壓電材料

　　的鐵電材料都同時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。當溫度高于某一臨界值時，其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，正負電荷中心重合，自發(fā)極化消失，這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實現(xiàn)機械能-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基的半導體技術(shù)兼容。另外，AlN的能隙高達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，因此制備絕緣性好的ZnO困難。良好的直流導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)動器在10KHz以下工作時有很大的損耗。
 

　　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)變時產(chǎn)生的電壓;e231，f/ε0ε33是面內(nèi)波的機電耦合系數(shù);e233/(ε0ε33c3D3)≈d233，f·c3E3/ε0ε33是厚度波的機電耦合系數(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。例如目前報導的PZT薄膜在準同型相界(MPB)附近<001>方向上的e31，f高達27C/m2，而隨機取向的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MPB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Zr摻雜量達到50%時出現(xiàn)MPB，壓電系數(shù)d和e達到大值。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際應(yīng)用。因此，目前在研究壓電材料獲得準同型相界的同時如何提高相變溫度也是研究重點之一。在準同型相界附近的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。而報導的BiScO3-PbTiO336/64陶瓷壓電系數(shù)d33高達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作用。
 

　　壓電材料的應(yīng)用十分廣泛，粗略地分為振動能和超聲振動能-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)動器應(yīng)用，而驅(qū)動器和傳感器正是近年來出現(xiàn)的微機電系統(tǒng)MEMS的核心研究開發(fā)內(nèi)容。MEMS是微電子與微機械的結(jié)合體，是隨著半導體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(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，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)動器雖然有了很大的進展，但是這類器件不僅要求發(fā)達的圖像成形技術(shù)以滿足小尺寸要求，同時還要克服容易受到外界環(huán)境的巨大影響的弱點，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力，能耗很低并且具有寬廣的動態(tài)范圍和低噪音層。③壓電材料在很小的驅(qū)動電壓下就能產(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)動設(shè)備如熱式或者磁式驅(qū)動器的反應(yīng)較慢。④在微米量級上，由于傳統(tǒng)電磁驅(qū)動器尺寸達不到要求，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，并且像靜電感應(yīng)那樣，壓電傳感或者驅(qū)動只需電接觸就能產(chǎn)生電信號，在芯片中很容易處理這些電信號。