基于微细加工技术的压电驱动器设计(4)

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2 PZT压电驱动器的原理

2.1 压电材料特性

压电材料可分为无机压电材料与有机压电材料。无机压电材料又分为压电晶体和压电陶瓷，其中压电晶体一般指的是压电单晶体，而压电陶瓷则往往泛指压电多晶体。压电晶体由于具有无对称中心的晶体结构，而具有压电性，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电陶瓷是指有压电性的陶瓷，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。

实际生活中的压电陶瓷许多是由钙钛矿结构ABO3晶体构成的铁电体，通常包括钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3）以及由将少量的镧（La）加入锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3）进而形成的锆钛酸铅镧（(Pb,La)(Zr,Ti)O3）。其中锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3）具有优良的压电特性，从而被广泛地应用在各种器件中。锆钛酸铅简称PZT，是由反铁电体PbZrO3与铁电PbTiO3体的固溶体，由于锆（Zr）为钛（Ti）的过渡元素，因此PbTiO3和PbZrO3的空间点阵（即晶体内部质点排列规律的几何图形）相似。但是两者在宏观特性方面却存在较大差异：PbTiO3的居里温度为492℃，而PbZrO3的为232℃。图2.1是PZT的晶体结构，图2.1（1）是居里温度以下PZT的晶体结构，图2.1（2）是居里温度以上PZT的晶体结构。在图2.1（1）中，该PZT晶体形成如图的立体晶格，铅（Pb）离子在晶格顶的点，氧（O）离子在晶格的面心，钛/锆（Ti/Zr）离子在晶格结构中的体心。当在居里点以下，正方形晶格形式，钛/锆（Ti/Zr）离子占据了其中一个氧（O）离子的位置，这是由于钛/锆（Ti/Zr）离子的位移产生了一个偶极矩，因此具有这样结构是其具有自发极化的主要原因