電子元器件工藝導(dǎo)論第三章2019ppt課件

1、3. 壓電、熱釋電和鐵電器件壓電、熱釋電和鐵電器件 3.1 緒論現(xiàn)實(shí)生活中的壓電器件： 水下通訊設(shè)備,超聲波清洗設(shè)備,傳感器, 濾波器,諧振器,延遲線,電聲器件現(xiàn)實(shí)生活中的熱釋電器件: 紅外探測器,各種輻射計(jì)現(xiàn)實(shí)生活中的鐵電器件: 電容器,存貯器4.2 壓電濾波器壓電濾波器一.(正)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：對某些電介質(zhì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力，晶體兩端面表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比，這種由機(jī)械應(yīng)力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象，稱為(正)壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：若將具有正壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場中，電介質(zhì)晶體將發(fā)生形變，晶體的這種因外電場作用而產(chǎn)生形

2、變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)二壓電材料性能參數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)正壓電效應(yīng)時(shí)：機(jī)械功=彈性貯存能電能逆壓電效應(yīng)時(shí)：電功=極化電能機(jī)械能并不能實(shí)現(xiàn)100%的能量轉(zhuǎn)換機(jī)電耦合系數(shù)用于描述壓電體中機(jī)電耦合有效程度的參數(shù)k=轉(zhuǎn)換獲得的能量輸入的總能量 與壓電振子的振動模式有關(guān)機(jī)械品質(zhì)因素衡量壓電體(壓電振子)在諧振時(shí)機(jī)械內(nèi)耗大小的參數(shù)m=2Wm/Wk Wm諧振時(shí)振子內(nèi)貯存的最大機(jī)械能量 Wk-諧振時(shí)振子每周期內(nèi)機(jī)械損耗的能量m也是與壓電振子的振動模式有關(guān)三濾波器的類型：1. 低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器四壓電濾波器何謂壓電濾波器將壓電諧振器與電感，電阻和電容按一定的設(shè)計(jì)組合起來，以滿足應(yīng)用要求的功能組

3、件壓電濾波器的類型晶體濾波器：石英晶體，鈮酸鋰晶體，鉭酸鋰晶體陶瓷濾波器壓電陶瓷濾波器的組成單個(gè)壓電振子組成的濾波器衰耗特性很差，一般都是將多個(gè)壓電振子按一定方式組合起來使用組合方式：梯形濾波器(鏈型濾波器)： 型，型，型橋型濾波器： 橋式，差接橋式二端振子組成的各種濾波器結(jié)構(gòu)壓電陶瓷濾波器的例子低頻(124kHz)濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中頻(465kHz)濾波器的電路結(jié)構(gòu)高頻(30MHz)濾波器的電路結(jié)構(gòu)壓電陶瓷濾波器的特點(diǎn):元件數(shù)目大為減少(對于長條伸縮振子=L+2C)可靠性大為提高溫度穩(wěn)定性：晶體濾波器：極佳陶瓷濾波器：優(yōu)于質(zhì)量因數(shù)：比LC高個(gè)數(shù)量級用于窄帶濾波器時(shí)，比LC窄23數(shù)量級普通晶體

4、濾波器的帶寬和頻率范圍：單晶體濾波器的帶寬和頻率范圍陶瓷濾波器的帶寬和頻率范圍6壓電濾波器的衰耗特性: (串片-串臂振子)(并片-并臂振子)3.3 壓電聲表面波器件壓電聲表面波器件一固體的聲表面波聲體波與聲表面波： 利用逆壓電效應(yīng)，可在壓電體內(nèi)部產(chǎn)生波動現(xiàn)象，即產(chǎn)生了聲體波也可在壓電體表面產(chǎn)生波動現(xiàn)象在固體介質(zhì)中，既可傳播聲體波，也可傳播聲表面波聲表面波的特點(diǎn)：聲表面波的傳播速度比固體中傳播的縱波和橫波的傳播速度都要慢隨傳播距離的衰減遠(yuǎn)比縱波或橫波的要小 聲表面波的分類： 取決于激發(fā)狀態(tài)的不同和所用材料性能的差異 瑞利(Rayleigh)波(研究最充分) 蘭伯(Lamb)波 斯東尼萊(Ston

