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压电材料

日期:2020-12-30浏览:353次

  所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性。铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化。由于铁电体晶格中的正负电荷中心不重合,因此即使没有外加电场,也能产生电偶极矩,并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向,如1a。当温度高于某一临界值时,其晶格结构发生改变,正负电荷中心重合,自发极化消失,这一温度临界值称为居里温度(Tc)。压电性是实现机械能-电能相互转换的一种性质。若在某一方向上给材料施加外力使材料发生形变,其内部会发生极化并在表面产生电荷,这就是压电效应;相反,若给材料施加电场则材料会发生形变而产生机械力,这就是逆压电效应,如图。所有的铁电材料都具备上述2种特性,这是构建机电系统的材料基础之一。随着器件微型化要求的逐步提高,传统的压电块体正逐步向压电薄膜过渡,特别是微机电系统(MicroElectromechanicalSys-tem,MEMS)的出现以及薄膜生长技术的完善,使压电薄膜成为主要的研究内容,如图。
 
  并非所有的压电材料都具备铁电性,如压电薄膜ZnO,AlN就不具备铁电性。这两者有着近似的压电性能,都在方向上表现出压电性。一般来说AlN比ZnO有着更大的优势,首先AlN能够更好地和Si基的半导体技术兼容。另外,AlN的能隙高达6eV,有着更好的电绝缘性,而ZnO的能隙只有3eV,并且Zn离子容易变价,因此制备绝缘性好的ZnO非常困难。良好的直流导电性会使材料在低频下的介电损耗变大,基于这类材料的传感器和驱动器在10KHz以下工作时有很大的损耗。
 
  表1列出了3种压电薄膜的主要性能参数,其中e31,f和d33,f均为压电常数,分别代表极化强度P同应变、应力之间的关系;ε33是电容率,tanδ是介电损耗;e31,f/ε0ε33是压电薄膜应变时产生的电压;e231,f/ε0ε33是面内波的机电耦合系数;e233/(ε0ε33c3D3)≈d233,f·c3E3/ε0ε33是厚度波的机电耦合系数;e31,f/sqrt(ε0ε33tanδ)是信噪比;c3E3为弹性常量。
 
  相对于AlN和ZnO来说(表1),铁电薄膜锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)有着更高的压电常数,PZT是典型的钙钛矿结构,晶格取向、成分、晶粒尺寸以及应力边界等都会影响PZT薄膜的压电性能。例如目前报导的PZT薄膜在准同型相界(MPB)附近<001>方向上的e31,f高达27C/m2,而随机取向的PZT薄膜e31,f只有7C/m2左右。压电系数的提高对降低驱动电压或者提高响应速度至关重要。近年来的相关研究大部分集中在晶格取向或者MPB对铁电薄膜压电性能的影响方面。在Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜中随着Zr含量的增加,PZT晶格结构发生畸变,从四方相(111)逐步向三方相(100)转变,而当Zr掺杂量达到50%时出现MPB,压电系数d和e达到大值。但是,PZT薄膜要应用到具体器件中,除了需要MPB之外还要有合适的相变温度。一般来说,低温下PZT薄膜的压电性能会有所提高,但是低温不仅使器件对温度产生依赖,更重要的是妨碍了压电器件的实际应用。因此,目前在研究压电材料获得准同型相界的同时如何提高相变温度也是研究重点之一。在准同型相界附近的PZT和PbYb1/2Nb1/2O3-PbTiO3薄膜的相转变温度都在360℃附近,BiMeO3-PbTiO3的相变温度更高一点。而报导的BiScO3-PbTiO336/64陶瓷压电系数d33高达465pC/N并且相变温度为450℃。同陶瓷或者单晶相比,压电薄膜的相变温度略有差异(误差在50℃左右),因此块体材料的研究起着很好的引导作用。
 
  压电材料的应用十分广泛,粗略地分为振动能和超声振动能-电能换能器,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,还有其它一些传感器和驱动器应用,而驱动器和传感器正是近年来出现的微机电系统MEMS的核心研究开发内容。MEMS是微电子与微机械的结合体,是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的,有着高度集成化、微型化的特点,在众多工业领域中都有着广泛的应用。
 
  由于压电薄膜具有优异的压电效应和逆压电效应并且介电常数高、稳定性好,因此制备出来的微型传感器和驱动器等压电器件有众多优势:①在高频共振体系中,传统的高频静电驱动器虽然有了很大的进展,但是这类器件不仅要求发达的图像成形技术以满足小尺寸要求,同时还要克服容易受到外界环境的巨大影响的弱点,而压电材料本身的谐振频率就在MHz~GHz之间,并且有着很好的温度稳定性,工艺制造相对简单很多,
 
  而且已经制备出了如扫描声学显微镜和薄膜声波谐振器(FBAR)等MEMS器件。②微型压电传感器除了必要的电荷或者电压之外并不需要额外的动力,能耗很低并且具有宽广的动态范围和低噪音层。③压电材料在很小的驱动电压下就能产生很大的振幅,几乎没有滞后现象,这意味着响应速度非常快,而其它的基于电流的驱动设备如热式或者磁式驱动器的反应较慢。④在微米量级上,由于传统电磁驱动器尺寸达不到要求,已经很难应用在MEMS上,而压电传感器却有着小尺寸、高能量集成的优点,并且像静电感应那样,压电传感或者驱动只需电接触就能产生电信号,在芯片中很容易处理这些电信号。

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