芯片濾波器技術(shù)關(guān)鍵——壓電效應(yīng)

在前面的學(xué)習(xí)中，我們對(duì)芯片濾波器的工作原理有了初步的了解。這些都源于一個(gè)神奇的材料——壓電材料，它有一個(gè)神奇的效應(yīng)——壓電效應(yīng)。正是這個(gè)壓電效應(yīng)，把電磁波和聲波（機(jī)械波）結(jié)合到了一起。那么今天我們一起去學(xué)習(xí)一下這個(gè)神奇的壓電效應(yīng)。

壓電的歷史

1880 年，皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟在巴黎科學(xué)學(xué)院擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室助理。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)石英、電氣石和羅謝爾鹽等晶體施加壓力會(huì)在這些材料的表面產(chǎn)生電荷。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程稱為直接壓電效應(yīng)?！?a href="http://wenjunhu.com/tags/pi/" target="_blank">Piezo”源自希臘語(yǔ)，意為“按壓”。后來(lái)Jacques 在 1889 年的Annales de Chimie et de Physique論文中總結(jié)了這一觀察結(jié)果：如果一個(gè)人沿著（石英塊的）主軸拉動(dòng)或擠壓，則在該軸的末端會(huì)出現(xiàn)等量的相反符號(hào)的電量，與作用力成正比，并且與石英的尺寸無(wú)關(guān)。

? 加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippman）在 1881 年通過(guò)對(duì)基本熱力學(xué)原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)預(yù)測(cè)了相反的效果，即對(duì)這些材料施加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。居里夫婦通過(guò)實(shí)驗(yàn)迅速證明了這種逆壓電效應(yīng)。

? 壓電的發(fā)現(xiàn)引起了歐洲科學(xué)界的極大興趣，壓電在 19 世紀(jì)最后 25 世紀(jì)發(fā)展成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域。這項(xiàng)研究在 1910 年出版的 Woldemar Voigt 的 Lehrbuch der Kristallphysik（晶體物理學(xué)教科書(shū)）中達(dá)到了高潮，其中描述了發(fā)生壓電效應(yīng)的 20 種天然晶體類別。 ? 盡管居里的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的興趣，但壓電材料的首次實(shí)際應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

壓電的應(yīng)用

第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是聲納，它是在第一次世界大戰(zhàn)期間由 Paul Langevin 和他的同事在法國(guó)開(kāi)發(fā)的。他們建造了一個(gè)超聲波海底探測(cè)器，該探測(cè)器由一個(gè)傳感器和一個(gè)水聽(tīng)器組成，該傳感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(fā)射一個(gè)高頻脈沖，而水聽(tīng)器則檢測(cè)到返回的回聲。通過(guò)測(cè)量聽(tīng)到回聲所花費(fèi)的時(shí)間，可以計(jì)算出深度。

? 探測(cè)器的設(shè)計(jì)直到戰(zhàn)后才得以完善。然而，在工業(yè)國(guó)家，該項(xiàng)目的成功引起了人們對(duì)壓電設(shè)備的濃厚興趣。因此，在第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)之間的幾年中，壓電晶體的許多新應(yīng)用被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如麥克風(fēng)、加速度計(jì)、留聲機(jī)拾音器和信號(hào)濾波器。

超聲波換能器也被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并用于測(cè)量材料的彈性和粘度。這導(dǎo)致了材料研究的巨大進(jìn)步。此外，通過(guò)時(shí)域反射儀的開(kāi)發(fā)，以前在鑄造金屬和石頭物體中看不見(jiàn)的缺陷變得可以檢測(cè)到，從而提高了結(jié)構(gòu)安全性。

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

鐵電陶瓷材料鈦酸鋇（BaTiO3）是二戰(zhàn)期間三個(gè)國(guó)家（美國(guó)、日本和俄羅斯）的研究小組獨(dú)立發(fā)現(xiàn)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(yè)大學(xué)的物理學(xué)家于 1952 年開(kāi)發(fā)。