5、eley)波 樂浦(Love)波 聲表面波的激發(fā)與檢測 利用叉指換能器叉指換能器的頻率響應(yīng)特性具有帶通性二聲表面波延遲線延遲原理：利用聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)信號的延遲相應(yīng)器件尺寸比同頻率下的電磁波器件尺寸小得多，且易獲得大延遲時(shí)間，工作頻率可達(dá)幾個(gè)GHz聲表面波延遲線的分類：非色散延遲線：延遲時(shí)間與信號的頻率無關(guān)的延遲線 采用叉指寬度和間隔相等的均勻叉指換能器 色散延遲線：延遲時(shí)間與信號的頻率有關(guān)的延遲線 采用叉指間距隨x而變的叉指換能器(發(fā)射) 等長度指條的寬帶換能器(接收) 聲表面波色散延遲線的結(jié)構(gòu)和頻率特性三聲表面波濾波器工作原理：利用叉指換能器具有帶通性的頻率特

6、性組成：叉指換能器與之附著的壓電介質(zhì)工作過程：在輸入換能器上施加交流信號，激起聲表面波，該聲表面波被輸出換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，加到負(fù)載上特點(diǎn)：只有當(dāng)輸入叉指換能器上的電信號頻率所對應(yīng)的表面波波長與叉指換能器的電極周期一致時(shí)，電信號才能從輸入換能器傳輸?shù)捷敵鰮Q能器 據(jù)此可通過適當(dāng)設(shè)計(jì)叉指電極的結(jié)構(gòu)來控制電信號的傳輸,從而實(shí)現(xiàn)濾波的目的.2. 僅能設(shè)計(jì)為帶通型的,難以實(shí)現(xiàn)低通和高通特性.3. 可分別設(shè)計(jì)幅頻特性和相頻特性3.4 壓電變壓器壓電變壓器一工作原理通過逆壓電效應(yīng)，輸入的電信號將激勵(lì)起壓電片的機(jī)械振動，在機(jī)械振動中進(jìn)行阻抗變換，再通過正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號，在諧振頻率上獲得

7、電壓輸出二壓電變壓器的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)具有反饋連接的橫向變壓器:結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定縱向振動模式變壓器：升壓比與幾何尺寸無關(guān)，取決于Q和k2,遠(yuǎn)低于橫向變壓器，但輸入阻抗高組合式橫向變壓器：輸出功率大，采用多層獨(dú)石陶瓷電容器工藝制作多層獨(dú)石壓電陶瓷變壓器。D組合式橫向變壓器2：諧振頻率低，升壓比小E兩端輸出型變壓器：兩端輸出，兩端輸出電壓可以不同中間抽頭型變壓器：靠近發(fā)電部分的端頭的輸出電壓較高，不同抽頭的輸出電壓不同，可多抽頭同時(shí)輸出，但總功率不變。切變模式壓電變壓器:輸出電壓與厚度切變模式、機(jī)電耦合系數(shù)有關(guān)，諧振頻率只與厚度有關(guān)，與長度無關(guān)，可以達(dá)到較高工作頻率圓片型壓電變壓器：輸出電流較大環(huán)

8、形壓電變壓器：諧振頻率低，輸出電流較小，輸出電壓較高三壓電變壓器的工作特性升壓比特性以橫向壓電變壓器為例：開路升壓比：厚度壓電陶瓷片的半長度和和機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)tlkkQtlkkQAmm3331333124獲得最大功率輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)獲得最大效率時(shí)的電壓放大倍數(shù)AApM212233/212mMQkAA重要特點(diǎn)：()變壓器的升壓比與頻率有關(guān)，在接近壓電陶瓷片的諧振頻率處達(dá)到最大值，偏離諧振頻率時(shí)，升壓比迅速下降()變壓器的升壓比還與負(fù)載有關(guān)，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，隨負(fù)載的增加而迅速增加，之后逐漸飽和，同時(shí)效率開始下降()當(dāng)輸入電壓增大到一定值時(shí)，輸出電壓隨輸入電壓的變化不再是線性的，輸出電

