1、壓電效應

壓電材料是指受到壓力作用時在其兩端面產生電荷的一大類單晶或多晶固體材料，是能量轉換和信號傳遞的重要載體。最早報道材料具有壓電特性的是法國物理學家居里兄弟。1880年，他們發(fā)現將重物置于石英晶體上時，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成正比，并將此現象稱為壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應兩種。某些介電體在機械力作用下發(fā)生形變，使介電體內正負電荷中心發(fā)生相對位移而極化，以致兩端表面出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成比例。這種由“壓力”產生“電”的現象稱為正壓電效應。反之，若將具有壓電效應的介電體置于外電場中，電場使介質內部正負電荷位移，導致介質產生形變。這種由“電”產生“機械變形”的現象稱為逆壓電效應。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。此類晶體結構無對稱中心，因而具有壓電性，如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長方法包括水熱法、提拉法、坩堝下降法和泡生法等。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷泛指壓電多晶體，是指以必要成分的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱為壓電陶瓷。壓電陶瓷材料具有良好的耐潮濕、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學性能穩(wěn)定。壓電陶瓷材料包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。

（3）壓電薄膜

壓電薄膜材料是原子或原子團經濺射等方法沉積在襯底上形成的，其結構可為非晶態(tài)、多晶甚至單晶。利用壓電薄膜制備器件無需使用價格昂貴的壓電單晶，只需在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經濟、省料的特點。此外，制備薄膜過程中可按照一定取向沉積薄膜，無需進行極化定向和切割等工藝。利用壓電薄膜制備的器件應用范圍廣泛、制作簡單、成本低廉，同時能量轉換效率高，并能與半導體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的發(fā)展趨勢。

目前應用較為廣泛的壓電薄膜材料主要有氮化鋁（AlN）、氧化鋅(（ZnO）和PZT系列壓電薄膜材料，其性能比較如下表所示：

AlN是一種具有纖鋅礦結構的重要III-V族氮化物，結構穩(wěn)定性高。與ZnO和PZT壓電薄膜相比，AlN薄膜的壓電響應較低，但其優(yōu)點在于聲波速較高，因此可用于制備高頻（如GHz）濾波器件和高頻諧振器等。此外，AlN壓電薄膜具有優(yōu)異的高溫性能，其壓電性在1200℃時依舊良好，故AlN壓電薄膜器件能夠適應高溫環(huán)境。該薄膜材料還具有很高的化學穩(wěn)定性，在腐蝕性工作環(huán)境下器件仍能正常工作而不受影響。AlN材料還具有良好的熱傳導性能，器件工作時可及時將熱量傳導出去，避免因產熱過多而縮短器件的使用壽命?；谏鲜龆喾矫嫘阅軆?yōu)勢，AlN壓電薄膜已得到相應應用。例如，基于AlN壓電薄膜的體聲波諧振器（FBAR），其諧振頻率可達GHz，在通訊領域得到廣泛應用。

ZnO與AlN同樣具有纖鋅礦結構。高質量、高c軸擇優(yōu)取向的ZnO具有良好的壓電性能。ZnO晶格常數與硅襯底相近，因此晶格匹配度較高。目前制備高潔凈度ZnO薄膜的技術已較為成熟。然而，ZnO的主要缺陷在于難以用于惡劣環(huán)境。由于其屬于兩性氧化物，抗腐蝕能力較弱，因而影響了其在特定環(huán)境下的應用。

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的二元系固溶體，其化學式為Pb（Zr1-xTix）O3，簡寫為PZT。PbTiO3和PbZrO3均為ABO3型鈣鈦礦結構，因此PZT亦屬鈣鈦礦結構。此外，可在PZT中添加其他微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）以改善其性能。

      PZT薄膜是目前應用最為廣泛的壓電材料之一，具有高壓電特性的PZT材料已被大量應用于揚聲器、超聲成像探頭、超聲換能器、蜂鳴器及超聲電機等電子器件中。早期，人們采用溶膠-凝膠法制備PZT薄膜，并將其實際應用于MEMS器件，如驅動器、換能器和壓力傳感器。隨著薄膜制備技術的發(fā)展，多種制備手段相繼涌現，并利用磁控濺射技術、脈沖激光沉積技術（PLD）、化學氣相沉積（CVD）和金屬化合物氣相沉積技術等多種方法制備了PZT壓電薄膜。與非鐵電的ZnO材料相比，PZT壓電薄膜最重要的優(yōu)點在于其具有鐵電性。在一定的外加電場和溫度條件下，PZT材料內部電疇發(fā)生轉動，自發(fā)極化方向重新確定，使多晶材料中原本隨機排列的極化軸在電場作用下取向排列，從而產生凈壓電響應。因此，PZT材料的壓電性能優(yōu)于ZnO材料，達到其兩倍以上。PZT薄膜已被廣泛應用于光電子學、微電子學、微機電系統(tǒng)和集成光學等領域。

      PZT薄膜材料具有高介電常數、低聲波速度、高耦合系數，其橫向壓電系數和縱向壓電系數在三者中最高，被視為三者中最具前景的壓電薄膜材料。但PZT薄膜制備過程復雜，與MEMS工藝兼容性較差，制備過程中須嚴格控制各組分比例，壓電特性受晶向、成分配比、顆粒度等因素影響，重復制備高質量PZT薄膜存在較大困難。目前工業(yè)界最常采用的壓電材料仍以AlN為主流。