蜂鸣器技术的发展方向和挑战

科学技术发展到今天，应该说除了少数特殊领域外，想要根据新原理来开发新技术，其可能性越来越小了，今后将主要依靠新材料，特别是具有特殊物理、化学性能和具有新功能特性的功能材料来制造新元件、新器件、新设备和开发新技术。我们在这里讨论的蜂鸣器和其他电子元器件一样，也将受新材料，特别是具有特殊物理、化学性能和具有新功能特性的功能材料的影响。

蜂鸣器的发展有以下几个方向：

（1）蜂鸣器功能的拓展

①向集成化、功能化、微型化发展。

②由警示向提示方向发展。

③向兼具声、光、电等多功能的方向综合发展。

（2）蜂鸣器应用领域的拓展

本书前面已介绍过的有：负阻效应蜂鸣器、汽车倒车／转向闪光蜂鸣器、用于电冰箱的音乐蜂鸣器、单线供电制交直流电子闪光蜂鸣器、机动车闪光蜂鸣器、蜂鸣器可调声响装置、车辆电子闪光蜂鸣器、有蜂鸣器的电淋浴器、交流蜂鸣器、微波炉的蜂鸣器、在线式断线防盗报警蜂鸣器、密封型电磁式蜂鸣器、多音调蜂鸣器、具有正负极识别结构的蜂鸣器、电子闪光蜂鸣器、炊具蜂鸣器、带蜂鸣器的过滤器。带蜂鸣器的气体探测器、充电炊事两用炊具蜂鸣器、报警提示蜂鸣器、埋入式蜂鸣器、一种自卸车比例手控换向阀蜂鸣器、超响蜂鸣器、倒车蜂鸣器、带蜂鸣器的电梯对讲副机、咖啡机用音乐蜂鸣器、烤箱定时器的蜂鸣器驱动电路、带有外置蜂鸣器的静电溢油报警器、双蜂鸣器报警器……

（3）向材料结构与物性方向拓展

①结构件的功能化。

②功能件的优质化。

③新功能材料的应用。

有关结构件的功能化、功能件的优质化的讨论，请参看吴宗汉、何鸿钧、徐世和三人编著的《电声器件材料及物性》（国防工业出版社）一书，这里不专作讨论。这里介绍几种在材料制造领域进行改进的内容：

（1）一种压电陶瓷膜的新制备方法

此方法将电泳沉积法与溶胶浸润法相结合，在导电性基板上制备压电陶瓷厚膜。首先将陶瓷粉末制成稳定带电的悬浮液，在导电或者附有导电电极的衬底上进行电泳沉积，随后对干燥后的粉末沉积体进行溶胶浸润，再进行热处理和低温烧结，得到致密的陶瓷膜。本制备方法结合电泳沉积法和溶胶浸润法的优点，可降低烧结温度，可以在形状复杂和表面多孔基板上制备均匀的10～100μm范围内的厚膜，膜的致密度较高，制备方法简单快捷，陶瓷沉积层的方法，比传统方法更加经济。可用于制备微机电系统（MEMS）中微驱动器部件。

（2）应用压电驻极体制造蜂鸣器(www.xing528.com)

压电驻极体电声器件是利用压电效应进行声电／电声变换的。其声电／电声转换器为一片30～80μm厚的多孔聚合物压电驻极体薄膜，这种声电／电声转换器不需要一般的电容式／动圈式声电／电声转换器那样结构复杂且精度要求极高的零件配合设计，这就大大减小了电声器件的体积；同时，零件数目大为减少，可靠性也得到保证，方便大规模生产的需求。多孔聚合物压电驻极体薄膜能达到非常高的压电系数，比PVDF铁电聚合物及其共聚物的压电活性高1个量级；其次，薄膜的厚度可以做到很小，易于满足对几何尺寸的要求，且原料来源广泛，材料成本与加工制备均较压电陶瓷与铁电单晶材料容易许多。聚合物压电驻极体薄膜常采用多孔蜂窝结构的聚丙烯（PP）膜，该膜在外电场的作用下，在孔隙的上下两面可聚集不同极性的电荷，形成类似偶极分子的电荷泡。这些电荷泡在外电场的作用下就会在材料的内表面形成有序的排列。当材料压缩或膨胀时，电荷泡将发生非均匀形变，类似于空间电荷电场相对于薄膜的位移。这时，如薄膜的上下面镀有金属电极，则在外电路上就可以检测出相对于上述应变的开路电压或短路电流信号。利用具有闭合型空洞结构的空间电荷型聚合物压电材料（聚丙烯蜂窝膜），可以制造新的蜂鸣器。

（3）应用多铁性材料制造蜂鸣器

早在1894年P.居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。1960年，科学家们发现了单晶Cr2O3在80K到330K的温度范围内存在磁电效应，由此引发了寻找磁电效应的热潮，并相继在混合钙钛矿型磁性铁电材料、反铁磁材料和亚铁磁材料中发现了极弱的磁电效应。1970年，Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类，提出了铁性材料的概念。1994年，瑞士的施密德明确提出了多铁性材料的概念。多铁性材料是指材料中包含两种及两种以上铁的基本性能，这些铁的基本性能包括铁电性（反铁电性）、铁磁性（反铁磁性、亚铁磁性）和铁弹性。这类材料在一定的温度下同时存在自发极化和自发磁化，正是它们的同时存在引起的磁电耦合效应，使多铁性体具有某些特殊的物理性质，引发了若干新的、有意义的物理现象，如在磁场的作用下极化重新定向或者诱导铁电相变；在电场作用下磁化重新定向或者诱导铁磁相变；在居里温度下铁磁相变点附近产生介电常数的突变。多铁性材料已成为当前国际上研究的一个热点。简而言之，多铁性材料是指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物。

