原创 压电元件原理及分类、相关术语

2021-11-17 15:43 4481 14 4 分类: 工业电子
何谓压电?

压电表示压电元件(Piezoelectric Element、Piezoelectric Device),压电元件是指通过施加力(压力)产生电压(压电效应),或与之相反,通过施加电压产生变形(逆压电效应)的元件。

压电的效果

压电元件使用具有压电效应的压电材料。施力时,(+)正离子、(-)负离子的位置会移动,产生(+)和(-)电荷的偏移(电极化),从而产生电压。

电极化的原理 通过电极化产生电压

利用压电效应的主要用途是传感器,利用逆压电效应的主要用途是执行机构。


压电材料的种类

压电材料大致分为单晶、陶瓷、薄膜等。

压电的材料

罗姆采用的是使用锆钛酸铅(PZT)的薄膜压电。
PTZ取自元素符号(PbZrxTi1-xO3)(0


薄膜压电和块体压电

大致将厚度约为几μm的叫作薄膜压电(压电薄膜),几十μm以上的叫作块体压电(厚膜压电)。
利用薄膜压电可以实现元件的小型化、集成化、高精度化、低功耗化。

薄膜PZT的成膜方法

生成薄膜PZT的方法有溶胶凝胶法、溅射法、MOCVD法等。下表汇总了其各自的特点。

  溶胶凝胶法 溅射法 MOCVD法
  将溶胶状态的液体涂布在电路板上,通过加热、烧成使其成膜。为了获得所需的膜厚,基本上需要将上述循环重复多次 用高能Ar离子撞击目标,使撞击产生的目标物质附着在电路板上成膜。 向反应室内通入化合物气体,利用温度和等离子体促进气体化学反应,成膜温度较低。
压电性能 非常好 非常好 不确定
吞吐量 一般
可靠性 非常好 一般
均一性 非常好
极化稳定性 一般 一般
费用 一般 一般 一般
应用 Actuator
(1~3μm)
Actuator or Sensor
(1~5μm)
FeRAM
(<100nm)

关于压电相关术语的简要说明。

术语 说明
压电(Piezo) 指压电元件(piezoelectric element、piezoelectric device)
压电效应 通过施加力(压力)产生电压的现象
逆压电效应 通过施加电压产生变形的现象
压电元件 利用压电效应、逆压电效应的零件、元件
传感器 利用科学原理将现象和信息等转换为电信号等的装置
执行机构 将电等能源转换为机械运动,用于运行设备的驱动装置
离子 指因电子过剩或缺失而携带电荷的原子
压电材料 表现压电性的结晶性物质的统称
压电单晶 材料内部的晶体结构均匀连续的压电材料
压电陶瓷 拥有晶粒结构或畴壁结构的压电体
晶粒结构 在多晶体中,2个以上的小晶体之间存在的界面
畴壁结构 晶体内存在极化方向不同的边界的结构
极化 置于电场或磁场时产生正负电化,或是产生磁极的现象
PZT 指锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3)(0
溅射 使高能粒子撞击金属表面,利用飞出的原子进行制膜的方法
CSD 通过涂布、烧成金属有机酸盐或化合物溶液形成薄膜的方法
溶胶凝胶法 CSD的一种。通过对溶胶状态的液体进行加热、烧成来得到薄膜的方法
溶胶状态 以液体为分散介质的胶体(例:肥皂水、浆糊、蛋清、牛奶、蛋黄酱等)
凝胶状态 溶胶状态丧失流动性后的状态
MOCVD 有机金属气相沉积法,使用有机金属和气体作为原料的晶体生长方法
占板面积 占有面积,这里指设置装置时使用的面积
压电体 指通过施加应力产生极化(电压)的介电体
热释电体 即使不从外部施加电场,也可以自发极化的压电体
铁电体 从外部施加电场可以使极化方向反转的热释电体
薄膜压电 指压电材料的厚度约为几μm的压电元件
块体压电 指压电材料的厚度为几十μm以上的压电元件

来源:rohm
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