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你了解高溫壓電晶體嗎?
2020年12月11日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:167
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早在1880年,Jacques Curie和Pierre Curie兄弟就在石英上首次發現了壓電效應,但在當時這只是作為晶體的一個物理現象來研究,在應用上沒有引起人們的重視。

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居里兄弟

直到第一次世界大戰開始,德國先進的潛水艇讓英國深受威脅,為了想出制服潛艇的辦法,

英國兩位科學家在翻閱相關資料發現了居里兄弟在多年前發現的壓電效應,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射器和接收器,這便是有源聲納系統的開篇探索,也是壓電晶體得到大力發展的序章。

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聲吶裝置的水下擴展探頭

壓電效應原理

所謂的壓電效應(英語:Piezoelectricity),是電介質材料中一種機械能與電能互換的現象。壓電效應有兩種,正壓電效應及逆壓電效應。

①正效應:當對壓電材料施以物理壓強時,材料體內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生等量正負電荷,以保持原狀。這種由于形變而產生電極化的現象稱為“正壓電效應”。若欲持續產生電能,須使材料振動。

②逆效應: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生機械形變的過程稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。

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。

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正常情況下石英是不帶電的,但是若施加一個力對它進行擠壓,石英晶體就會變扁。如此一來,上方的負電荷就會離表面更近,上表面就會形成一層負電荷;同樣道理,下方的正電荷也會離表面更近,下表面就會形成一層正電荷,因此機械能便成功轉化為了電能。

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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。它們已廣泛應用于通訊、導航、自動控制、計量檢測、傳感技術等領域,成為21世紀高技術的主要研究方向之一。

隨著科學的迅猛發展,很多電子電器設備對其所選用的壓電器件性能參數提出了更高的要求,如高居里溫度及大功率特性、高頻穩定性等。但是,應用于高溫環境中的傳感器,其穩定性受壓電材料性能穩定性的影響,因此制備具有較高壓電性能和溫度穩定性的新型壓電材料,成為了當今研究熱點之一,目前人們較為關注的高溫壓電晶體材料有以下這些:

石英晶體

石英是最早得到應用的壓電材料,其化學成分為SiO2,熔點為1750℃,密度為2.65 g/cm3。石英晶體在573?C以下為α-石英,在573~870℃為β-石英,都具有壓電效應,但870℃以上變為鱗石英后則壓電性消失,但在350?C時會有機械孿生發生,使壓電性能降低,所以其使用溫度范圍被限制在350℃以下。

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石英晶體的晶胞結構

石英晶體的化學物理性能穩定,彈性振動損耗極小,具有機械品質因子高、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制備的晶振,已經廣泛應用于通信、導航、廣播、電子手表、手機等電子設備中。

電氣石

電氣石是一種天然晶體,化學式為(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31,有時還包括Li,Mn,Ti,Fe,Cr等元素。在電氣石的晶體結構中,6個硅氧四面體的角頂指向同一個方向,晶體結構屬于3m對稱,所以結構不存在對稱中心,因而具有壓電性.其壓電性能d33和介電常數約分別為2 pC/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,只能應用在600?C以下的壓力傳感器中,電氣石的人工生長方法還在探索中。

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電氣石的晶胞結構

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型晶體結構的一種類型,具有很高居里溫度1150℃,機電耦合系數為0.6,壓電常數d1575 pC/N,用提拉法容易生長出大尺寸單晶,但其物理性能不夠穩定,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,之后陸續提出雙坩堝連續加料法、助熔劑法、氣相運輸平衡技術等,其中助熔劑法和氣相運輸平衡技術都無法做到大規模生產,雙坩堝連續加料法則由于清洗問題而導致生產成本很高。

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LiNbO3的晶胞結構

LiNbO3晶體可用來制備壓電濾波器和聲表面波(surface acoustic wave, SAW)器件、高溫條件下的換能器和微聲器件等.因為LiNbO3晶體對熱敏感、熱穩定性差,所以在SAW領域石英和LiTaO3占比更大。LiNbO3晶體通過摻雜Fe,Cu,Mn等元素改性后在光學領域也有巨大的應用。

GaPO4晶體

GaPO4(GPO)晶體和石英晶體結構相同,因而很多特性和石英相似,具有高電阻率、高機械品質因數,室溫下Qm可達2000,在α-β相轉變點970℃以下壓電性能穩定。GPO最先采用水熱法制備晶體,但難以避免晶體內部OH?集團的存在,影響晶體內部有序/無序極化率,限制了其在壓電方面的應用,之后Li等提出高溫助熔劑法生產GPO晶體,有效抑制了內部OH?的存在.

GPO晶體被用于體聲波器件體聲波(bulk acoustic wave,BAW)器件和SAW器件所需要的溫度補償切型,其機電耦合系數明顯優于石英晶體。1994年AVL公司把GPO應用于非冷卻小型壓力換能器,Fachberger等將GPO晶體制備成高溫SAW裝置,并在600?C下實現了高頻濾波應用。

AlN晶體

AlN晶體為六方纖鋅礦結構,其晶體結構不存在對稱中心,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,在微電子領域得到廣泛應用。AlN晶體具有較弱的壓電效應:d33=5.6 pC/N,d14=9.7 pC/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,其壓電效應理論上一直存在。AlN晶體在SAW和BAW器件中具有重要應用。

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AlN的晶胞結構

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,其晶體結構不存在對稱中心,所以具有壓電性,有效壓電常數為6~7 pC/N,1470℃熔點以下沒有相變。

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LGS的晶體結構圖

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構,導致在高溫條件下電阻率較低,高溫下損耗較大,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。LGS晶體在諧振器、濾波器、SAW和BAW器件上的應用研究很多。

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,其晶體結構如下圖所示,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生,壓電常數d11較大,達4~7 pC/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800?C時電阻值可達108?·cm,表明其在高溫條件下使用的巨大潛力。

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 Yb, Gd共摻的ReCOB晶體的結構圖

資料來源:

高溫壓電材料、器件與應用,吳金根,高翔宇,陳建國,王春明,張樹君,董蜀湘。

高溫壓電晶體的生長、性能表征和應用研究,于法鵬。

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