第五十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日III．若晶體非均勻受熱，則晶體中會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力梯度，這應(yīng)力梯度通過(guò)壓電效應(yīng)改變電極化并疊加于第一熱釋電效應(yīng)上，這種因非均勻加熱引入的附加熱釋電效應(yīng)稱(chēng)為第三熱釋電效應(yīng)．由于第三熱釋電效應(yīng)通常很小，往往可以忽略．第五十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日二．熱釋電紅外探測(cè)器１．何謂紅外探測(cè)器？用來(lái)探測(cè)物體紅外輻射能量的一種器件，它將外界輻射能量吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y(cè)量的電信號(hào)或其他形式的量．２．紅外探測(cè)器的分類(lèi)：光子探測(cè)器熱探測(cè)器

第五十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．熱釋電紅外探測(cè)器的特點(diǎn)：

A.與其他熱探測(cè)器(熱電偶、熱敏電阻器等)相同的特點(diǎn):

在很寬的光譜范圍內(nèi)具有相同的響應(yīng)率,這種響應(yīng)只與探測(cè)敏感元件對(duì)紅外輻射的吸收能力有關(guān).B.與其他熱探測(cè)器不同的特點(diǎn):

這種探測(cè)器探測(cè)的是溫度隨時(shí)間的變化率,而不是溫度值本身,工作過(guò)程不需建立熱平衡,故響應(yīng)速度極快.第五十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日C.與光子探測(cè)器相比的特點(diǎn)在室溫下對(duì)從紫外光到毫米波段的光都有相同的響應(yīng)，其光譜響應(yīng)寬度比光電導(dǎo)探測(cè)器大５個(gè)數(shù)量級(jí)．比探測(cè)度為5109cmHz1/2/W，與室溫光電導(dǎo)探測(cè)器的比探測(cè)度1010cmHz1/2/W接近．

(光子探測(cè)器具有更快的響應(yīng)速度和更高的比探測(cè)度)４．熱釋電紅外探測(cè)器的組成與結(jié)構(gòu)組成：熱釋電薄晶體＋放大器等結(jié)構(gòu)類(lèi)型：面電極式，邊電極式第五十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日面電極式熱釋電探測(cè)器的電極結(jié)構(gòu)

既是熱傳感器，又是電容性元件第五十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日邊電極式熱釋電探測(cè)器的電極結(jié)構(gòu)第五十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日電路組成示意圖第五十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日５．熱釋電電流與溫度變化率的關(guān)系：第五十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日６．熱釋電探測(cè)器的性能Ａ．電壓響應(yīng)率：定義：?jiǎn)挝蝗肷涔β试趥鞲衅魃袭a(chǎn)生的電壓均方根值．表達(dá)式：第五十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．噪音等效功率NEP

定義：在指定的噪音帶寬Δf下，信噪比S/N=1時(shí)入射功率Ｐ的值(其值愈小，靈敏度愈高)Ｃ．比探測(cè)度(其值愈大，探測(cè)器性能愈好)第六十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日７．熱釋電材料評(píng)價(jià)指標(biāo)Ａ．電壓響應(yīng)優(yōu)值

第六十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．探測(cè)度優(yōu)值第六十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日８．應(yīng)用景物紅外圖像的再現(xiàn)紅外成像(熱釋電攝像管)測(cè)量大氣的溫度和水氣分布(輻射計(jì))確定地球表面的熱輻射平衡特性第六十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日9．例子

第六十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日9．例子

第六十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日9．例子

第六十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日三．薄膜型熱釋電紅外探測(cè)器１．薄膜型熱釋電紅外探測(cè)器的引出探測(cè)器的靈敏度與熱釋電敏感元厚度有關(guān)，敏感元越薄，其探測(cè)靈敏度越高２．熱釋電薄膜制備方法溶膠－凝膠法金屬有機(jī)化合物熱分解法金屬有機(jī)化合物氣相沉積法分子束外延法濺射鍍膜法脈沖激光沉積法第六十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．熱釋電薄膜材料無(wú)機(jī)熱釋電材料：

