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壓電陶瓷

壓電陶瓷. 壓電效應是指一種由電能轉換成機械能的方式，此現象於 1880 年由居里兄弟所發現，直到 1947 年由 S. Roberts 學者所發現直流電場對鈦酸鋇 (BaTiO 3 ) 陶瓷剩餘極化量之影響才開啟了陶瓷材料在壓電特性方面的應用與探討。 通常屬於鈣鈦礦結構的 ABO 3 材料皆可應用於壓電特性，例如： PbTiO 3 、 BaTiO 3 、 LaTiO 3 、 KNbO 3 、 NaNbO 3 、 KTaO 3 、 Pb(ZrTi)O 3 等材料。其中又以 Pb(ZrTi)O 3 (PZT) 系列為壓電材料的主流。

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壓電陶瓷

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  1. 壓電陶瓷

  2. 壓電效應是指一種由電能轉換成機械能的方式，此現象於1880年由居里兄弟所發現，直到1947年由S. Roberts 學者所發現直流電場對鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷剩餘極化量之影響才開啟了陶瓷材料在壓電特性方面的應用與探討。 • 通常屬於鈣鈦礦結構的ABO3材料皆可應用於壓電特性，例如：PbTiO3、BaTiO3、LaTiO3、KNbO3、NaNbO3、KTaO3、Pb(ZrTi)O3等材料。其中又以Pb(ZrTi)O3 (PZT)系列為壓電材料的主流。 • 被應用於各種元件上，例如：Sensor(感測器)、Actuator(驅動器)、Transducers(換能器)、SAW Filter(表面聲波濾波器)等。

  3. 正壓電效應當施力於壓電材料上時，由於材料體積的變化，我們可以在材料的表面量測到有微小電荷的產生。施力的方向相反，所產生電荷極性的方向也相反。正壓電效應當施力於壓電材料上時，由於材料體積的變化，我們可以在材料的表面量測到有微小電荷的產生。施力的方向相反，所產生電荷極性的方向也相反。 • 逆壓電效應當施加直流電壓在壓電材料的兩端時，會造成材料形狀的改變。而改變電壓的極性，材料變形的方向也會隨之改變。

  4. 壓電材料研究的歷史 1880年法國的P.Curie和J. Curie兄弟在研究熱電性與晶體對稱 性的關係時發現了正壓電效應這一物理現象，他們所 報導的這些晶體中就有後來廣爲研究的羅息鹽(酒石酸鉀鈉－NaKC4H4O6．4H2O) 1881年李普曼(G. Lippman)根據能量守恒和電荷量守恒的 原理，推測逆壓電效應(Converse piezoelectric effect) 的存在，這一預言很快就被居裏兄弟用實驗所證實。後來 發現了磷酸二氫鉀、硫酸鋰單水化合物和BaTiO3等重要壓 電晶體。 1916年朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發射和接收 換能器，這是最早的壓電換能器，並用於探測水下的物體。

  5. 1917年美國貝爾（Bell）實驗室的A.M. Nicolson製 成壓電拾音器和揚聲器，並在1918年取得壓電晶體振蕩器的專利。 1918 年 卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機械諧振頻率特有的電性能，導致羅息鹽電聲元件問世。 1919年用羅息鹽製成了電聲元件，這爲壓電材料 在通訊技術和頻率控制等方面的應用研究奠定了基礎。隨後羅息鹽又在濾波器、換能器和聲納等方面獲得了應用。 1921年 相繼研製成功石英諧振器和濾波器，開創 了壓電效應在穩頻、計時和電子技術方面 的應用。

  6. 1947年採用BaTiO3壓電陶瓷製成了拾音器，這對壓電材料的應用具有重大意義，極大地刺激了 壓電陶瓷材料的研究與應用開發。 1969年發現聚偏氟乙烯薄膜製程的駐極體具有優良 的壓電性後，聚合物駐極體的研究和應用迅 速發展起來。

  7. •壓電材料 單晶類:石英(quartz)、鈮酸鋰(LiNbO3) 、鉭酸鋰(LiTaO3) 薄膜類:氮化鋁(AlN) 、氧化鋅(ZnO) 陶瓷類:鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT) 聚合物:PVDF

  8. 各種壓電材料的優缺點 • 壓電單晶 優點：Q值較大，有良好的溫度特性。 缺點：製程困難。 • 陶瓷壓電材料 優點：抗酸鹼，機電耦合係數高，易製程任意形 狀。 缺點：溫度係數大，需高壓極化處理(kV/mm)。 • 高分子壓電材料 優點：低聲學阻抗特性，柔軟可做極薄的元件。 缺點：壓電參數小，需極高的極化電場(MV/mm)

  9. 壓電陶瓷材料之應用 壓電陶瓷按照應用分類共分爲七大類： 一、 壓電振盪及材料 二、 壓電聲電元件：蜂鳴器、送話器、受話器、壓電喇叭 三、 壓電超音波換能器：超音波清洗、超音波霧化、超音波美容、超音波探測 四、 資訊處理元件：濾波器、諧振器、檢波器、監頻器、表面聲波、延遲線 五、 動力裝置：點火器、超音波切割、超音波粘接、壓電馬達、壓電變壓器 六、 壓電感測器：速度、加速度計、角速度計、微位移器 七、 光電元件：光調節器、光調節閥、光電顯示、光資訊儲存、影象儲存和顯示 目前市場容量最大的元件是頻率元件，主要包括濾波器和諧振器。

  10. 表面聲波元件 表面聲波(surface acoustic wave,簡稱SAW)在1885年由英國的Lord Rayleigh所提出，因此也稱為Rayleigh波。 1965年以Rayleigh波作成的電子元件首次被開發出來，之後此一類稱為表面聲波元件的電子元件被大量使用在通訊系統方面。

  11. SAW有下列幾項優點： (1)形體較小，愈高頻率其形體愈小。 (2)可利用積體電路的製程方式生產，因此可量產，且可靠性高。 (3)元件特性受材料體形及特性之影響較小，主要是由元件之表面電極形狀所控制，因此只要適當的設計電極就可得到所需之特性。

  12. 表面聲波元件的基本架構 在一具有壓電性的基板上製作兩組指叉狀電極(interdigital transducer,簡稱IDT)，其中一組作為輸入端，另一組作為輸出端。 當加入外加電訊號時，作為輸入端的IDT將經由逆壓電效應來將電訊號轉成聲波，此一聲波將沿著基板上一特定方相的表面傳輸。當此一波動接觸到用作輸出端的IDT時，它將經由正壓電效應將接收到的表面聲波轉成電訊號輸出。 輸入IDT和輸出IDT之間的基板部分稱為延遲線（delay line），而延遲線上的任何的變化可以藉由比較輸入和輸出端的RF訊號來檢測出來。

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