1.压电材料

无对称中心的异极晶体，当其受张应力、压应力或切应力作用时，除了产生相应的应变外，还在晶体中诱发出介质电极化或电场，这种现象称为正压电效应。反之，若在这种晶体上施加电场，使其产生电极化，则晶体也同时出现应变或应力，这种现象称为逆压电效应。两者统称为压电效应。具有此效应的材料称压电材料。晶体压电效应示意如图9.2。

图9.2　晶体压电效应的示意图

自1880年居里发现压电效应以来，晶体、陶瓷、有机材料、复合材料及其应用的发展十分迅速。压电材料及其应用已遍及日常生活，例如，煤气炉、汽车发动机等点火所用的压电点火器；电子手表所用的压电谐振器；声控门、报警器和儿童玩具所用的压电蜂鸣器；侦案所用的能验证每个人笔迹和声音特征的压电力敏传感器等。利用压电材料构成的压电器件已广泛用于电子学的各个领域。

压电材料的重要应用领域之一是由它构成的高灵敏度高可靠性的传感器。表9.4例出压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器，这些压电传感器属优质高档传感器，它们的性能和价格是其他传感器所不能媲美的。

表9.4　压电传感器

为了开发压电新应用，除天然石英之外，研制出了磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氢钾（KDP）等压电单晶。但由于它们的性能存在某些缺陷，随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体大多数都已基本不用。至今最重要和用量最大的压电材料仍是石英，其次是铌酸锂和钽酸锂。此外，氧化锌和氮化铝等压电薄膜已是当今微波器件的关键材料。

BaTiO3是最早发现的压电陶瓷，其缺点是频率温度特性差。但用Pb和Ca部分取代BaTiO3中的Ba可改善频率温度特性。至今还有部分压电换能器用BaTiO3陶瓷生产。像BaTiO3那样的单元系压电陶瓷，还有用Mn，W，Ca，Bi，La和Nb等改性的PbTiO3陶瓷，它们具有良好的压电性能，是生产高频滤波器的好材料。

锆钛酸铅（PZT）陶瓷具有机电耦合系数高、温度性能好和居里温度（约300℃）高等特点，它的出现使压电陶瓷产生了划时代的变化。在PZT的基础上，日本1965年研制成功的PbZrO3—PbTiO3—Pb（Mg1/3Nb2/3）O3三元系压电陶瓷（简称PCM），其性能良好。我国研制成功的Pb（Mn1/3Sb2/3）O3—PbZrO3—PbTiO3三元系压电陶瓷（简称PMS），性能胜过PZT和PCM。

当今实用化的有机压电材料的代表是聚偏氟乙烯（简称PVF2），它具有压电性强、柔性好以及声阻抗与空气、水和生物组织的阻抗接近等特点，已广泛应用。(www.daowen.com)

2.热释电材料

极性晶体因温度变化而发生电极化改变的现象称为晶体的热释电效应。60年代以来，人们相继发现和改进了许多重要的热释电材料，建立和完善了热释电理论，发现了热释电晶体的激发态极化和反常光生伏打等新效应，研制了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管。当今，极性晶体热释电效应的研究是凝聚态物理的重要内容之一，热释电效应已在许多技术领域获得应用。

具有热释电效应的晶体称为热释电体。热释电体有线性热释电体和铁电体两类。前者的极化或自发极化不能随外加电场的反向而反向，如ZnO、CdS和电气石和硫酸锂等。后者其自发极化可随外加电场的向向而反向，如BaTiO3、LiTiO3和硫酸三甘肽（TGS）等。

无论哪类热释电体，其自发极化Ps均与温度有关，故可用自发极化随温度改变而改变的量来表征热释电效应的强弱。若整个热释电晶体的温度均匀地改变△T，晶体的自发极化改变△P3，则热释电系数λ由下式给出：△Ps=λ·△T；式中，λ是标量，单位是C·cm-2·K-1。

利用热释电效应可制成性能良好的红外敏感元件，其对热释材料的要求是：①能充分吸收入射的红外线；②为了使吸收的单位热能对应大的温度上升幅度，热释电材料体比热应小，且方便加工成微型或薄膜化元件；③跟温度对应的表面电荷变化大，即热释电系数λ大；室温下的Ps值大，Tc（居里温度）适当高时，λ变大（Tc低使工作温度受到限制，且λ的温度变化也大）；④与表面电荷变化相应的电容小，即材料的介电量小；⑤构成噪声源之一的介电损耗角正切tgδ小。像硫酸三甘肽（TGS）等有机晶体，从2～3μm到长波长，其红外吸收系数都大，但对钛酸铅（PbTiO3）和铌酸锶钡（SrxBa1-xNb2Ob）等无机氧化物，直到10μm附近的远红外区，多数材料都是透明的。若在元件的两边蒸发上数百埃（Å）厚的金属膜电极，将产生由膜引起的红外吸收。因此，为了获得足够高的探测灵敏度，需在探测元件表面上附加红外吸收膜。

表9.5列出部分热释电材料的性能。其中LiTaO3、LiNbO3和SBN（Sr0.5Ba0.5Nb2O5）是单晶，PZT（PbZr1-yTiyO3，y≐0.1）和PbTiO3是陶瓷，TGS和PVF2是有机材料。利用热释电材料构成的敏感元件，它能将物体辐射的红外线作为热源，从而进行非接触检测。这种红外线热敏元件的特点是：①能非接触、高灵敏度、宽范围（-80～1500℃）检测温度；②对波长依赖性小，能检测任意红外线；③能在常温工作；④响应速度快。

表9.5　部分热释电材料的性能

*λ（C·cm-2·K-1）　**　（C·cm·J-1）

热释电材料种类繁多，但当今实用化的材料仅有几种，如PbTiO3和PZT陶瓷，TGS和LiTaO3单晶等。PbTiO3是铁电体，它具有居里温度高、自发极化大和“介电”常量不等特点，可望成为高温、高频压电和热释电材料。纯PbTiO3烧结困难，必须掺入Bi1/3TiO3，PbZn1/3Nb2/3O3，或添加La2O3和MnO2的组合物，才可获得对红外线敏感的实用材料。另外，由于单晶生长技术的进展，现在已能提供优良的LiTaO3和改性TGS等晶体。

利用热释电材料制作的热释电探测器具有广泛的应用，如制作来客报知器、火灾报警器等，在工业上，可用于非接触测量旋转体和高温体的温度，以及进行非破坏性检测，还可装备在卫星上监测环境污染和进行资源调查。

热释电探测器的探测率随调制频率升高而下降，当频率达1MHz时，探测率只有106cm·Hz1/2·W-1左右。