(鈣鈦礦型氧化物)

PT(PbTiO3)及其摻雜改性材料

PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)及其摻雜改性材料

PMN((Pb(MgxNb1-x)O3))BST((BaSr)TiO3)SBN((BaSr)NbO3)

第六十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日有機(jī)熱釋電材料：聚偏氟乙烯(PVDF)TGS(硫酸三甘肽)特點(diǎn)：１．熱釋電系數(shù)低，介電常數(shù)小，損耗大電壓響應(yīng)優(yōu)值不低，但探測(cè)度優(yōu)值低．２．制作工藝簡(jiǎn)單，成本低．第六十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．發(fā)展方向研制集成化的熱釋電器件制作工藝與半導(dǎo)體工藝兼容性好：硅片上制作半導(dǎo)體器件－制作隔離層和隔熱層－制作敏感元－刻蝕與互連－沉積保護(hù)層－封裝．第七十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日§3.6鐵電器件一．鐵電性概述１．電滯回線第七十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日２．電疇宏觀尺寸的鐵電單晶被劃分為許多小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由許多晶胞組成，各個(gè)晶胞的偶極子方向，也即自發(fā)極化方向都是相同的，這樣的區(qū)域稱(chēng)為電疇．３．多疇狀態(tài)與單疇狀態(tài)一般情況下，相鄰電疇的極化方向是不同的，各電疇的電矩相互抵消，此時(shí)晶體的能量最低，稱(chēng)之為多疇狀態(tài)．在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，晶體內(nèi)將出現(xiàn)微小的新疇核，其自發(fā)極化方向趨于與外電場(chǎng)方向一致，之后，新疇核長(zhǎng)大，逐漸代替舊的電疇，從而使電疇方向趨于與外電場(chǎng)方向一致，稱(chēng)這種狀態(tài)為單疇狀態(tài)．第七十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．鈦酸鋇晶體中的相變低溫相的對(duì)稱(chēng)性低，可能具有鐵電性．第七十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日５．順電相與鐵電相高溫下，對(duì)應(yīng)相的結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性高，不具自發(fā)極化和鐵電性，稱(chēng)為順電相，低溫下，對(duì)應(yīng)相的結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性低，能產(chǎn)生自發(fā)極化和鐵電性，稱(chēng)為鐵電相．６．居里溫度TC由高溫順電相轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏罔F電相所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為居里溫度．第七十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日7.順電－鐵電轉(zhuǎn)變與臨界現(xiàn)象伴隨順電－鐵電轉(zhuǎn)變過(guò)程，晶體的一系列物理性質(zhì)發(fā)生劇烈的變化，這些反常變化通稱(chēng)為臨界現(xiàn)象．晶體中出現(xiàn)劇烈變化的性質(zhì)有：介電性質(zhì)彈性壓電性熱力學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)第七十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日例如，介電常數(shù)遵循居里－外斯定律：一級(jí)相變中，T0＜TC二級(jí)相變中，T0＝TC

第七十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日8．鐵電材料第一類(lèi)：非氧化物鐵電體

SbSI(碘硫化銻)

BiSBr(溴硫化鉍)

FeS第二類(lèi)：氫鍵鐵電體磷酸二氫鉀(KH2PO4)

羅息鹽(NaKC4H4O64H2O)

硫酸三甘肽(NH2CH2COOH)3

H2SO4第七十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日第三類(lèi)：雙氧化物鐵電體(研究與應(yīng)用最廣泛)特點(diǎn)：某種金屬離子，通常是過(guò)渡金屬離子，處于氧八面體間隙中，通過(guò)共用點(diǎn)、棱、面等要素，互相連接形成晶體結(jié)構(gòu)的“骨架”。類(lèi)型：鈣鈦礦型BaTiO3

