压电晶片材料及其应用

压电晶片是超声波探头的主要部件，依据用途不同有圆盘形、长方形、圆环形、球壳形、圆柱形、管形等多种形式。按其材料分主要有五大类。不同材料的发展简史如图5.3所示。

图5.3　压电晶片材料的发展过程

1）压电单晶体

（1）石英晶体。石英晶体又称二氧化硅（SiO2），有天然和人工两种，是最早应用于探头的压电材料。它的居里温度高，可以达到575℃，介电常数小（ε=4.15），机械性能和电性能稳定。石英晶体由于切割方位不同，其性能也会不一样：X切割常用来产生厚度振动模式，产生接收纵波；Y切割和AC切割产生纯剪切模式，产生接收横波。石英晶体适用于制作高温、高频探头，但是其纵向机电耦合系数较小，灵敏度低，因此逐渐被其他晶体材料所取代。

（2）铌酸锂（LiNbO3）。铌酸锂是人工培育的单晶，具有较强的压电性能，性能稳定，居里点高达1 210℃，熔点1 240℃，不溶于水，化学性能稳定。在36°Y切割时，纵向振动的机电耦合系数可达55%，频率常数高，适合用于制作高频换能器，其频率常数为3.62 MHz·mm。在铌酸锂中传播的超声波传播损失小，甚至在500 MHz时小于0.05 dB/cm；声阻抗高，与压电陶瓷相当，约34×106 kg/m2·s，被广泛应用于超声波技术中。

（3）硫酸锂（Li2SO4·H2O）。硫酸锂是人工培育的单晶，g33较大，接收灵敏度高，发射特性介于石英与钛酸钡之间，声阻抗较小，适宜于制作水浸探头。但由于硫酸锂材料容易溶于水，所以需要完全密封，又因晶片背面易于阻尼，故适用于制成窄脉冲发射和接收的探头。

除了上述几种材料外，还有很多压电单晶体材料，如罗谢耳盐（NaKC4H4O6·4H2O，又称酒石酸钾钠）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氢钾（KDP）、钽酸锂（LiTaO3）等。

2）压电多晶体（压电陶瓷）

压电多晶体材料的使用可以从20世纪40年代后期钛酸钡压电陶瓷开始，至已广泛使用的性能更好的镐钛酸铅陶瓷和铌酸盐陶瓷等。

压电陶瓷材料有一元系、二元系和三元系之分：一元系中有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）等，二元系中有锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3）和偏铌酸铅钡（Pb1-xBaxNb2O6）等，三元系中有铌镁-镐-钛酸铅、铌锌-镐-钛酸铅等。(www.xing528.com)

镐钛酸铅（PbTiO3-PbZrO3）压电陶瓷简称PZT，它是PbTiO3和PbZrO3固溶物为基的组成物，其居里点在300～400℃。在较大的温度范围内性能比较稳定，作为换能材料，其压电效应显著。为满足不同需要，可通过调整其配比来满足性能要求，例如以Nb+5置换Ti+4、Zr+4，或以La+2置换Pb+2，可以提高机电耦合系数、电容率和柔性常数，同时会增加tanδ和直流电阻率，还能减小老化率（PZT-5系列）。若用钙、锶或钡置换部分的铅，用锡置换镐，可使居里点降低，电容率增大（如PZT-4）。

压电陶瓷材料制作工艺简单、成本低，可制成各种形状并通过不同极化方式制成各种形式的超声波换能器。其中，如夹心式换能器，一般工作在20～100 kHz，多用于功率超声波的各种处理，水下声源、非金属材料检测及超声波治疗等；弯曲振动换能器，工作频率在20～60 kHz，多用于空气中的测量（测距、定位等）与控制（遥控、监视等）；单片厚度或切向振动换能器，工作于0.2～15 MHz，主要用于工业无损探伤、医用A超或理疗、水声换能器等；多晶片阵列探头则常用作超声波诊断用的B超探头。

3）压电半导体

压电半导体材料主要应用于制作高达100 MHz至1 GHz的超声波换能器，如超声波显微镜的换能器材料等。

4）压电高分子聚合物

1969年，一种新型有机压电薄膜材料PVDF（聚偏氟乙烯）问世。由于它具有宽频带、声阻抗低（易与轻的声负载媒质如液体、人体组织等匹配）、质地轻软（易制成任意形状及微型器件）等优点，近年来发展很快，已在超声波检测、医学诊断及测量与计量等方面获得重要应用。

5）复合压电材料

为得到低密度、低Qm值、高Kt/Ks值、高g33和d33参数的压电材料，人们发展了复合压电材料。这种材料是将压电陶瓷和高聚物按照一定的连通方式、一定的体积（或重量）比例和一定的空间几何分布复合而成。

表5.1为常见压电晶体、压电陶瓷的一些物理参数。

表5.1　常见压电晶体参数