晶片濾波器的關鍵——壓電材料和壓電效應

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在前面的學習中,我們對 晶片濾波器 的工作原理有了初步的瞭解。這些都源於一個神奇的材料——壓電材料,它有一個神奇的效應——壓電效應。正是這個壓電效應,把電磁波和聲波(機械波)結合到了一起。那麼今天我們一起去學習一下這個神奇的壓電效應。

壓電的歷史

1880 年,皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟在巴黎科學學院擔任實驗室助理。他們發現,對石英、電氣石和羅謝爾鹽等晶體施加壓力會在這些材料的表面產生電荷。這種將機 械能轉化為電能的過程稱為直接壓電效應。“Piezo”源自希臘語,意為“按壓”。後來Jacques 在 1889 年的Annales de Chimie et de Physique論文中總結了這一觀察結 果:如果一個人沿著(石英塊的)主軸拉動或擠壓,則在該軸的末端會出現等量的相反符號的電量,與作用力成正比,並且與石英的尺寸無關。

加布裡埃爾·李普曼(Gabriel Lippman)在 1881 年通過對基本熱力學原理的數學推導預測了相反的效果,即對這些材料施加電場會導致內部產生機械應變。居里夫婦通過實驗迅速證明了這種 逆壓電效應

壓電的發現引起了歐洲科學界的極大興趣,壓電在 19 世紀最後 25 世紀發展成為一個新的研究領域。這項研究在 1910 年出版的 Woldemar Voigt 的 Lehrbuch der Kristallphysik(晶體物理學教科書)中達到了高潮,其中描述了發生壓電效應的 20 種天然晶體類別。

儘管居里的發現引起了科學界的興趣,但壓電材料的首次實際應用還需要一段時間。

壓電的應用

第一個實際應用是聲納,它是在第一次世界大戰期間由 Paul Langevin 和他的同事在法國開發的。他們建造了一個超聲波海底探測器,該探測器由一個感測器和一個水聽器組成,該感測器由粘在兩塊鋼板之間的薄石英晶體制成。換能器向水中發射一個高頻脈衝,而水聽器則檢測到返回的回聲。通過測量聽到回聲所花費的時間,可以計算出深度。

探測器的設計直到戰後才得以完善。然而,在工業國家,該專案的成功引起了人們對壓電裝置的濃厚興趣。因此,在第一次世界大戰和第二次世界大戰之間的幾年中,壓電晶體的許多新應用被開發出來,例如麥克風、加速度計、留聲機拾音器和訊號濾波器。

超聲波換能器也被進一步開發並用於測量材料的彈性和粘度。這導致了材料研究的巨大進步。此外,通過 時域反射 儀的開發,以前在鑄造金屬和石頭物體中看不見的缺陷變得可以檢測到,從而提高了結構安全性。

天然材料(如石英、電氣石和羅謝爾鹽)的壓電效應相對較小。某些被稱為鐵電體的合成材料的壓電常數比天然材料高很多倍。

鐵電陶瓷材料鈦酸鋇(BaTiO3)是二戰期間三個國家(美國、日本和俄羅斯)的研究小組獨立發現的。鋯鈦酸鉛 (PZT) 具有更高的靈敏度和更高的工作溫度,由東京工業大學的物理學家於 1952 年開發。

在二戰後的幾十年裡,美國取得了重大的技術發展,但壓電裝置的市場發展落後於這一技術發展。這可以歸因於在進行開發的公司內部運作的保密性質。這可能部分是因為該領域的戰時開始,部分是因為人們相信專利和祕密工藝會帶來高額利潤。

相比之下,在日本,製造商共享資訊,從而迅速克服技術挑戰並創造新市場。材料研究還催生了不受專利限制的新壓電陶瓷系列。日本製造商開發的產品包括用於電視和收音機市場的訊號濾波器,以及壓電陶瓷點火器。

壓電原理

從壓電的發現歷史中,我們知道,壓電效應就是材料受到壓力能夠產生電壓,即利用機械能轉變為電能的過程;而逆壓電效應就是材料受電壓發生形變的過程,即電能轉換為機械能的過程。下圖給了壓電效應的示意圖。

這個來源於材料的特 殊性。規則 晶體由它們通過鍵結合在一起的有組織和重複的原子結構定義,這被稱為晶胞。對於非壓電材料晶胞中正負離子的整體電荷中心重合,即使施加變形,它們也會抵消,不會出現整體極化。例如鐵,銅等金屬材料。

而對於壓電材料,晶體中的結構是不對稱的,但是當不受外力時,晶體處於穩定狀態,對外不呈現電極性,但是當受到外力時,晶體裡的原子會發生位移,晶體裡面電平衡會發生變化,進而產生電極性。同樣,當你對壓電材料施加電壓時,晶體會膨脹和收縮,將電能轉換為機械能。

壓電方程

通過前面的描述,壓電效應實質上是指材料的機械效能和電效能的一個結合。對於材料的機械效能,要滿足彈性材料的胡克定律:

式中

S是材料的應變

T 是受到的壓力

s是材料的應變係數

而對於材料的電特性,可以由電位移方程來描述

式中

D是電位移密度

e 指材料的相對介電常數

E 是電場強度

而這些方程可以組成壓電 耦合方程,如下式,這個就是壓電效應的最基本方程,對於不同的壓電材料,其壓電特性有所不同,其壓電係數也不相同,比如石英的壓電係數為 3 × 10 -12,鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電係數為3×10 -10。

壓電材料

在壓電效 應的發現過程中,居里夫婦測試了很多中材料的表面電荷,發現蔗糖,電氣石,石英,黃玉,羅謝爾鹽 等材料具備壓電效應,並且石英和羅謝爾鹽的壓電效應最高。在科學家的不斷髮現中,越來越多的壓電材料被發現和製造。我們把他們歸為一下幾類。

① 天然晶體:石英,蔗糖,羅謝爾鹽,黃玉,電氣石,柏林石。

人造水晶:正磷酸鎵 (GaPO 4 ),Langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 )

③壓電陶瓷 :鈦酸鋇(BaTiO 3 )鈦酸鉛 (PbTiO 3 ) 鋯鈦酸鉛 (PZT) 鈮酸鉀 (KNbO 3 ) 鈮酸鋰 (LiNbO 3 ) 鉭酸鋰(LiTaO 3)鎢酸鈉(Na 2 WO 4)鈮酸鉀鈉 (NaKNb) 鉍鐵氧體 (BiFeO 3 ) 鈮酸鈉 (NaNbO 3 ) 氮化鋁ALN 氧化鋅ZnO

④ 生物壓電材料:肌腱  木頭  絲綢  搪瓷  牙本質  膠原

材料是技術發展的前提,在射頻領域也是如此,無論是氮化鎵的應用,還是壓電材料的應用,都促進了射頻設計的極大發展。對於射頻人來說,大都缺乏材料科學的相關知識,也希望通過這篇文章,我們對壓電材料有個初步的認識,以便後續課程的學習。

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