鎢青銅型鈮酸鋰型焦綠石型含鉍層狀型第七十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日二．鐵電陶瓷致動(dòng)器１．反鐵電效應(yīng)

P與E的關(guān)系曲線：第七十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日

將電場(chǎng)施加于反鐵電晶體時(shí)，初期,P與E成線性關(guān)系，類(lèi)似于線性介質(zhì)，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)EC時(shí)，P與E呈非線性關(guān)系至飽和，E下降時(shí)P也降低，形成類(lèi)似于鐵電體的電滯回線．施加反向電場(chǎng)時(shí)，在第三象限出現(xiàn)與之對(duì)稱(chēng)的電滯回線．

——反鐵電效應(yīng)第八十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日內(nèi)部變化：當(dāng)E逐漸增大至大于EC時(shí)：反鐵電體相鐵電體相出現(xiàn)鐵電體的電滯回線當(dāng)E逐漸減小至小于EC時(shí)：鐵電體相反鐵電體相出現(xiàn)線性關(guān)系反鐵電鐵電相變時(shí)，伴隨很大的應(yīng)變(0.1%~0.5%)，比壓電效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)．第八十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日２．電致伸縮效應(yīng)材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)．電致伸縮效應(yīng)與壓電效應(yīng)不同，形變的符號(hào)與電場(chǎng)極性無(wú)關(guān)，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度值的平方成正比．３．關(guān)于電致伸縮的重要特點(diǎn)是介電材料的一般性質(zhì)，不論材料處于晶態(tài)還是非晶態(tài)，不論是否存在對(duì)稱(chēng)中心，均存在電致伸縮效應(yīng)．電致伸致效應(yīng)在恰處于居里點(diǎn)以上的鐵電材料中最顯著．居里溫度以上為順電相，在電場(chǎng)作用下誘發(fā)出鐵電相，溫度范圍較窄．弛豫鐵電體(PMN，PZN，PLZT)不存在明銳的鐵電——順電相變，Tc具有一定的溫度范圍，此即鐵電器件的工作溫區(qū)。第八十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．電致伸縮器件的優(yōu)點(diǎn)：形變與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系滯后很小或可忽略形變輸出穩(wěn)定形變量接近最好的壓電陶瓷制作過(guò)程不需經(jīng)過(guò)極化５．電致伸縮器件的缺點(diǎn)：工作溫區(qū)較窄低電場(chǎng)下形變量小，通常需要較高的工作電壓第八十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日６．鐵電陶瓷致動(dòng)器件的類(lèi)型：微致動(dòng)器：僅輸出材料本身的應(yīng)變，其值在微米量級(jí)宏致動(dòng)器：通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)位移放大，其值可達(dá)毫米量級(jí)第八十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日７．新型致動(dòng)器Ａ．弦月結(jié)構(gòu)致動(dòng)器鐵電陶瓷端帽淺空腔特點(diǎn)：可將陶瓷的徑向伸縮轉(zhuǎn)換并放大為端帽的軸向位移．第八十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．彩虹型致動(dòng)器

陶瓷片石墨片還原層特點(diǎn)：還原層與陶瓷層的熱膨脹系數(shù)不同，降溫時(shí)將產(chǎn)生一彎曲表面，此表面層中存在很大的內(nèi)應(yīng)力，能增強(qiáng)導(dǎo)電層的響應(yīng)．第八十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日三．鐵電電光器件１．電光效應(yīng)