9、壓增加變緩，甚至達(dá)到飽和輸入阻抗特性與頻率有關(guān) 在諧振頻率下阻抗的絕對值最低,在反諧振頻率阻抗最高. 輸入電壓與電流之間的相位差也隨頻率變化,在諧振頻率與反諧振頻率處,相位差為零,輸入阻抗呈純電阻,在此兩頻率之間,輸入阻抗呈電感性,在此兩頻率之外,輸入阻抗呈電容性B. 與負(fù)載阻抗有關(guān) 隨負(fù)載阻抗的增加而減少,負(fù)載阻抗愈大,輸入阻抗愈小,開路時(shí)輸入阻抗最小. 開路狀態(tài)工作時(shí),發(fā)熱嚴(yán)重,容易損壞壓電變壓器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高，重量輕，體積小，無漏泄磁場，不燃燒等；壓電變壓器的缺點(diǎn)：需在諧振頻率下工作，輸出功率低，電壓調(diào)整特性差。應(yīng)用：從靜電除塵、靜電復(fù)印、小功率激光管等到液晶顯示背光源等四壓電變壓器

10、的應(yīng)用例子液晶顯示器背景光源的電源變壓器: 將電池的低直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓,開始時(shí)電壓超過1000V,穩(wěn)定時(shí)只需上述值的1/31/2，電流約56mA，與壓電變壓器的輸出電壓/電流特性相符。 電源的控制部分、驅(qū)動部分和壓電變壓器部分全部安裝在一塊玻璃環(huán)氧基板上，轉(zhuǎn)換效率80%, 實(shí)現(xiàn)小型化、高轉(zhuǎn)換效率和低成本。2. 高頻降壓變壓器(DC-DC降壓變換器)(通過輸入輸出層間的絕緣層微調(diào)諧振頻率，通過各層厚度和層數(shù)來控制降壓比)3.5 熱釋電紅外探測器熱釋電紅外探測器 熱釋電效應(yīng)概述 定義 某些晶體可以因溫度變化而引起晶體表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) 壓電、熱釋電和鐵電效應(yīng)的關(guān)系 電介質(zhì)(絕緣

11、體)與導(dǎo)體不同，帶電粒子被束縛在固定位置上，在電場作用下，僅能作微小的位移，即產(chǎn)生電極化，但不產(chǎn)生電流，稱這種性質(zhì)為介電性極性晶體與非極性晶體在晶體的32種對稱群中，有11種具有對稱中心，晶格上為非極性原子或分子，在電性上是完全電中性的，稱為各向同性介電體另有20種結(jié)構(gòu)的晶體，其結(jié)構(gòu)上無對稱中心，在壓力作用下可產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此即壓電效應(yīng)自發(fā)極化與自發(fā)極化偶極矩的變化 極性晶體的極化可能是自發(fā)產(chǎn)生的,此時(shí)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生永久偶極矩(表征極化大小與方向的物理量)當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，此偶極矩可能發(fā)生變化，這種變化可能是大小和方向同時(shí)變化，也可能僅僅是方向上的變化熱釋電效應(yīng)與鐵電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)當(dāng)晶體溫度改變時(shí)，自發(fā)

12、極化偶極矩發(fā)生變化，從而使晶體表面出現(xiàn)束縛電荷，此即熱釋電效應(yīng)；自發(fā)極化強(qiáng)度矢量在電場作用下會改變方向，此即鐵電效應(yīng)E壓電、熱釋電和鐵電效應(yīng)的關(guān)系介電體 壓電體 熱釋電體鐵電體熱釋電效應(yīng)的分類若晶體均勻受熱，且在此過程中受到機(jī)械支持，從而幾何尺寸不變，此時(shí)自發(fā)極化的改變?yōu)榈谝活悷後岆娦?yīng)自發(fā)極化改變量與溫度改變量間的比例系數(shù)稱為第一或恒應(yīng)變熱釋電系數(shù)II若晶體均勻受熱，無機(jī)械夾持，使應(yīng)力為零或保持恒定，此時(shí)晶體受熱膨脹，出現(xiàn)壓電效應(yīng)并疊加到第一類熱釋電效應(yīng)上，這一附加的熱釋電效應(yīng)稱為第二熱釋電效應(yīng)應(yīng)力自由熱釋電效應(yīng)應(yīng)是第一和第二熱釋電效應(yīng)之和III若晶體非均勻受熱，則晶體中會產(chǎn)生附加的應(yīng)力梯度

