Unit 5 电介质材料(压电和铁电材料) 电子器件与工艺课件
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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
2020/10/2
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。
2020/10/2
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。
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。
+++++++++
压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
电介质材料
---------------
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
2020/10/2
2020/10/2
第五章 压电和铁电材料
2020/10/2
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）
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。
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
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。
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。
2020/10/2
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。
2020/10/2
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。
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
2020/10/2
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，
2020/10/2
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。
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
2020/10/2
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。
2020/10/2
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。
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
2020/10/2
2020/10/2
第五章 压电和铁电材料
2020/10/2
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）
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。
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
2020/10/2
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。
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。
2020/10/2
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。
2020/10/2
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。
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
2020/10/2
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，
2020/10/2
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。