A.何謂電光效應(yīng)晶體的折射率隨電場(chǎng)而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電光效應(yīng).B.折射率與電場(chǎng)的關(guān)系式:n=n0+aE+bE2+C.一次電光效應(yīng)(線性電光效應(yīng)或Pockels效應(yīng))(出現(xiàn)在無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中)折射率與電場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系Ｄ.二次電光效應(yīng)(Ｋerr效應(yīng))折射率與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方項(xiàng)成線性關(guān)系第八十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日２．電光快門(mén)Ａ．示意圖第八十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日Ｂ．半波電壓隨著施加電壓的增大，光輸出也在逐漸增大，當(dāng)所加電壓達(dá)到某一電壓值、光振動(dòng)方向完全偏轉(zhuǎn)到水平方向時(shí)，光輸出達(dá)到最大，相當(dāng)于快門(mén)完全打開(kāi)，這個(gè)電壓稱(chēng)為半波電壓。第八十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日3．電光調(diào)制器當(dāng)在電光晶體上施加交變調(diào)制信號(hào)電壓時(shí)，由于電光效應(yīng)，晶體的折射率隨調(diào)制電壓即信號(hào)而交替變化．此時(shí)，若有光波通過(guò)晶體，則原來(lái)不帶信號(hào)的光波則含有了調(diào)制信號(hào)的信息．電光強(qiáng)度調(diào)制器－－調(diào)制強(qiáng)度電光相位調(diào)制器－－調(diào)制相位第九十頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．電光偏轉(zhuǎn)器Ａ．何謂電光偏轉(zhuǎn)器利用晶體的電光效應(yīng)使激光束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的器件稱(chēng)為電光偏轉(zhuǎn)器．Ｂ．類(lèi)型數(shù)字偏轉(zhuǎn)器：使激光束在特定的間隔位置上離散．連續(xù)偏轉(zhuǎn)器：使光束發(fā)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)而使光點(diǎn)在空間按預(yù)定要求連續(xù)移動(dòng)．第九十一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日四．集成化鐵電器件１．集成化鐵電器件的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體集成電路芯片(IC)＋集成在其上的鐵電材料通過(guò)在鐵電薄膜上形成特定的電極來(lái)區(qū)分不同的鐵電單元，每個(gè)鐵電單元與薄膜下適當(dāng)?shù)木w管電路直接相連．晶體管電路的作用：提供控制、信號(hào)放大或檢測(cè)等功能。若鐵電單元用作存儲(chǔ)器，則將晶體管布置成適當(dāng)形式的二維陣列，與鐵電存儲(chǔ)單元相連，可使尋址快捷方便。第九十二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日2．集成化鐵電器件鐵電存儲(chǔ)器集成化熱釋電探測(cè)器陣列集成化聲表面波器件集成化壓電器件集成化介電敏感器件第九十三頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日３．最有競(jìng)爭(zhēng)力的集成化鐵電器件鐵電薄膜電容器－晶體管基儲(chǔ)存器，即新一代的電可寫(xiě)可擦隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ferroelectricrandomaccessmemory,FRAM)兼具：靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的高速度特點(diǎn)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的高密度特點(diǎn)只讀存儲(chǔ)器(ROM)的非易失性第九十四頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日４．FRAM的兩種結(jié)構(gòu)

兩個(gè)晶體管和兩個(gè)鐵電單元組成的2T/2C結(jié)構(gòu)第九十五頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成的1T/1C結(jié)構(gòu)第九十六頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日5.工作原理：寫(xiě)入時(shí)，通過(guò)PL(板線)使每對(duì)鐵電電容器處于相反的極化狀態(tài):Pr為“0”態(tài)，-Pr為“1”態(tài)；讀出時(shí)，把兩電容器沿相同方向極化，則“1”態(tài)電容器：-Pr——Ps，存在大極化電流，“0”態(tài)電容器：Pr——Ps，存在小極化電流，通過(guò)兩位線上的放大器測(cè)出兩輸出電荷量之差，完成“1”的讀出．反之，若電容器的極化在相同的方向，則讀出“０”態(tài)。第九十七頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日

6.FRAM單元結(jié)構(gòu)剖面圖第九十八頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日7.鐵電儲(chǔ)存器制造

鐵電存儲(chǔ)器技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝相兼容。鐵電薄膜被放置于CMOS基層之上，并置于兩電極之間，使用金屬互連并鈍化后完成鐵電制造過(guò)程。