13、，這應(yīng)力梯度通過壓電效應(yīng)改變電極化并疊加于第一熱釋電效應(yīng)上，這種因非均勻加熱引入的附加熱釋電效應(yīng)稱為第三熱釋電效應(yīng)由于第三熱釋電效應(yīng)通常很小，往往可以忽略二熱釋電紅外探測器何謂紅外探測器？用來探測物體紅外輻射能量的一種器件，它將外界輻射能量吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的電信號或其他形式的量紅外探測器的分類：光子探測器熱探測器熱釋電紅外探測器的特點(diǎn)： A. 與其他熱探測器(熱電偶、熱敏電阻器等)相同的特點(diǎn): 在很寬的光譜范圍內(nèi)具有相同的響應(yīng)率,這種響應(yīng)只與探測敏感元件對紅外輻射的吸收能力有關(guān).B. 與其他熱探測器不同的特點(diǎn): 這種探測器探測的是溫度隨時(shí)間的變化率,而不是溫度值本身,工作過程不需建立熱平衡

14、,故響應(yīng)速度極快.C. 與光子探測器相比的特點(diǎn)在室溫下對從紫外光到毫米波段的光都有相同的響應(yīng)，其光譜響應(yīng)寬度比光電導(dǎo)探測器大個(gè)數(shù)量級比探測度為5109cmHz1/2/W，與室溫光電導(dǎo)探測器的比探測度1010cmHz1/2/W接近 (光子探測器具有更快的響應(yīng)速度和更高的比探測度)熱釋電紅外探測器的組成與結(jié)構(gòu)組成：熱釋電薄晶體放大器等結(jié)構(gòu)類型：面電極式，邊電極式面電極式熱釋電探測器的電極結(jié)構(gòu)既是熱傳感器，又是電容性元件邊電極式熱釋電探測器的電極結(jié)構(gòu)電路組成示意圖熱釋電電流與溫度變化率的關(guān)系：熱釋電電流入射輻射功率電極表面面積電極表面總的自由電荷ipAAPQdtdTApdtdTdTdPAdtdQiS

15、S熱釋電探測器的性能電壓響應(yīng)率：定義：單位入射功率在傳感器上產(chǎn)生的電壓均方根值表達(dá)式：入射功率的均方根值電壓的方根值P，VPVRV00,噪音等效功率NEP 定義：在指定的噪音帶寬f下，信噪比S/N=1時(shí)入射功率的值(其值愈小，靈敏度愈高)比探測度(其值愈大，探測器性能愈好)電壓響應(yīng)率電極面積調(diào)制入射頻率探測器噪聲均方根電壓放大器帶寬VVRAfNfNfARffTD/),(*熱釋電材料評價(jià)指標(biāo)電壓響應(yīng)優(yōu)值材料相對介電常數(shù)材料的體積比熱熱釋電系數(shù)rVrVVCpCpFOM探測度優(yōu)值材料的介電損耗tgtgCpFOMrVm2/1應(yīng)用景物紅外圖像的再現(xiàn)紅外成像(熱釋電攝像管)測量大氣的溫度和水氣分布(輻射計(jì)

16、)確定地球表面的熱輻射平衡特性9例子9例子9例子三薄膜型熱釋電紅外探測器薄膜型熱釋電紅外探測器的引出探測器的靈敏度與熱釋電敏感元厚度有關(guān)，敏感元越薄，其探測靈敏度越高熱釋電薄膜制備方法溶膠凝膠法金屬有機(jī)化合物熱分解法金屬有機(jī)化合物氣相沉積法分子束外延法濺射鍍膜法脈沖激光沉積法熱釋電薄膜材料無機(jī)熱釋電材料：(鈣鈦礦型氧化物)PT(PbTiO3)及其摻雜改性材料 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)及其摻雜改性材料PMN(Pb(MgxNb1-x)O3) BST(BaSr)TiO3) SBN(BaSr)NbO3) 有機(jī)熱釋電材料：聚偏氟乙烯(PVDF) TGS(硫酸三甘肽)特點(diǎn)：熱釋電系數(shù)低，介電