目前对单相多铁性材料的研究依然处于探索性阶段。单相磁电材料至今还没能应用到实际中，主要是因为大部分单相材料的居里温度较低，在很低的温度下才有磁电效应。具有低漏导的BiFeO3薄膜将具有铁电应用前景，但作为多铁性应用，还需解决弱的磁电耦合性。虽然复合磁电材料性能比单相材料性能好，能大幅度提高磁电效应，但是仍然存在一些问题。

当前多铁性材料的前沿科学与关键技术问题，有以下几方面：

①BiFeO3及其他单相多铁性材料

多铁性包括铁电有序与磁有序结合方式、自旋失错体系中的多铁性、电荷有序体系中的多铁性以及多铁性材料中可能的电磁极子。多铁性材料的研究还处在起步阶段，其中的物理机制仍不清晰，寻找室温下具有强磁电耦合的材料以及其潜在应用都是巨大的挑战。专家以铁酸铋薄膜材料为例，介绍了多铁性材料领域的发展与挑战。针对目前该领域研究现状，提出两个方向：一是寻找新的在室温下能得到强铁电和磁信号的多铁性材料；二是对电与磁序参量耦合的表征，其目标是通过电场控制磁性能或反之。专家以钙钛矿型BiMnO3为例，介绍了在高压极端条件下对此类多铁性材料的合成，讨论了物性与性能的关联；结合最新研究进展探讨了多铁性基本物理起源。对铁酸铋－钛酸铅固溶体系改性及多铁性的研究结果表明，用镧、镓等阳离子改性的铁酸铋－钛酸铅固溶陶瓷体系各方面性能都有明显改善和提高。在该体系的准同型相界处，其结构、电学、磁学等性能可以通过组分设计进行剪裁，同铁酸铋单晶相比极化和磁化能力均显著提高。在应用方面该类材料可用于新型传感器、驱动器等电子器件。从多铁性材料的基本物理特性出发，不同体系中观察到的磁电耦合效应是基于朗道铁电理论和磁性理论的，它针对不同的多铁性材料，揭示出通过恰当计入不同磁电耦合相互作用，能清晰反映各种磁电耦合机制，可理解具体系统的磁电耦合物理本质。

②多铁性复合材料

目前单相多铁性磁电材料种类十分有限，磁电效应很微弱，或者可观察到磁电效应的温度很低，无法实际应用。相反，多铁性磁电复合材料可具有室温下的强磁电效应，因而会有实际应用价值。磁电复合材料可分为四种类型：a.磁电复合陶瓷；b.磁性合金基复合材料；c.压电陶瓷－磁性合金－高分子三相复合材料；d.纳米结构铁电－磁性氧化物复合薄膜。铁电／铁磁薄膜中的磁电耦合效应的大小不仅取决于铁电和铁磁相中的压电和磁致伸缩效应，更重要的是受材料的微结构、两相间应力和界面结构的影响。利用相场理论计算方法（该方法包含了微弹性理论、静电学、微机械学和相场方法），可以用于任何微结构的模拟，并用来预测在基片约束、界面应力以及尺寸、形状、相空间分布等影响下的薄膜磁电耦合性能。利用这种方法实现对磁电复合材料微结构的设计，以获得更好的磁电性能。从磁传感器的角度，探讨磁电复合材料在应用研究中的有关问题。在压磁、压电材料复合换能结构中，提高结构的Q（品质因数）值，是获得高磁电转换系数的重要途径。利用磁电材料性能的非线性特性可以在保持磁电系数幅值（灵敏度）的条件下，拓宽磁电响应的频率范围。

将组合方法用于多铁性材料的筛选有望极大地加速新型多铁性材料的发展和优化。利用国家同步辐射实验室同步辐射光源的高亮度、高准直和波长连续可调的特性，可以来研究多铁性材料磁电耦合的机理，为新型多铁性材料的设计提供理论基础。

③磁介电材料及相关问题

磁介电效应与电子铁电性及磁电效应一样，是多铁性材料的重要物理特性。在含有可变价磁性元素的复合钙钛矿与层状钙钛矿系统中，由于缺陷序、离子序、电荷序、自旋序及轨道序之间耦合导致异常的介电效应－多介电弛豫及巨介电常数台阶。磁介电效应、电子铁电性和巨介电效应的发现，给铁电物理与材料领域注入了新的活力与生机。界面在材料研究中有一定的重要性。可以通过设计不同的结构来实现不一样的多铁性复合。比如，用模板法制备的PZT、BFO纳米线阵列显示出良好的压电性能和重要的应用前景，可以用于制备磁控铁电存储器、传感器、驱动器等。

④庞磁阻（超巨磁阻）氧化物

锰氧化物作为巨磁电阻材料在磁存储、磁传感器、自旋阀等方面具有广阔的应用前景，但目前仍有丰富的物理内容尚未探明。但在巨磁电阻锰氧化物异质结、锰氧化物的介电性质以及多铁性AMnO3材料中的磁电耦合效应中，取得了一些进展。国际上科研机构以及公司（如三星、夏普等）在ReRAM的研究方面取得了一些进展，同时也应看到，这正是我们在材料开发、器件研究、工艺摸索等领域的研究机遇。

当然，将这些前沿科技用到蜂鸣器上来，似乎其必要性不太大，即使要应用也还有一段很长的路程，但我们并不能因此而却步，因为蜂鸣器在向集成化、功能化、微型化发展，向兼具声、光、电等多功能的方向综合发展等诸多范畴内空白点还很多，这都有待我们去开发。