壓電材料

　　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(huì)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(chǎng)，也能產(chǎn)生電偶極矩，并且其自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)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(huì)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(chǎng)則材料會(huì)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(zhǎng)技術(shù)的完善，使壓電薄膜成為主要的研究?jī)?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(shì)，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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)有所提高，但是低溫不僅使器件對(duì)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(shì):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(duì)簡(jiǎn)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(jí)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(hào)，在芯片中很容易處理這些電信號(hào)。