17、常數(shù)小，損耗大電壓響應(yīng)優(yōu)值不低，但探測度優(yōu)值低制作工藝簡單，成本低發(fā)展方向研制集成化的熱釋電器件制作工藝與半導(dǎo)體工藝兼容性好：硅片上制作半導(dǎo)體器件制作隔離層和隔熱層制作敏感元刻蝕與互連沉積保護(hù)層封裝3.6 鐵電器件鐵電器件一鐵電性概述電滯回線電疇宏觀尺寸的鐵電單晶被劃分為許多小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由許多晶胞組成，各個(gè)晶胞的偶極子方向，也即自發(fā)極化方向都是相同的，這樣的區(qū)域稱為電疇多疇狀態(tài)與單疇狀態(tài)一般情況下，相鄰電疇的極化方向是不同的，各電疇的電矩相互抵消，此時(shí)晶體的能量最低，稱之為多疇狀態(tài)在強(qiáng)電場作用下，晶體內(nèi)將出現(xiàn)微小的新疇核，其自發(fā)極化方向趨于與外電場方向一致，之后，新疇核長大，逐漸代替舊的電

18、疇，從而使電疇方向趨于與外電場方向一致，稱這種狀態(tài)為單疇狀態(tài)鈦酸鋇晶體中的相變低溫相的對稱性低，可能具有鐵電性順電相與鐵電相高溫下，對應(yīng)相的結(jié)構(gòu)的對稱性高，不具自發(fā)極化和鐵電性，稱為順電相，低溫下，對應(yīng)相的結(jié)構(gòu)的對稱性低，能產(chǎn)生自發(fā)極化和鐵電性，稱為鐵電相居里溫度TC由高溫順電相轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏罔F電相所對應(yīng)的溫度稱為居里溫度7. 順電鐵電轉(zhuǎn)變與臨界現(xiàn)象伴隨順電鐵電轉(zhuǎn)變過程，晶體的一系列物理性質(zhì)發(fā)生劇烈的變化，這些反常變化通稱為臨界現(xiàn)象晶體中出現(xiàn)劇烈變化的性質(zhì)有：介電性質(zhì)彈性壓電性熱力學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 例如，介電常數(shù)遵循居里外斯定律： 一級相變中，T0TC 二級相變中，T0TC 外斯溫度居里居里常數(shù)00

19、TCTTCr8鐵電材料第一類：非氧化物鐵電體SbSI (碘硫化銻)BiSBr (溴硫化鉍)FeS 第二類：氫鍵鐵電體 磷酸二氫鉀 (KH2PO4) 羅息鹽 (NaKC4H4O64H2O) 硫酸三甘肽 (NH2CH2COOH)3 H2SO4第三類：雙氧化物鐵電體(研究與應(yīng)用最廣泛)特點(diǎn)：某種金屬離子，通常是過渡金屬離子，處于氧八面體間隙中，通過共用點(diǎn)、棱、面等要素，互相連接形成晶體結(jié)構(gòu)的“骨架”。類型： 鈣鈦礦型 BaTiO3 鎢青銅型 鈮酸鋰型焦綠石型含鉍層狀型二鐵電陶瓷致動器反鐵電效應(yīng)P與E的關(guān)系曲線：將電場施加于反鐵電晶體時(shí)，初期,P與E成線性關(guān)系，類似于線性介質(zhì)，當(dāng)場強(qiáng)超過EC時(shí)，P與E

20、呈非線性關(guān)系至飽和，E下降時(shí)P也降低，形成類似于鐵電體的電滯回線施加反向電場時(shí)，在第三象限出現(xiàn)與之對稱的電滯回線 反鐵電效應(yīng) 內(nèi)部變化： 當(dāng)E逐漸增大至大于EC時(shí)： 反鐵電體相鐵電體相 出現(xiàn)鐵電體的電滯回線 當(dāng)E逐漸減小至小于EC時(shí)： 鐵電體相反鐵電體相 出現(xiàn)線性關(guān)系 反鐵電鐵電相變時(shí)，伴隨很大的應(yīng)變(0.1%0.5%)，比壓電效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級電致伸縮效應(yīng)材料在電場作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱為電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)與壓電效應(yīng)不同，形變的符號與電場極性無關(guān)，形變與電場強(qiáng)度值的平方成正比關(guān)于電致伸縮的重要特點(diǎn)是介電材料的一般性質(zhì)，不論材料處于晶態(tài)還是非晶態(tài)，不論是否存在對稱中心，均存在電致伸縮效應(yīng)

