壓電傳感器的原理及應(yīng)用說明

一、壓電效應(yīng)及壓電材料

1、壓電效應(yīng)

壓電材料是指受到壓力作用在其兩端面會(huì)出現(xiàn)電荷的一大類單晶或多晶的固體材料，它是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞的重要載體。最早報(bào)道材料具有壓電特性的是法國物理學(xué)家居里兄弟，1880年他們發(fā)現(xiàn)把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成正比，并將其成為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。某些介電體在機(jī)械力作用下發(fā)生形變，使介電體內(nèi)正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而極化，以致兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成比例。這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果將具有壓電效應(yīng)的介電體置于外電場中，電場使介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷位移，導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生形變。這種由“電”產(chǎn)生“機(jī)械變形”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點(diǎn)陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長方法包括水熱法、提拉法、坩堝下降法和泡生法等。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷則泛指壓電多晶體， 是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體， 具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷。壓電陶瓷材料具有良好的耐潮濕、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。壓電陶瓷材料包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。

（3）壓電薄膜

壓電薄膜材料是原子或原子團(tuán)經(jīng)過或?yàn)R射的方法沉積在襯底上而形成的，其結(jié)構(gòu)可以是費(fèi)靜態(tài)、多晶甚至是單晶。壓電薄膜制備的器件不需要使用價(jià)格昂貴的壓電單晶，只要在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經(jīng)濟(jì)和省料的特點(diǎn)。而且制備薄膜過程中按照一定取向來沉積薄膜，不需要進(jìn)行極化定向和切割等工藝。另外，利用壓電薄膜制備的器件應(yīng)用范圍廣泛、制作簡單、成本低廉，同時(shí)其能量轉(zhuǎn)換效率高，還能與半導(dǎo)體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的趨勢。

壓電薄膜的主要制備方法

目前應(yīng)用較為廣泛的壓電薄膜材料主要有氮化鋁AlN)、氧化鋅(ZnO)和 PZT系列的壓電薄膜材料。性能比較如下表所示：

AlN是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的重要III-V族氮化物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。與ZnO和PZT壓電薄膜相比較，AlN薄膜的壓電響應(yīng)較低，但是其優(yōu)點(diǎn)在于AlN薄膜的聲波速較高，這就使得AlN薄膜可以用來制備高頻下如GHz的濾波器件和高頻諧振器等。此外，AlN壓電薄膜是一種很好的高溫材料，因?yàn)锳lN材料的壓電性在溫度為1200℃時(shí)依舊良好，所以AlN壓電薄膜器件能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，該薄膜材料還具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在腐蝕性工作環(huán)境下薄膜器件依舊能夠正常工作而不受影響。AlN材料還具有良好的熱傳導(dǎo)性能，在器件工作時(shí)會(huì)及時(shí)將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)熱過多而減少器件的使用壽命。由于AlN薄膜材料的多方面性能優(yōu)點(diǎn)使其得到了相應(yīng)的應(yīng)用。例如基于AlN壓電薄膜的體聲波諧振器（FBAR），其諧振頻率可達(dá)GHz，在通訊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

ZnO與AlN一樣具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量高c軸擇優(yōu)取向的ZnO具有很好的壓電性能。ZnO晶格常數(shù)與硅襯底相差不多，所以晶格匹配度高。目前制備潔凈度高的ZnO薄膜技術(shù)已經(jīng)很成熟。然而，ZnO很大的缺陷在于難以用于惡劣的環(huán)境，由于其是兩性氧化物，所以抗腐蝕的能力很弱，這就影響了其在一些特定環(huán)境下的應(yīng)用。

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的二元系固溶體，其化學(xué)式為Pb（Zr1-xTix）O3，簡寫為PZT。PbTiO3和PbZrO3均是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所以PZT也是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。此外，還可以在PZT中添加其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）來改善性能。

PZT薄膜是目前應(yīng)用最為廣泛的壓電材料之一，就是高壓電特性的PZT材料已經(jīng)被大量應(yīng)用在了揚(yáng)聲器、超聲成像探頭、超聲換能器、蜂鳴器和超聲電機(jī)等電子器件中。最早人們利用溶膠-凝膠法制備了PZT薄膜，并在MEMS器件中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，如驅(qū)動(dòng)器、換能器和壓力傳感器。隨著薄膜制備技術(shù)的提高，開始涌現(xiàn)出多種制備手段，并且也利用多種技術(shù)制備了PZT壓電薄膜，如磁控濺射技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和金屬化合物氣相沉積技術(shù)等。PZT壓電薄膜與非鐵電的ZnO材料相比較，最重要的優(yōu)點(diǎn)就是PZT材料具有鐵電性，在一定的外加電場和溫度條件下，PZT材料內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，自發(fā)極化方向重新確定，這樣使得在多晶材料中原本隨機(jī)排列的極化軸通過電場的作用取向排列而產(chǎn)生了凈壓電響應(yīng)。所以PZT材料的壓電性能要高于ZnO材料，是ZnO的兩倍以上。在光電子學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)和集成光學(xué)等領(lǐng)域，PZT薄膜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

PZT薄膜材料具有高介電常數(shù)、低的聲波速度、高的耦合系數(shù)，橫向壓電系數(shù)和縱向壓電系數(shù)在三者之中最高，也被視為三者之中最為有前途的壓電薄膜材料，但是PZT薄膜制備過程復(fù)雜，與MEMS工藝兼容性較差，制備過程須嚴(yán)格控制各組分的比例，壓電特性受到晶向、成分配比、顆粒度等因素影響，重復(fù)制備高質(zhì)量的PZT薄膜存在較大困難。目前工業(yè)界最常采用的壓電材料仍以AlN為主流。