第九十九頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日8.鐵電儲(chǔ)存器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)鐵電記憶體不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM第一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以跟隨總線速度(busspeed)寫(xiě)入，與EEPROM的最大不同是FRAM在寫(xiě)入后無(wú)須任何等待時(shí)間，而EEPROM則要等幾毫秒才能寫(xiě)進(jìn)下一筆資料。FRAM的第二大優(yōu)點(diǎn)是近乎無(wú)限次寫(xiě)入。當(dāng)EEPROM只能應(yīng)付十萬(wàn)(105)至一百萬(wàn)次寫(xiě)入時(shí),新一代的FRAM已達(dá)到一億個(gè)億次(1016)的寫(xiě)入壽命。FRAM的第三大優(yōu)點(diǎn)是超低功耗，EEPROM的慢速和高電流寫(xiě)入令它需要高出FRAM2500倍的能量去寫(xiě)入每個(gè)字節(jié)

缺點(diǎn)：鐵電材料的疲勞現(xiàn)象第一百頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日9.鐵電儲(chǔ)存器的應(yīng)用

(１)數(shù)據(jù)采集和記錄

鐵電存貯器的出現(xiàn)使工程師可以運(yùn)用非易失性的特點(diǎn)進(jìn)行多次高速寫(xiě)入。在這以前,在只有EEPROM的情況下,大量數(shù)據(jù)采集和記錄對(duì)工程師來(lái)說(shuō)是一件非常頭疼的事。

數(shù)據(jù)采集包括記錄和存貯數(shù)據(jù)，更重要的是能在失去電源的情況下，不丟失任何資料。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中,數(shù)據(jù)需要不斷高速寫(xiě)入，對(duì)舊資料進(jìn)行更新，EEPROM的寫(xiě)入壽命和速度往往不能滿足要求。

典型應(yīng)用：儀表(電力表、水表、煤氣表、暖氣表、記程車(chē)表)、測(cè)量、醫(yī)療儀表、非接觸式聰明卡(RFID)、門(mén)禁系統(tǒng)、汽車(chē)記錄儀(汽車(chē)事故黑匣子)......

第一百零一頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日(２)存儲(chǔ)配置參數(shù)(Configuration/SettingData)

以往在只有EEPROM的情況下,由于寫(xiě)入次數(shù)限制，工程師們只能在偵測(cè)到掉電的時(shí)候，才把更新了的配置參數(shù)及時(shí)地存進(jìn)EEPROM里，這種做法很明顯地存在著可靠性的問(wèn)題。鐵電存貯器的推出使工程師可以有更大的發(fā)揮空間去選擇實(shí)時(shí)記錄最新的配置參數(shù)，免去是否能在掉電時(shí)及時(shí)寫(xiě)入的憂慮。

典型應(yīng)用：電話里的電子電話簿、影印機(jī)、打印機(jī)、工業(yè)控制、機(jī)頂盒(STB)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、TFT屏顯、游戲機(jī)、自動(dòng)販賣(mài)機(jī)......第一百零二頁(yè)，共一百零八頁(yè)，2022年，8月28日(３)非易失性緩沖(buffer)記憶

鐵電存貯器能夠無(wú)限次快速擦寫(xiě)，令這種產(chǎn)品十分適合擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存(buffer)記憶體。在一些重要系統(tǒng)里，往往需要把資料從一個(gè)子系統(tǒng)非實(shí)時(shí)地傳到另一個(gè)子系統(tǒng)去，由于資料的重要性,緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不能丟失。以往,工程師們只能通過(guò)SRAM加后備電池的方法去實(shí)現(xiàn)，雖然知道這種方法隱藏著電池耗干,化學(xué)液體泄出等安全和可靠性問(wèn)題。鐵電存貯器的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個(gè)高可靠性,但低成本的解決方案。

典型應(yīng)用