Unit5电介质材料压电和铁电材料电子器件与工艺课件

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。
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
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。
压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理
的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。经极化处理后，剩余极 化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷，由于这些束缚 电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并 使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或 垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间 距变小，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外 力是拉力时，将会出现充电现象。
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。
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。
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。
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。
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 态以及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。
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。
压电材料在施加电场时产生变形，在施加压力时产生 电压，利用这种效应可制作电能与机械能互换的驱动器， 在众多领域有广泛的应用。压电材料晶体结构中正负离子 中心不重合，施加电压时，离子产生微小位移从而使晶体 发生伸缩变形，通常，但这种电致变形很小(200V/mm的电 场下最多只有0.02%左右)。另外，目前广泛使用的锆钛酸 铅(PZT)压电材料，由于含有有毒的铅物质，其使用已受到 越来越多的限制。
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。
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。
第五章 压电和铁电材料
物质的压电效应
5.1 压电材料
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的
产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面
电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重
新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”： 机械
能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）
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。
压电陶瓷的应用
应用实例二：压电陶瓷驱动器。由于压电陶瓷具有把电能 转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时， 使材料的自发偶极矩发生变化，从而使材料的尺寸发生改 变，这种效应能产生200-300的微应变，据报道，88层的压 电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50μm的位移，响应 速度之快是其它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动 器所必须的材料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学系 统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
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压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
电介质材料
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压电材料
无对称中心的电介质
热释电材料
存在自发极化的压电材料
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
施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效
应”：电能转变为机械能。具有压电效应的物质称为压电材
料。
极化面 F Q
机械能｛
逆压电效应 压电介质
｝电能
正压电效应
F
压电效应及可逆性
在讨论介电性质时，绝缘体就称为电介质。
极化现象：当电介质放入电场中时，电荷不能象金属中的自由
电子那样自由运动，但是电荷质点在电场作用下发生相对位移，
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。
• 根据几何结晶学，在32种点群中，只有21种不具有对 称中心的晶族，其中点群（43）压电常数为0，剩余20 种具有压电性。而其中只有10种具有唯一极性轴（电偶 极距）的晶体具有热释电效应。而其中极化方向可以随 外电场转动的称为铁电体。
常用压电材料 ⑴ 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ⑵ 压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 ⑶ 压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。
压电陶瓷的性能
压电陶瓷的应用
压电材料—这一古老的材料，通过对其进行改性或与其 它材料复合，应用在智能材料与结构中可以解决传统技术中 难于解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取 代的，应引起压电材料研究者的高度重视和深入研究。
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。