居里兄弟

聲吶裝置的水下擴(kuò)展探頭

壓電效應(yīng)原理

所謂的壓電效應(yīng)（英語：Piezoelectricity），是電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)有兩種，正壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)。

①正效應(yīng)：當(dāng)對(duì)壓電材料施以物理壓強(qiáng)時(shí)，材料體內(nèi)之電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。若欲持續(xù)產(chǎn)生電能，須使材料振動(dòng)。

②逆效應(yīng)：當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)（電壓），因電場(chǎng)作用時(shí)電偶極矩會(huì)被拉長，壓電材料為抵抗變化，會(huì)沿電場(chǎng)方向伸長。這種通過電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。

高溫壓電晶體的種類

目前主要的壓電器件有用于頻率選擇的濾波器，頻率控制的諧振器，高靈敏度的溫度、壓力、氣體、流量和加速度傳感器等。它們已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)、傳感技術(shù)等領(lǐng)域，成為21世紀(jì)高技術(shù)的主要研究方向之一。

隨著科學(xué)的迅猛發(fā)展，很多電子電器設(shè)備對(duì)其所選用的壓電器件性能參數(shù)提出了高的要求，如高居里溫度及大功率特性、高頻穩(wěn)定性等。但是，應(yīng)用于高溫環(huán)境中的傳感器，其穩(wěn)定性受壓電材料性能穩(wěn)定性的影響，因此制備具有較高壓電性能和溫度穩(wěn)定性的新型壓電材料，成為了當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一，目前人們較為關(guān)注的高溫壓電晶體材料有以下這些：

石英晶體

石英晶體的晶胞結(jié)構(gòu)

石英晶體的化學(xué)物理性能穩(wěn)定，彈性振動(dòng)損耗極小，具有機(jī)械品質(zhì)因子高、機(jī)械損耗和介電損耗極低、帶寬窄的特性。由于天然石英晶體數(shù)量有限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)壓電器件的需求，水熱法已成為生產(chǎn)人造石英晶體的重要方法，目前基于石英晶體機(jī)電耦合效應(yīng)制備的晶振，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、廣播、電子手表、等電子設(shè)備中。

電氣石

電氣石是一種天然晶體，化學(xué)式為(Na，Ca)(Mg，F(xiàn)e)3B3Al6Si6(O，OH，F(xiàn))31，有時(shí)還包括Li，Mn，Ti，F(xiàn)e，Cr等元素。在電氣石的晶體結(jié)構(gòu)中，6個(gè)硅氧四面體的角頂指向同一個(gè)方向，晶體結(jié)構(gòu)屬于3m對(duì)稱，所以結(jié)構(gòu)不存在對(duì)稱中心，因而具有壓電性.其壓電性能d33和介電常數(shù)約分別為2pC/N和5.電氣石相比石英晶體在熔點(diǎn)前沒有相變和孿生，但受限于其強(qiáng)熱電效應(yīng)，只能應(yīng)用在600C以下的壓力傳感器中，電氣石的人工生長方法還在探索中。

電氣石的晶胞結(jié)構(gòu)

LiNbO3晶體

1949年，美國研究者首次研制出了同時(shí)具有較高居里溫度和較大壓電性能的LiNbO3，NaNbO3，KNbO3等鐵電晶體材料。LiNbO3晶體室溫下鐵電相為三方晶系，為ABO3型晶體結(jié)構(gòu)的一種類型，具有很高居里溫度1150℃，機(jī)電耦合系數(shù)為0.6，壓電常數(shù)d15約75pC/N，用提拉法容易生長出大尺寸單晶，但其物理性能不夠穩(wěn)定，高溫電阻低、損耗大，所以其使用溫度不能超過600℃。LiNbO3首次制備是采用提拉法，但樣品組分不均勻，之后陸續(xù)提出雙坩堝連續(xù)加料法、助熔劑法、氣相運(yùn)輸平衡技術(shù)等，其中助熔劑法和氣相運(yùn)輸平衡技術(shù)都無法做到大規(guī)模生產(chǎn)，雙坩堝連續(xù)加料法則由于清洗問題而導(dǎo)致生產(chǎn)成本很高。

LiNbO3的晶胞結(jié)構(gòu)

GaPO4晶體

GaPO4(GPO)晶體和石英晶體結(jié)構(gòu)相同，因而很多特性和石英相似，具有高電阻率、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，室溫下Qm可達(dá)2000，在α-β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)970℃以下壓電性能穩(wěn)定。GPO先采用水熱法制備晶體，但難以避免晶體內(nèi)部OH集團(tuán)的存在，影響晶體內(nèi)部有序/無序極化率，限制了其在壓電方面的應(yīng)用，之后Li等提出高溫助熔劑法生產(chǎn)GPO晶體，有效抑制了內(nèi)部OH的存在。

AlN晶體

AlN晶體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)不存在對(duì)稱中心，所以具有壓電性，由于其高電阻率(1011—1013·cm)和高介電擊穿電壓，在微電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。AlN晶體具有較弱的壓電效應(yīng)：d33=5.6pC/N，d14=9.7pC/N，但具有非常高的居里溫度。AlN晶體的熔點(diǎn)為2000℃以上，在熔點(diǎn)前沒有相變，因此在晶體熔點(diǎn)溫度以下，其壓電效應(yīng)理論上一直存在。AlN晶體在SAW和BAW器件中具有重要應(yīng)用。

AlN的晶胞結(jié)構(gòu)

硅酸鎵鑭晶體

硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，LGS)晶體屬于三角晶系，其中十面體A和八面體B處于z=0的位置，四面體C和D處在z=1/2的位置，其晶體結(jié)構(gòu)不存在對(duì)稱中心，所以具有壓電性，有效壓電常數(shù)為6~7pC/N，1470℃熔點(diǎn)以下沒有相變。

LGS的晶體結(jié)構(gòu)圖

硼酸氧鈣稀土晶體

硼酸氧鈣稀土（ReCOB，其中Re表示稀土元素）晶體主要包括GdCOB，YCOB和LaCOB，屬于單斜晶系，其晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示，不存在對(duì)稱中心，所以具有壓電性，熔點(diǎn)大約在1500℃，且在熔點(diǎn)以下沒有相變發(fā)生，壓電常數(shù)d11較大，達(dá)4~7pC/N，具有較高Qm值和較低損耗。ReCOB通常采用提拉法生長晶體，在熔點(diǎn)以上可以很容易制備出大尺寸晶體。ReCOB晶體具有高阻抗特性，YCOB晶體在800C時(shí)電阻值可達(dá)108·cm，表明其在高溫條件下使用的巨大潛力。