Unit 5 电介质材料(压电和铁电材料) 电子器件与工艺课件

利用压电效应可以把机械能转换成电能，或者把电能变 成机械能，制成各种换能器。对压电陶瓷施加应力时，在陶 瓷样品的两端就出现一定的电压。这种正压电效应早已用于 引燃引爆、气体点火等高压发生器；相反，对压电陶瓷施加 一个外加电场时．就会使陶瓷发生形变。在外电场频率与压 电陶瓷固有谐振频率一致时，形变甚大，而且随外电场的频 率作机械振动，向周围媒介发射功率。这种效应可用于超声 换能器、扬声器、声纳等。
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Hale Waihona Puke 压电陶瓷材料锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛 矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是 Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不 同的锆钛比。
然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境 和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类 社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成 为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压 电器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压 电陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部 也相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷 项目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样 受到了国内科技界与企业界的普遍关注。
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a) 恒温下 b) 温度变化 c) 温度变化时的等效表现
热释电材料
热释电效应最早是在电气石晶体中发现的。一 块电气石(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31， 它是三方晶系．具有唯一的三重旋转轴。将等 量的硫磺粉末(黄色的)和氧化铅粉末(红色的)混 合后，用丝质筛子筛洒在加热后的电气石晶体 上。由于筛孔的摩擦作用，使得氧化铅带正电， 硫磺带负电。它们将分别覆盖于电气石沿3次轴 方向的两端。这表明电气石晶体在加热时，在3 次轴方向的两端产生了数量相等，符号相反的 表面电荷。
压电复合材料的发展，克服了压电陶瓷自身的脆性和 聚合物压电材料的温度限制，而更加受到重视。杆状和片 状这种柔性压电复合材料做成的传感器被广泛应用于水声 和医用超声传感器，其灵敏度和力学性能很好。而另一种 含有压电粉末的聚合物连通性压电复合材料，可做成膏状 或涂层，涂于复杂形状结构上，可以提供该结构的应力状 态2020以/6/1及8 安全状态。
第五章 压电和铁电材料
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石英压电效应的机理
无对称中心 (a) 表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外
力作用，正负电荷的重心重合，整个晶体的总电矩为零， 晶体表面的电荷亦为零； (b) 、(c)分别为受压缩力与拉伸力的情况，这两种受力情况 所引起晶体表面带电的符号正好相反。
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压电陶瓷的应用
近年，压电陶瓷已用于传感器、驱动器、阻尼降噪等智 能系统。驱动器已用于光跟踪、自适应光学系统、机器人微 定位器等。压电陶瓷也用于小马达。压电陶瓷和聚合物组成 的传感器已用于人工智能系统。压电陶瓷纤维复合材料，集 传感器和驱动器于一身，用于自适应结构的智能系统。智能 振动控制，噪音控制，安全和舒适控制在汽车上的应用有很 大市场。压电陶瓷的电致伸缩效应也已用于致动器。
应用实例三：科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将 其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给 住户创造了一个安静的居住环境。
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压电陶瓷的应用
应用实例四：压电传感器。由于压电材料对于所加应力能 产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传 感器。PVDF（聚偏二氟乙烯(PVDF)复合压电陶瓷 ）压电 陶瓷的压电性比石英高3-5倍，压电系数值更高，并且可以 做得很薄，可贴在物体表面，非常适合做传感器。在机器 人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以 识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应， 可用作温度传感器。
应用实例一 ：压电材料在超声技术中的应用十分广泛。其 中有利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强 度超声波，并以此作为动力应用在如超声清洗、超声乳化、 超声焊接、超声打孔、超声粉碎、超声分散等装置上的机电 换能器等方面。压电材料作超声换能器具有结构简单、使用 方便、灵敏度高、选择性好、易与电源匹配、耐振动冲击、 稳20定20/6性/18 良好及小型轻便等优点。
压电陶瓷多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的 固溶体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系 (PZT)陶瓷。
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压电陶瓷材料
钛 酸 钡 (BaTiO3) 的 晶 体 属 钙 钛 矿 型 (CaTiO3) 结 构 。 BaTiO3晶体中的氧形成氧八面体、钛位于氧八面体的中心， 钡则处于八个八面体的间隙。在室温，BaTiO3是属四方晶系 的铁电体。在120度温度以上，四方相转为立方相，属顺电相。 在0度附近，四方相转为正交晶系，仍具有铁电性。钛酸钡具 有较好的压电性，是在锆钛酸铅陶瓷出现之前，广泛应用的 压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度)、限制了器件 的工作温度范围。它还存在第二相变点(0度)，相变时压电、 介电性显著改变。
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小资料：最新的无铅压电材料
任晓兵博士(日本物质材料研究所主任研究员)在世界上首 次发现基于全新原理的巨大电致变形效应（即电场诱发的 形变），同时研究出对环境无污染的无铅压电材料。这一 成果于2004年2月2日在《Nature Materials》上发表，并于1 月12日提前在其电子版公布。
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5.2 压电陶瓷
陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体。这些小晶粒通常 是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不显示压 电效应。但经电场作用后的铁电陶瓷可以具有压电性，构 成铁电陶瓷的晶体结构不具有对称中心。存在着与其它晶 轴不同的极化轴，正负电荷中心不重合，有自发极化P存 在。这一极化强度可以随外电场转向，在外电场去除之后， 还能保持着一定剩余极化。利用铁电材料晶体结构中这种 特性，可以对烧结后的铁电陶瓷在一定条件下用强直流电 场处理，使之在沿电场方向显示出一定的净极化强度，这 一过程称为人工极化过程。经过这种极化处理后，烧结的 铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效 应。
热释电材料
热释电效应：热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中
心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中 心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自 发极化。晶体温度变化时，可引起晶体的正负电荷中心发生 位移，因此表面上的极化电荷即随之变化。温度恒定时，因 晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到 它的自发极化现象。当温度变化时，晶体表面的极化电荷则 随之变化，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电 的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。这一过程的平 均作用时间为τ＝ε/σ，式中，ε为晶体的介电系数，σ为晶体的 电导率。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，并使它在工作 温度范围内不存在相变点，出现了以BaTiO3为基的BaTiO3CaTiO3系和BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入CaTiO3， 第二相变点明显向低温移动，但对居里点的影响不大, PbTiO3加入BaTiO3中，可以使陶瓷的居里温度移向高温。
机电耦合系数综合反映了压电材料的性质，是实际工作中用 得最多的参数。其定义为：
由于压电振子贮入的机械能与振子形状和振动模式有关，不 同振动模式的机电耦合系数可根据条件推出具体表达式。
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压电陶瓷材料
1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年， 第一个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日 本制成。1947年，钛酸钡拾音器——第一个压电陶瓷器件 诞生了。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶 瓷材料——锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进 入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐 趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷， 以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而 生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。
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小资料：最新的无铅压电材料
任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全新 原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形这 一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复的 应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。
值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
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两种压电材料的特点
石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热 释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定 性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。 利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
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压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。