21、電致伸致效應(yīng)在恰處于居里點(diǎn)以上的鐵電材料中最顯著居里溫度以上為順電相，在電場作用下誘發(fā)出鐵電相，溫度范圍較窄弛豫鐵電體(PMN，PZN，PLZT)不存在明銳的鐵電順電相變，Tc具有一定的溫度范圍，此即鐵電器件的工作溫區(qū)。電致伸縮器件的優(yōu)點(diǎn)：形變與電場強(qiáng)度的關(guān)系滯后很小或可忽略形變輸出穩(wěn)定形變量接近最好的壓電陶瓷制作過程不需經(jīng)過極化電致伸縮器件的缺點(diǎn)：工作溫區(qū)較窄低電場下形變量小，通常需要較高的工作電壓鐵電陶瓷致動器件的類型：微致動器：僅輸出材料本身的應(yīng)變，其值在微米量級宏致動器：通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)位移放大，其值可達(dá)毫米量級新型致動器弦月結(jié)構(gòu)致動器鐵電陶瓷端帽淺空腔特點(diǎn)：可將陶瓷的徑向伸縮轉(zhuǎn)

22、換并放大為端帽的軸向位移彩虹型致動器陶瓷片石墨片還原層特點(diǎn)：還原層與陶瓷層的熱膨脹系數(shù)不同，降溫時(shí)將產(chǎn)生一彎曲表面，此表面層中存在很大的內(nèi)應(yīng)力，能增強(qiáng)導(dǎo)電層的響應(yīng)三鐵電電光器件電光效應(yīng) A. 何謂電光效應(yīng) 晶體的折射率隨電場而變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng).B. 折射率與電場的關(guān)系式: n=n0+aE+bE2+C.一次電光效應(yīng)(線性電光效應(yīng)或Pockels效應(yīng))(出現(xiàn)在無對稱中心的晶體中)折射率與電場強(qiáng)度成線性關(guān)系. 二次電光效應(yīng)(err效應(yīng))折射率與電場強(qiáng)度的平方項(xiàng)成線性關(guān)系電光快門示意圖半波電壓隨著施加電壓的增大，光輸出也在逐漸增大，當(dāng)所加電壓達(dá)到某一電壓值、光振動方向完全偏轉(zhuǎn)到水平方向時(shí)，光輸出

23、達(dá)到最大，相當(dāng)于快門完全打開，這個(gè)電壓稱為半波電壓。3電光調(diào)制器 當(dāng)在電光晶體上施加交變調(diào)制信號電壓時(shí)，由于電光效應(yīng)，晶體的折射率隨調(diào)制電壓即信號而交替變化此時(shí)，若有光波通過晶體，則原來不帶信號的光波則含有了調(diào)制信號的信息電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制強(qiáng)度電光相位調(diào)制器調(diào)制相位電光偏轉(zhuǎn)器何謂電光偏轉(zhuǎn)器利用晶體的電光效應(yīng)使激光束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的器件稱為電光偏轉(zhuǎn)器類型數(shù)字偏轉(zhuǎn)器：使激光束在特定的間隔位置上離散連續(xù)偏轉(zhuǎn)器：使光束發(fā)生連續(xù)偏轉(zhuǎn)而使光點(diǎn)在空間按預(yù)定要求連續(xù)移動四集成化鐵電器件集成化鐵電器件的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體集成電路芯片(IC)集成在其上的鐵電材料通過在鐵電薄膜上形成特定的電極來區(qū)分不同的鐵電單元，每個(gè)鐵電單

