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III压电陶瓷元件及应用
結論 科技不斷的進步,電子產品發展朝向系統化、數位化、高頻化、多功能化、奈米化以及低成本之研究前進,使相關製程技術更急需突破。積層陶瓷電容器(MLCC)隨著電子產品縮小、輕量化之發展趨勢,其單位體積電容量須不斷提高。 如何將介電陶瓷層縮小化,以增加積層陶瓷電容的容量,已經成為研究主要目標。奈米級鋯鈦酸鉛混合之粉末為基材介電陶瓷,是達成介電陶瓷縮小化的重要路徑。奈米粉末可使積層陶瓷電容器每層厚度變薄,增加積層層數,然而更有助於介電陶瓷層於積層後之燒結,使介電陶瓷更易精緻化,減少介電層中孔隙率,幫助其電性提升,因此奈米級鋯鈦酸鉛成為重要電子材料。此外,鋯鈦酸鉛陶瓷具有鈣鈦礦之晶體結構,也具備壓電性、鐵電性以及優異的介電性質,使得鋯鈦酸鉛陶瓷被應用在積層陶瓷電容器、超音波產生及接收器、熱敏電阻器、轉換器、加速器、記憶體等應用。 THANKS FOR YOUR ATTENTION * * 主題:壓電陶瓷 指導教授: 張文俊 博士 學生: 蘇聖謙 蔡弘修 蔡儀騰 壓電現象 壓電性(piezoelectric)是一種機電互換現象,此一現象最早是在1880年由Pierre Curie及Jacques Curie兄弟所發現。它包含有兩種效應: (A)正壓電效應:此一效應是將輸入機械能轉變成為電能來輸出。當機械應力加入於一壓電材料時,材料的兩端會伴隨著產生一個與應力大小成比例的電荷(或電壓),如圖I-1(b)所示,當應力方向相反時,電荷的極性(亦即電壓的極性),亦會隨之而逆反,如圖I-1(c)所示。通常此一效應進行感測的工作。 (B)逆壓電效應:此一效應是將輸入電能轉變成機械能來輸出。當一直流電場加入於材料兩端時,材料的形變會隨著電場的大小來改變[圖I-1(d)],而當此電場逆反時,材料的形變方向也隨之改變,如圖I-1(e)所示。當有一交流電場加入時,材料的形變方向會隨著電場的正及負半週作收縮及膨脹的交互變化,如圖I-1(f)所示,當交流電場的頻率等於材料本身的自然諧振頻率時,形變的幅度為最大。通常此一效應進行致動的工作。 圖I-1 壓電效應 壓電陶瓷材料 最早使用來作為壓電材料的陶瓷體為鈦酸鋇(BaTiO3),鈦酸鋇早在1942年就被人們所發現,當時人們只將BaTiO3視為一具有高介電常數而可以用來作為微小電容器的材料,到了1947年S. Roberts首先發表了直流電場對陶瓷體剩餘極化的影響,才啟發了陶瓷體在壓電方面的應用。從此以後壓電材料的研究就進入了一個新的領域,也就是從單晶體材料領域進到了多晶體結構的陶瓷材料領域。自從BaTiO3被發現具有壓電性之後,美國貝爾電話實驗室(Bell Telephone Laboratories)的一群研究人員在著名的壓電學者W.P.Mason的領導之下開始作一系列有系統的研究,並確定了一些使用在壓電陶瓷方面的基本理論及現象。 自從BaTiO3被發現以後,一系列與BaTiO3具有相同鈣鈦礦(perovskite)結構的ABO3化合物,例如PbTiO3,KNbO3,KTaO3,NaNbO3,LiTaO3,PbTiO3及PbHfO3等陸續被發現,並被用來作為壓電材料使用。其中鈦酸鉛(PbTiO3)及鋯酸鉛(PbZrO3)的發現對爾後的壓電陶瓷之研發有很大的影響。 自從PbTiO3及PbZrO3被發現後,不少學者就針對它們兩者所構成的固溶體之相圖,強電性,反強電性,介電性等現象作一系列的研究。到了1955年美國國家標準局(National Bureau of Standards)的B. Jaffe等人發表了鋯鈦酸鉛[PbTiO3?PbZrO3,簡稱PZT]系列的壓電性之後鋯鈦酸鉛系列就成為了壓電陶瓷的主流材料,而且PZT一詞也成為壓電陶瓷的代名詞。 到了1959年蘇聯的Smolensky等人發表了複合型強電材料的理論後,壓電陶瓷的發展就起了革命性的變化。複合型強電材料常用的組成為A(B1/2B’1/2)O3或A(B1/3B’2/3)O3,依所選用的原子A,B及B’的不同而使複合型強電性材料的組成有多種。因複合型強電性材料的組成為多樣化,因此若將它與PbTiO3?PbZrO3組合成為三元成份時,其特性將變得為多樣化,而適合於各種壓電元件的應用要求。最早將三元系壓電陶瓷商品化者為日本的松下公司,他們所採用的三元系組成為PbTiO3?PbZrO3~Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,並訂名為PCM。從此以後各種不同組成的三元系壓電陶瓷材料,甚至於四元組成就陸續被開發,而使壓電陶瓷的特性可依應用需求來變,使壓電陶瓷的應用更為廣泛。 由前面的說明可知壓電陶瓷的種類甚多,如以其合成的材料數來分可分為一元組成,二元
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