在前面的學(xué)習(xí)中，我們對芯片濾波器的工作原理有了初步的了解。這些都源于一個神奇的材料——壓電材料，它有一個神奇的效應(yīng)——壓電效應(yīng)。正是這個壓電效應(yīng)，把電磁波和聲波（機械波）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)任實驗室助理。他們發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生電荷。這種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程稱為直接壓電效應(yīng)。“Piezo”源自希臘語，意為“按壓”。后來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：如果一個人沿著（石英塊的）主軸拉動或擠壓，則在該軸的末端會出現(xiàn)等量的相反符號的電量，與作用力成正比，并且與石英的尺寸無關(guān)。

? 加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippman）在 1881 年通過對基本熱力學(xué)原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)預(yù)測了相反的效果，即對這些材料施加電場會導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)變。居里夫婦通過實驗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 世紀最后 25 世紀發(fā)展成為一個新的研究領(lǐng)域。這項研究在 1910 年出版的 Woldemar Voigt 的 Lehrbuch der Kristallphysik（晶體物理學(xué)教科書）中達到了高潮，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際應(yīng)用還需要一段時間。

壓電的應(yīng)用

第一個實際應(yīng)用是聲納，它是在第一次世界大戰(zhàn)期間由 Paul Langevin 和他的同事在法國開發(fā)的。他們建造了一個超聲波海底探測器，該探測器由一個傳感器和一個水聽器組成，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)射一個高頻脈沖，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(shè)計直到戰(zhàn)后才得以完善。然而，在工業(yè)國家，該項目的成功引起了人們對壓電設(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)用被開發(fā)出來，例如麥克風(fēng)、加速度計、留聲機拾音器和信號濾波器。

超聲波換能器也被進一步開發(fā)并用于測量材料的彈性和粘度。這導(dǎo)致了材料研究的巨大進步。此外，通過時域反射儀的開發(fā)，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(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)期間三個國家（美國、日本和俄羅斯）的研究小組獨立發(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 年開發(fā)。

在二戰(zhàn)后的幾十年里，美國取得了重大的技術(shù)發(fā)展，但壓電設(shè)備的市場發(fā)展落后于這一技術(shù)發(fā)展。這可以歸因于在進行開發(fā)的公司內(nèi)部運作的保密性質(zhì)。這可能部分是因為該領(lǐng)域的戰(zhàn)時開始，部分是因為人們相信專利和秘密工藝會帶來高額利潤。 ? 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。材料研究還催生了不受專利限制的新壓電陶瓷系列。日本制造商開發(fā)的產(chǎn)品包括用于電視和收音機市場的信號濾波器，以及壓電陶瓷點火器。

? 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，即利用機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程；而逆壓電效應(yīng)就是材料受電壓發(fā)生形變的過程，即電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程。下圖給了壓電效應(yīng)的示意圖。

這個來源于材料的特殊性。規(guī)則晶體由它們通過鍵結(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。對于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(xiàn)整體極化。例如鐵，銅等金屬材料。

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

壓電方程

通過前面的描述，壓電效應(yīng)實質(zhì)上是指材料的機械性能和電性能的一個結(jié)合。對于材料的機械性能，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)

而對于材料的電特性，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(shù)

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(yīng)的最基本方程，對于不同的壓電材料，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)過程中，居里夫婦測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，無論是氮化鎵的應(yīng)用，還是壓電材料的應(yīng)用，都促進了射頻設(shè)計的極大發(fā)展。對于射頻人來說，大都缺乏材料科學(xué)的相關(guān)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，以便后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

編輯：黃飛

?