24、元與薄膜下適當(dāng)?shù)木w管電路直接相連晶體管電路的作用：提供控制、信號放大或檢測等功能。若鐵電單元用作存儲器，則將晶體管布置成適當(dāng)形式的二維陣列，與鐵電存儲單元相連，可使尋址快捷方便。2集成化鐵電器件 鐵電存儲器 集成化熱釋電探測器陣列 集成化聲表面波器件 集成化壓電器件 集成化介電敏感器件最有競爭力的集成化鐵電器件鐵電薄膜電容器晶體管基儲存器，即新一代的電可寫可擦隨機(jī)存取存儲器(ferroelectric random access memory,FRAM)兼具： 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)的高速度特點(diǎn) 動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的高密度特點(diǎn) 只讀存儲器(ROM)的非易失性FRAM的兩種

25、結(jié)構(gòu)兩個(gè)晶體管和兩個(gè)鐵電單元組成的2T/2C結(jié)構(gòu)一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成的1T/1C結(jié)構(gòu)5.工作原理：寫入時(shí)，通過PL(板線)使每對鐵電電容器處于相反的極化狀態(tài):Pr為“0態(tài)，-Pr為“1態(tài)；讀出時(shí)，把兩電容器沿相同方向極化，那么“1態(tài)電容器：-PrPs，存在大極化電流，“0態(tài)電容器：PrPs，存在小極化電流，通過兩位線上的放大器測出兩輸出電荷量之差，完成“1的讀出反之，若電容器的極化在相同的方向，則讀出“態(tài)。 6.FRAM單元結(jié)構(gòu)剖面圖7.鐵電儲存器制造鐵電存儲器技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝相兼容。鐵電薄膜被放置于CMOS基層之上，并置于兩電極之間，使用金屬互連并鈍化后完成鐵電制造過程。

26、8.鐵電儲存器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 鐵電記憶體不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。 FRAM第一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以跟隨總線速度 (bus speed) 寫入，與EEPROM的最大不同是FRAM在寫入后無須任何等待時(shí)間，而EEPROM則要等幾毫秒才能寫進(jìn)下一筆資料。 FRAM的第二大優(yōu)點(diǎn)是近乎無限次寫入。當(dāng)EEPROM只能應(yīng)付十萬(105) 至一百萬次寫入時(shí), 新一代的FRAM 已達(dá)到一億個(gè)億次(1016)的寫入壽命。 FRAM 的第三大優(yōu)點(diǎn)是超低功耗， EEPROM的慢速和高電流寫入令它需要高出FRAM 2500倍的能量去寫入每個(gè)字節(jié) 缺點(diǎn)：鐵電材料的疲勞現(xiàn)象9.鐵電儲存器的應(yīng)用() 數(shù)據(jù)采集和記

27、錄鐵電存貯器的出現(xiàn)使工程師可以運(yùn)用非易失性的特點(diǎn)進(jìn)行多次高速寫入。在這以前, 在只有EEPROM的情況下, 大量數(shù)據(jù)采集和記錄對工程師來說是一件非常頭疼的事。數(shù)據(jù)采集包括記錄和存貯數(shù)據(jù)，更重要的是能在失去電源的情況下，不丟失任何資料。在數(shù)據(jù)采集的過程中, 數(shù)據(jù)需要不斷高速寫入，對舊資料進(jìn)行更新，EEPROM的寫入壽命和速度往往不能滿足要求。典型應(yīng)用：儀表(電力表、水表、煤氣表、暖氣表、記程車表)、丈量、醫(yī)療儀表、非接觸式聰明卡(RFID)、門禁系統(tǒng)、汽車記錄儀(汽車事故黑匣子).() 存儲配置參數(shù)存儲配置參數(shù) (Configuration/Setting Data)以往在只有以往在只有EEPR

