芯片滤波器的关键——压电材料和压电效应

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在前面的学习中，我们对芯片滤波器的工作原理有了初步的了解。这些都源于一个神奇的材料——压电材料，它有一个神奇的效应——压电效应。正是这个压电效应，把电磁波和声波（机械波）结合到了一起。那么今天我们一起去学习一下这个神奇的压电效应。

压电的历史

1880 年，皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟在巴黎科学学院担任实验室助理。他们发现，对石英、电气石和罗谢尔盐等晶体施加压力会在这些材料的表面产生电荷。这种将机械能转化为电能的过程称为直接压电效应。“Piezo”源自希腊语，意为“按压”。后来Jacques 在 1889 年的Annales de Chimie et de Physique论文中总结了这一观察结果：如果一个人沿着（石英块的）主轴拉动或挤压，则在该轴的末端会出现等量的相反符号的电量，与作用力成正比，并且与石英的尺寸无关。

加布里埃尔·李普曼（Gabriel Lippman）在 1881 年通过对基本热力学原理的数学推导预测了相反的效果，即对这些材料施加电场会导致内部产生机械应变。居里夫妇通过实验迅速证明了这种逆压电效应。

压电的发现引起了欧洲科学界的极大兴趣，压电在 19 世纪最后 25 世纪发展成为一个新的研究领域。这项研究在 1910 年出版的 Woldemar Voigt 的 Lehrbuch der Kristallphysik（晶体物理学教科书）中达到了高潮，其中描述了发生压电效应的 20 种天然晶体类别。

尽管居里的发现引起了科学界的兴趣，但压电材料的首次实际应用还需要一段时间。

压电的应用

第一个实际应用是声纳，它是在第一次世界大战期间由 Paul Langevin 和他的同事在法国开发的。他们建造了一个超声波海底探测器，该探测器由一个传感器和一个水听器组成，该传感器由粘在两块钢板之间的薄石英晶体制成。换能器向水中发射一个高频脉冲，而水听器则检测到返回的回声。通过测量听到回声所花费的时间，可以计算出深度。

探测器的设计直到战后才得以完善。然而，在工业国家，该项目的成功引起了人们对压电设备的浓厚兴趣。因此，在第一次世界大战和第二次世界大战之间的几年中，压电晶体的许多新应用被开发出来，例如麦克风、加速度计、留声机拾音器和信号滤波器。

超声波换能器也被进一步开发并用于测量材料的弹性和粘度。这导致了材料研究的巨大进步。此外，通过时域反射仪的开发，以前在铸造金属和石头物体中看不见的缺陷变得可以检测到，从而提高了结构安全性。

天然材料（如石英、电气石和罗谢尔盐）的压电效应相对较小。某些被称为铁电体的合成材料的压电常数比天然材料高很多倍。

铁电陶瓷材料钛酸钡（BaTiO3）是二战期间三个国家（美国、日本和俄罗斯）的研究小组独立发现的。锆钛酸铅 (PZT) 具有更高的灵敏度和更高的工作温度，由东京工业大学的物理学家于 1952 年开发。

在二战后的几十年里，美国取得了重大的技术发展，但压电设备的市场发展落后于这一技术发展。这可以归因于在进行开发的公司内部运作的保密性质。这可能部分是因为该领域的战时开始，部分是因为人们相信专利和秘密工艺会带来高额利润。

相比之下，在日本，制造商共享信息，从而迅速克服技术挑战并创造新市场。材料研究还催生了不受专利限制的新压电陶瓷系列。日本制造商开发的产品包括用于电视和收音机市场的信号滤波器，以及压电陶瓷点火器。

压电原理

从压电的发现历史中，我们知道，压电效应就是材料受到压力能够产生电压，即利用机械能转变为电能的过程；而逆压电效应就是材料受电压发生形变的过程，即电能转换为机械能的过程。下图给了压电效应的示意图。

这个来源于材料的特殊性。规则晶体由它们通过键结合在一起的有组织和重复的原子结构定义，这被称为晶胞。对于非压电材料晶胞中正负离子的整体电荷中心重合，即使施加变形，它们也会抵消，不会出现整体极化。例如铁，铜等金属材料。

而对于压电材料，晶体中的结构是不对称的，但是当不受外力时，晶体处于稳定状态，对外不呈现电极性，但是当受到外力时，晶体里的原子会发生位移，晶体里面电平衡会发生变化，进而产生电极性。同样，当你对压电材料施加电压时，晶体会膨胀和收缩，将电能转换为机械能。

压电方程

通过前面的描述，压电效应实质上是指材料的机械性能和电性能的一个结合。对于材料的机械性能，要满足弹性材料的胡克定律：

S是材料的应变

T 是受到的压力

s是材料的应变系数

而对于材料的电特性，可以由电位移方程来描述

D是电位移密度

e 指材料的相对介电常数

E 是电场强度

而这些方程可以组成压电耦合方程，如下式，这个就是压电效应的最基本方程，对于不同的压电材料，其压电特性有所不同，其压电系数也不相同，比如石英的压电系数为 3 × 10 -12，锆钛酸铅(PZT)的压电系数为3×10 -10。

压电材料

在压电效应的发现过程中，居里夫妇测试了很多中材料的表面电荷，发现蔗糖，电气石，石英，黄玉，罗谢尔盐等材料具备压电效应，并且石英和罗谢尔盐的压电效应最高。在科学家的不断发现中，越来越多的压电材料被发现和制造。我们把他们归为一下几类。

① 天然晶体：石英，蔗糖，罗谢尔盐，黄玉，电气石，柏林石。

② 人造水晶：正磷酸镓 (GaPO 4 )，Langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 )

③压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO 3）钛酸铅 (PbTiO 3 ) 锆钛酸铅 (PZT) 铌酸钾 (KNbO 3 ) 铌酸锂 (LiNbO 3 ) 钽酸锂（LiTaO 3）钨酸钠（Na 2 WO 4）铌酸钾钠 (NaKNb) 铋铁氧体 (BiFeO 3 ) 铌酸钠 (NaNbO 3 ) 氮化铝ALN 氧化锌ZnO

④ 生物压电材料：肌腱  木头  丝绸  搪瓷  牙本质  胶原

材料是技术发展的前提，在射频领域也是如此，无论是氮化镓的应用，还是压电材料的应用，都促进了射频设计的极大发展。对于射频人来说，大都缺乏材料科学的相关知识，也希望通过这篇文章，我们对压电材料有个初步的认识，以便后续课程的学习。