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新環(huán)境，新材料下高溫壓電晶的相關(guān)知識
發(fā)布時間：2022-09-02瀏覽次數(shù)：1039返回列表
新環(huán)境，新材料下高溫壓電晶的相關(guān)知識
推薦產(chǎn)品：GDPT-900A型高低溫壓電測試系統(tǒng)
早在1880年，JacquesCurie和PierreCurie兄弟就在石英上首次發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，但在當時這只是作為晶體的一個物理現(xiàn)象來研究，在應(yīng)用上沒有引起人們的重視。
居里兄弟
直到次世界大戰(zhàn)開始，德國的潛水艇讓英國深受威脅，為了想出制服潛艇的辦法，英國兩位科學(xué)家在翻閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)了居里兄弟在多年前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)，于是便開始著手研究，一年后成功利用石英物資研制了一種超聲波發(fā)射器和接收器，這便是有源聲納系統(tǒng)的開篇探索，也是壓電晶體得到大力發(fā)展的序章。
聲吶裝置的水下擴展探頭
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)：當對壓電材料施以物理壓強時，材料體內(nèi)之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產(chǎn)生等量正負電荷，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。
②逆效應(yīng)：當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產(chǎn)生機械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。
舉個典型例子：石英。石英其實就是二氧化硅材料，排布成一個正四面體的形狀。如果我們從某一個特殊的角度去看，大致可以把它畫成如下這個簡易的樣子——硅原子帶正電，旁邊有兩個氧原子是帶負電的，往下也是兩個硅原子帶正電，然后一個氧原子帶負電。
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、自動控制、計量檢測、傳感技術(shù)等領(lǐng)域，成為21世紀高技術(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，成為了當今研究熱點之一，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
石英是早得到應(yīng)用的壓電材料，其化學(xué)成分為SiO2，熔點為1750℃，密度為2.65g/cm3。石英晶體在573C以下為α-石英，在573~870℃為β-石英，都具有壓電效應(yīng)，但870℃以上變?yōu)轺[石英后則壓電性消失，但在350C時會有機械孿生發(fā)生，使壓電性能降低，所以其使用溫度范圍被限制在350℃以下。
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，彈性振動損耗極小，具有機械品質(zhì)因子高、機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，遠遠不能滿足人們對壓電器件的需求，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個硅氧四面體的角頂指向同一個方向，晶體結(jié)構(gòu)屬于3m對稱，所以結(jié)構(gòu)不存在對稱中心，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前沒有相變和孿生，但受限于其強熱電效應(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、氣相運輸平衡技術(shù)等，其中助熔劑法和氣相運輸平衡技術(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、高機械品質(zhì)因數(shù)，室溫下Qm可達2000，在α-β相轉(zhuǎn)變點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。
GPO晶體被用于體聲波器件體聲波（bulkacousticwave，BAW）器件和SAW器件所需要的溫度補償切型，其機電耦合系數(shù)明顯優(yōu)于石英晶體。1994年AVL公司把GPO應(yīng)用于非冷卻小型壓力換能器，F(xiàn)achberger等將GPO晶體制備成高溫SAW裝置，并在600C下實現(xiàn)了高頻濾波應(yīng)用。
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晶體的熔點為2000℃以上，在熔點前沒有相變，因此在晶體熔點溫度以下，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)
AlN晶體制備方法有氫化物氣相外延法、分子束外延法、金屬有機化合物氣相沉積法、物理氣相傳輸法等。其中PVT法由于生長速率快、結(jié)晶完整性好、安全性好成為制備大尺寸AlN晶體的有效方案。
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)不存在對稱中心，所以具有壓電性，有效壓電常數(shù)為6~7pC/N，1470℃熔點以下沒有相變。
LGS的晶體結(jié)構(gòu)圖
LGS晶體容易采用提拉法制備大尺寸晶體，但由于晶體的無序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在高溫條件下電阻率較低，高溫下?lián)p耗較大，使用溫度小于600℃。目前，很多研究者對LGS晶體進行摻雜改性，如稀土元素等大原子摻雜可以提高其機電耦合系數(shù)。LGS晶體在諧振器、濾波器、SAW和BAW器件上的應(yīng)用研究很多。
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，不存在對稱中心，所以具有壓電性，熔點大約在1500℃，且在熔點以下沒有相變發(fā)生，壓電常數(shù)d11較大，達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時電阻值可達108·cm，表明其在高溫條件下使用的巨大潛力。
