芯片濾波器的關鍵——壓電材料和壓電效應

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在前面的學習中，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——壓電效應。正是這個壓電效應，把電磁波和聲波（機械波）結合到了一起。那么今天我們一起去學習一下這個神奇的壓電效應。

壓電的歷史

1880 年，皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟在巴黎科學學院擔任實驗室助理。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。“Piezo”源自希臘語，意為“按壓”。后來Jacques 在 1889 年的Annales de Chimie et de Physique論文中總結了這一觀察結果：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。

加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippman）在 1881 年通過對基本熱力學原理的數(shù)學推導預測了相反的效果，即對這些材料施加電場會導致內(nèi)部產(chǎn)生機械應變。居里夫婦通過實驗迅速證明了這種逆壓電效應。

壓電的發(fā)現(xiàn)引起了歐洲科學界的極大興趣，壓電在 19 世紀最后 25 世紀發(fā)展成為一個新的研究領域。這項研究在 1910 年出版的 Woldemar Voigt 的 Lehrbuch der Kristallphysik（晶體物理學教科書）中達到了高潮，其中描述了發(fā)生壓電效應的 20 種天然晶體類別。

盡管居里的發(fā)現(xiàn)引起了科學界的興趣，但壓電材料的首次實際應用還需要一段時間。

第一個實際應用是聲納，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用被開發(fā)出來，例如麥克風、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，從而提高了結構安全性。

天然材料（如石英、電氣石和羅謝爾鹽）的壓電效應相對較小。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)大學的物理學家于 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發(fā)展，但壓電設備的市場發(fā)展落后于這一技術發(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