林家欣 / 工研院材化所
壓電陶瓷以材料分類主要可分成四種，包括：鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯鈦酸鋇(BCZT)、鈮酸鉀鈉(KNN)、鈦酸鉍鈉(BNT)。PZT是含鉛的壓電陶瓷，其餘三種是無鉛的壓電陶瓷。PZT依然是目前感測器及致動器的主流，考量壓電特性與品質特性的均衡，世界領導廠商的壓電陶瓷元件製造已經趨向於較低的燒結溫度，以確保次奈米級位移的精確度與穩定性，且低溫燒結可以節省電力支出因應未來碳稅成本。此外，世界領導廠商已克服無鉛壓電材料的介電損失偏高缺點，宣示無鉛壓電材料商品化，看準未來AI人機感測傳導介面的爆炸性應用。
【內文精選】
國外技術發展現況
藉由圖二文獻結果， 使用BS-PT(Scandium Bismuthate-Lead Titanate，鉍酸鈧–鈦酸鉛)成分的含鉛壓電陶瓷具有很高的居禮溫度Tc，其值逾400˚C以上，Tc代表抗熱特性，一般PZT系列的Tc點約為300˚C。但即使具有很高Tc的壓電材料，若在高溫燒結下的介電損失值依然不佳(室溫尚未驅動下約為3%以上)。在300˚C時升高至10%以上的介電損失，在400˚C時飆升至近20%。介電損失增加代表電能直接轉換成熱能，在高頻長時間作動下將會急速劣化，產生特性熱飄移及壓電特性的熱衰竭。實際上壓電陶瓷能夠穩定進行機電轉換的操作溫度範圍為1/2~1/3 Tc以下。由圖二的文獻結果可看到另一現象，燒結1,200˚C樣品的介電損失明顯高於1,000˚C燒結的樣品，此一結果主要原因為相轉變或者高溫燒結導致鉛逸散缺陷，致使介電損失增高。
圖二、BSPT壓電陶瓷的居禮溫度Tc及介電損失tanδ與燒結溫度的關係
國內技術發展現況
筆者鑒於國內外高階壓電陶瓷元件低溫燒結及應用趨勢，針對1,000˚C低溫燒結環境，兼顧壓電特性提升與品質特性的前提，不使用低溫燒結助劑，而是重新設計低溫壓電陶瓷配方及製造程序，成功開發了可以在1,000~1,050˚C的低溫燒結壓電陶瓷配方技術，不僅具有d33達400 pC/N，機電耦合係數甚至高達75%以上的優異壓電特性，尤其介電損失在1 kHz至1 MHz寬頻範圍內都具有超低介電損失0.1x%，換算其機械品質因子都超過1,000以上。此低溫燒結配方可應用在生產堆疊共燒的積層壓電陶瓷元件技術，以及單層可供大功率、MHz等級高頻超音波驅動的壓電陶瓷元件模組，樣品外觀如圖六所示。目前已陸續技術移轉給國內壓電陶瓷廠商進行試量產及新產品特性驗證。雖然國內壓電陶瓷產業規模較小，整體技術能力稍微落後，但我國光、機、電等產業在全球具有一定市占，且有堅強的產學研平台支援，朝著特性、品質同時提升以及製造成本降低的方向邁進，具有潛力取代國外進口高階壓電陶瓷元件---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、工研院1,000˚C低溫配方製作之(a)積層共燒壓電元件；(b)單層壓電元件及其超低介電損失特性
★本文節錄自《工業材料雜誌》462期，更多資料請見下方附檔。