28、OM的情況下的情況下, 由于寫入次數(shù)限由于寫入次數(shù)限制，工程師們只能在偵測到掉電的時(shí)候，才把更新了制，工程師們只能在偵測到掉電的時(shí)候，才把更新了的配置參數(shù)及時(shí)地存進(jìn)的配置參數(shù)及時(shí)地存進(jìn)EEPROM里，里， 這種做法很明這種做法很明顯地存在著可靠性的問題。鐵電存貯器的推出使工程顯地存在著可靠性的問題。鐵電存貯器的推出使工程師可以有更大的發(fā)揮空間去選擇實(shí)時(shí)記錄最新的配置師可以有更大的發(fā)揮空間去選擇實(shí)時(shí)記錄最新的配置參數(shù)，參數(shù)， 免去是否能在掉電時(shí)及時(shí)寫入的憂慮。免去是否能在掉電時(shí)及時(shí)寫入的憂慮。 典型應(yīng)用：電話里的電子電話簿、典型應(yīng)用：電話里的電子電話簿、 影印機(jī)、打印影印機(jī)、打印機(jī)、工業(yè)控制、機(jī)

29、頂盒機(jī)、工業(yè)控制、機(jī)頂盒 (STB) 、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、TFT 屏顯、屏顯、 游戲機(jī)、自動販賣機(jī)游戲機(jī)、自動販賣機(jī).()非易失性緩沖非易失性緩沖(buffer) 記憶記憶鐵電存貯器能夠無限次快速擦寫，令這種產(chǎn)品鐵電存貯器能夠無限次快速擦寫，令這種產(chǎn)品十分適合擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存十分適合擔(dān)當(dāng)重要系統(tǒng)里的暫存(buffer)記憶體。在記憶體。在一些重要系統(tǒng)里，一些重要系統(tǒng)里， 往往需要把資料從一個(gè)子系統(tǒng)非往往需要把資料從一個(gè)子系統(tǒng)非實(shí)時(shí)地傳到另一個(gè)子系統(tǒng)去，由于資料的重要性實(shí)時(shí)地傳到另一個(gè)子系統(tǒng)去，由于資料的重要性, 緩緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不能丟失。以往沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不能丟失。以往,

30、工程師們只工程師們只能通過能通過SRAM加后備電池的方法去實(shí)現(xiàn)，雖然知道這加后備電池的方法去實(shí)現(xiàn)，雖然知道這種方法隱藏著電池耗干種方法隱藏著電池耗干, 化學(xué)液體泄出等安全和可靠化學(xué)液體泄出等安全和可靠性問題。鐵電存貯器的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個(gè)高可性問題。鐵電存貯器的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個(gè)高可靠性靠性, 但低成本的解決方案。但低成本的解決方案。典型應(yīng)用典型應(yīng)用: 銀行自動提款機(jī)銀行自動提款機(jī) (ATM) 、稅控機(jī)、商、稅控機(jī)、商業(yè)結(jié)算系統(tǒng)業(yè)結(jié)算系統(tǒng) (POS)、傳真機(jī)、傳真機(jī).() SRAM的取代和擴(kuò)展的取代和擴(kuò)展鐵電存貯器無限次快速擦寫和非易失性的特點(diǎn)鐵電存貯器無限次快速擦寫和非易失性的特點(diǎn),令令

31、系統(tǒng)工程師可以把現(xiàn)在在線路板上分離的系統(tǒng)工程師可以把現(xiàn)在在線路板上分離的SRAM和和EEPROM器件整合到一個(gè)鐵電存貯器里。器件整合到一個(gè)鐵電存貯器里。 為整個(gè)系為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省功耗、成本和空間，同時(shí)提高了整個(gè)系統(tǒng)的可統(tǒng)節(jié)省功耗、成本和空間，同時(shí)提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。靠性。典型應(yīng)用：典型應(yīng)用： 用用FRAM 加一個(gè)便宜的單片機(jī)來取加一個(gè)便宜的單片機(jī)來取代一個(gè)較貴的代一個(gè)較貴的SRAM嵌入式單片機(jī)和外圍嵌入式單片機(jī)和外圍EEPROM。東京理工大學(xué)和富士通微電子已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)出用于新一代非易東京理工大學(xué)和富士通微電子已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)出用于新一代非易失性鐵電隨機(jī)存儲器失性鐵電隨機(jī)存儲器Ferroelectric Random Access Memory，F(xiàn)eRAM的材料和工藝技術(shù)。的材料和工藝技術(shù)。 這種改進(jìn)的鉍、鐵、這種改進(jìn)的鉍、鐵、氧元素的合成材料氧元素的合成材料BiFeO3或或BFO能使能使FeRAM設(shè)備的數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)存