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壓電材料

日期:2020-12-30瀏覽:1614次

  的鐵電材料都同時(shí)具備鐵電性和壓電性。鐵電性是指在一定溫度范圍內(nèi)材料會產(chǎn)生自發(fā)極化。由于鐵電體晶格中的正負(fù)電荷中心不重合,因此即使沒有外加電場,也能產(chǎn)生電偶極矩,并且其自發(fā)極化可以在外電場作用下改變方向,如1a。當(dāng)溫度高于某一臨界值時(shí),其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,正負(fù)電荷中心重合,自發(fā)極化消失,這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能相互轉(zhuǎn)換的一種性質(zhì)。若在某一方向上給材料施加外力使材料發(fā)生形變,其內(nèi)部會發(fā)生極化并在表面產(chǎn)生電荷,這就是壓電效應(yīng);相反,若給材料施加電場則材料會發(fā)生形變而產(chǎn)生機(jī)械力,這就是逆壓電效應(yīng),如圖。的鐵電材料都具備上述2種特性,這是構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)的材料基礎(chǔ)之一。隨著器件微型化要求的逐步提高,傳統(tǒng)的壓電塊體正逐步向壓電薄膜過渡,特別是微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectromechanicalSys-tem,MEMS)的出現(xiàn)以及薄膜生長技術(shù)的完善,使壓電薄膜成為主要的研究內(nèi)容,如圖。
 
  并非的壓電材料都具備鐵電性,如壓電薄膜ZnO,AlN就不具備鐵電性。這兩者有著近似的壓電性能,都在方向上表現(xiàn)出壓電性。一般來說AlN比ZnO有著更大的優(yōu)勢,首先AlN能夠更好地和Si基的半導(dǎo)體技術(shù)兼容。另外,AlN的能隙高達(dá)6eV,有著更好的電絕緣性,而ZnO的能隙只有3eV,并且Zn離子容易變價(jià),因此制備絕緣性好的ZnO困難。良好的直流導(dǎo)電性會使材料在低頻下的介電損耗變大,基于這類材料的傳感器和驅(qū)動(dòng)器在10KHz以下工作時(shí)有很大的損耗。
 
  表1列出了3種壓電薄膜的主要性能參數(shù),其中e31,f和d33,f均為壓電常數(shù),分別代表極化強(qiáng)度P同應(yīng)變、應(yīng)力之間的關(guān)系;ε33是電容率,tanδ是介電損耗;e31,f/ε0ε33是壓電薄膜應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的電壓;e231,f/ε0ε33是面內(nèi)波的機(jī)電耦合系數(shù);e233/(ε0ε33c3D3)≈d233,f·c3E3/ε0ε33是厚度波的機(jī)電耦合系數(shù);e31,f/sqrt(ε0ε33tanδ)是信噪比;c3E3為彈性常量。
 
  相對于AlN和ZnO來說(表1),鐵電薄膜鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)有著更高的壓電常數(shù),PZT是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),晶格取向、成分、晶粒尺寸以及應(yīng)力邊界等都會影響PZT薄膜的壓電性能。例如目前報(bào)導(dǎo)的PZT薄膜在準(zhǔn)同型相界(MPB)附近<001>方向上的e31,f高達(dá)27C/m2,而隨機(jī)取向的PZT薄膜e31,f只有7C/m2左右。壓電系數(shù)的提高對降低驅(qū)動(dòng)電壓或者提高響應(yīng)速度至關(guān)重要。近年來的相關(guān)研究大部分集中在晶格取向或者M(jìn)PB對鐵電薄膜壓電性能的影響方面。在Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜中隨著Zr含量的增加,PZT晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變,從四方相(111)逐步向三方相(100)轉(zhuǎn)變,而當(dāng)Zr摻雜量達(dá)到50%時(shí)出現(xiàn)MPB,壓電系數(shù)d和e達(dá)到大值。但是,PZT薄膜要應(yīng)用到具體器件中,除了需要MPB之外還要有合適的相變溫度。一般來說,低溫下PZT薄膜的壓電性能會有所提高,但是低溫不僅使器件對溫度產(chǎn)生依賴,更重要的是妨礙了壓電器件的實(shí)際應(yīng)用。因此,目前在研究壓電材料獲得準(zhǔn)同型相界的同時(shí)如何提高相變溫度也是研究重點(diǎn)之一。在準(zhǔn)同型相界附近的PZT和PbYb1/2Nb1/2O3-PbTiO3薄膜的相轉(zhuǎn)變溫度都在360℃附近,BiMeO3-PbTiO3的相變溫度更高一點(diǎn)。而報(bào)導(dǎo)的BiScO3-PbTiO336/64陶瓷壓電系數(shù)d33高達(dá)465pC/N并且相變溫度為450℃。同陶瓷或者單晶相比,壓電薄膜的相變溫度略有差異(誤差在50℃左右),因此塊體材料的研究起著很好的引導(dǎo)作用。
 
  壓電材料的應(yīng)用十分廣泛,粗略地分為振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器,包括電聲換能器,水聲換能器和超聲換能器等,還有其它一些傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用,而驅(qū)動(dòng)器和傳感器正是近年來出現(xiàn)的微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的核心研究開發(fā)內(nèi)容。MEMS是微電子與微機(jī)械的結(jié)合體,是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的,有著高度集成化、微型化的特點(diǎn),在眾多工業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。
 
  由于壓電薄膜具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)并且介電常數(shù)高、穩(wěn)定性好,因此制備出來的微型傳感器和驅(qū)動(dòng)器等壓電器件有眾多優(yōu)勢:①在高頻共振體系中,傳統(tǒng)的高頻靜電驅(qū)動(dòng)器雖然有了很大的進(jìn)展,但是這類器件不僅要求發(fā)達(dá)的圖像成形技術(shù)以滿足小尺寸要求,同時(shí)還要克服容易受到外界環(huán)境的巨大影響的弱點(diǎn),而壓電材料本身的諧振頻率就在MHz~GHz之間,并且有著很好的溫度穩(wěn)定性,工藝制造相對簡單很多,
 
  而且已經(jīng)制備出了如掃描聲學(xué)顯微鏡和薄膜聲波諧振器(FBAR)等MEMS器件。②微型壓電傳感器除了必要的電荷或者電壓之外并不需要額外的動(dòng)力,能耗很低并且具有寬廣的動(dòng)態(tài)范圍和低噪音層。③壓電材料在很小的驅(qū)動(dòng)電壓下就能產(chǎn)生很大的振幅,幾乎沒有滯后現(xiàn)象,這意味著響應(yīng)速度快,而其它的基于電流的驅(qū)動(dòng)設(shè)備如熱式或者磁式驅(qū)動(dòng)器的反應(yīng)較慢。④在微米量級上,由于傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)器尺寸達(dá)不到要求,已經(jīng)很難應(yīng)用在MEMS上,而壓電傳感器卻有著小尺寸、高能量集成的優(yōu)點(diǎn),并且像靜電感應(yīng)那樣,壓電傳感或者驅(qū)動(dòng)只需電接觸就能產(chǎn)生電信號,在芯片中很容易處理這些電信號。

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