在二戰(zhàn)后的幾十年里，美國(guó)取得了重大的技術(shù)發(fā)展，但壓電設(shè)備的市場(chǎng)發(fā)展落后于這一技術(shù)發(fā)展。這可以歸因于在進(jìn)行開(kāi)發(fā)的公司內(nèi)部運(yùn)作的保密性質(zhì)。這可能部分是因?yàn)樵擃I(lǐng)域的戰(zhàn)時(shí)開(kāi)始，部分是因?yàn)槿藗兿嘈艑＠兔孛芄に嚂?huì)帶來(lái)高額利潤(rùn)。 ? 相比之下，在日本，制造商共享信息，從而迅速克服技術(shù)挑戰(zhàn)并創(chuàng)造新市場(chǎng)。材料研究還催生了不受專利限制的新壓電陶瓷系列。日本制造商開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品包括用于電視和收音機(jī)市場(chǎng)的信號(hào)濾波器，以及壓電陶瓷點(diǎn)火器。

? 壓電原理

從壓電的發(fā)現(xiàn)歷史中，我們知道，壓電效應(yīng)就是材料受到壓力能夠產(chǎn)生電壓，即利用機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程；而逆壓電效應(yīng)就是材料受電壓發(fā)生形變的過(guò)程，即電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程。下圖給了壓電效應(yīng)的示意圖。

這個(gè)來(lái)源于材料的特殊性。規(guī)則晶體由它們通過(guò)鍵結(jié)合在一起的有組織和重復(fù)的原子結(jié)構(gòu)定義，這被稱為晶胞。對(duì)于非壓電材料晶胞中正負(fù)離子的整體電荷中心重合，即使施加變形，它們也會(huì)抵消，不會(huì)出現(xiàn)整體極化。例如鐵，銅等金屬材料。

而對(duì)于壓電材料，晶體中的結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，但是當(dāng)不受外力時(shí)，晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)外不呈現(xiàn)電極性，但是當(dāng)受到外力時(shí)，晶體里的原子會(huì)發(fā)生位移，晶體里面電平衡會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生電極性。同樣，當(dāng)你對(duì)壓電材料施加電壓時(shí)，晶體會(huì)膨脹和收縮，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

壓電方程

通過(guò)前面的描述，壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是指材料的機(jī)械性能和電性能的一個(gè)結(jié)合。對(duì)于材料的機(jī)械性能，要滿足彈性材料的胡克定律：

式中

S是材料的應(yīng)變

T 是受到的壓力

s是材料的應(yīng)變系數(shù)

而對(duì)于材料的電特性，可以由電位移方程來(lái)描述

式中

D是電位移密度

e 指材料的相對(duì)介電常數(shù)

E 是電場(chǎng)強(qiáng)度

而這些方程可以組成壓電耦合方程，如下式，這個(gè)就是壓電效應(yīng)的最基本方程，對(duì)于不同的壓電材料，其壓電特性有所不同，其壓電系數(shù)也不相同，比如石英的壓電系數(shù)為 3 × 10?-12，鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電系數(shù)為3×10?-10。

壓電材料

在壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，居里夫婦測(cè)試了很多中材料的表面電荷，發(fā)現(xiàn)蔗糖，電氣石，石英，黃玉，羅謝爾鹽等材料具備壓電效應(yīng)，并且石英和羅謝爾鹽的壓電效應(yīng)最高。在科學(xué)家的不斷發(fā)現(xiàn)中，越來(lái)越多的壓電材料被發(fā)現(xiàn)和制造。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。

② 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(zhì)? 膠原

材料是技術(shù)發(fā)展的前提，在射頻領(lǐng)域也是如此，無(wú)論是氮化鎵的應(yīng)用，還是壓電材料的應(yīng)用，都促進(jìn)了射頻設(shè)計(jì)的極大發(fā)展。對(duì)于射頻人來(lái)說(shuō)，大都缺乏材料科學(xué)的相關(guān)知識(shí)，也希望通過(guò)這篇文章，我們對(duì)壓電材料有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，以便后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

編輯：黃飛

?