1、壓電效應(yīng)

壓電材料是指受到壓力作用時(shí)在其兩端面產(chǎn)生電荷的一大類單晶或多晶固體材料，是能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞的重要載體。最早報(bào)道材料具有壓電特性的是法國物理學(xué)家居里兄弟。1880年，他們發(fā)現(xiàn)將重物置于石英晶體上時(shí)，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成正比，并將此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。某些介電體在機(jī)械力作用下發(fā)生形變，使介電體內(nèi)正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而極化，以致兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成比例。這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，若將具有壓電效應(yīng)的介電體置于外電場中，電場使介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷位移，導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生形變。這種由“電”產(chǎn)生“機(jī)械變形”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點(diǎn)陣長程有序生長而成的晶體。此類晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因而具有壓電性，如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長方法包括水熱法、提拉法、坩堝下降法和泡生法等。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷泛指壓電多晶體，是指以必要成分的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程獲得的微細(xì)晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱為壓電陶瓷。壓電陶瓷材料具有良好的耐潮濕、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。壓電陶瓷材料包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。

（3）壓電薄膜

壓電薄膜材料是原子或原子團(tuán)經(jīng)濺射等方法沉積在襯底上形成的，其結(jié)構(gòu)可為非晶態(tài)、多晶甚至單晶。利用壓電薄膜制備器件無需使用價(jià)格昂貴的壓電單晶，只需在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經(jīng)濟(jì)、省料的特點(diǎn)。此外，制備薄膜過程中可按照一定取向沉積薄膜，無需進(jìn)行極化定向和切割等工藝。利用壓電薄膜制備的器件應(yīng)用范圍廣泛、制作簡單、成本低廉，同時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率高，并能與半導(dǎo)體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的發(fā)展趨勢。

目前應(yīng)用較為廣泛的壓電薄膜材料主要有氮化鋁（AlN）、氧化鋅(（ZnO）和PZT系列壓電薄膜材料，其性能比較如下表所示：

AlN是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的重要III-V族氮化物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。與ZnO和PZT壓電薄膜相比，AlN薄膜的壓電響應(yīng)較低，但其優(yōu)點(diǎn)在于聲波速較高，因此可用于制備高頻（如GHz）濾波器件和高頻諧振器等。此外，AlN壓電薄膜具有優(yōu)異的高溫性能，其壓電性在1200℃時(shí)依舊良好，故AlN壓電薄膜器件能夠適應(yīng)高溫環(huán)境。該薄膜材料還具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在腐蝕性工作環(huán)境下器件仍能正常工作而不受影響。AlN材料還具有良好的熱傳導(dǎo)性能，器件工作時(shí)可及時(shí)將熱量傳導(dǎo)出去，避免因產(chǎn)熱過多而縮短器件的使用壽命。基于上述多方面性能優(yōu)勢，AlN壓電薄膜已得到相應(yīng)應(yīng)用。例如，基于AlN壓電薄膜的體聲波諧振器（FBAR），其諧振頻率可達(dá)GHz，在通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

ZnO與AlN同樣具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量、高c軸擇優(yōu)取向的ZnO具有良好的壓電性能。ZnO晶格常數(shù)與硅襯底相近，因此晶格匹配度較高。目前制備高潔凈度ZnO薄膜的技術(shù)已較為成熟。然而，ZnO的主要缺陷在于難以用于惡劣環(huán)境。由于其屬于兩性氧化物，抗腐蝕能力較弱，因而影響了其在特定環(huán)境下的應(yīng)用。

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的二元系固溶體，其化學(xué)式為Pb（Zr1-xTix）O3，簡寫為PZT。PbTiO3和PbZrO3均為ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，因此PZT亦屬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。此外，可在PZT中添加其他微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）以改善其性能。

      PZT薄膜是目前應(yīng)用最為廣泛的壓電材料之一，具有高壓電特性的PZT材料已被大量應(yīng)用于揚(yáng)聲器、超聲成像探頭、超聲換能器、蜂鳴器及超聲電機(jī)等電子器件中。早期，人們采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，并將其實(shí)際應(yīng)用于MEMS器件，如驅(qū)動(dòng)器、換能器和壓力傳感器。隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，多種制備手段相繼涌現(xiàn)，并利用磁控濺射技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和金屬化合物氣相沉積技術(shù)等多種方法制備了PZT壓電薄膜。與非鐵電的ZnO材料相比，PZT壓電薄膜最重要的優(yōu)點(diǎn)在于其具有鐵電性。在一定的外加電場和溫度條件下，PZT材料內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，自發(fā)極化方向重新確定，使多晶材料中原本隨機(jī)排列的極化軸在電場作用下取向排列，從而產(chǎn)生凈壓電響應(yīng)。因此，PZT材料的壓電性能優(yōu)于ZnO材料，達(dá)到其兩倍以上。PZT薄膜已被廣泛應(yīng)用于光電子學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)和集成光學(xué)等領(lǐng)域。

      PZT薄膜材料具有高介電常數(shù)、低聲波速度、高耦合系數(shù)，其橫向壓電系數(shù)和縱向壓電系數(shù)在三者中最高，被視為三者中最具前景的壓電薄膜材料。但PZT薄膜制備過程復(fù)雜，與MEMS工藝兼容性較差，制備過程中須嚴(yán)格控制各組分比例，壓電特性受晶向、成分配比、顆粒度等因素影響，重復(fù)制備高質(zhì)量PZT薄膜存在較大困難。目前工業(yè)界最常采用的壓電材料仍以AlN為主流。