電子陶瓷：產品門類齊全應用領域拓寬

　　中國電子元件行業協會電子陶瓷及器件分會

　　壓電陶瓷的出現和發展給技術進步、新產業的形成，以及我國的經濟和社會的發展帶來重大影響。壓電陶瓷產品全球年銷售量正在按15%左右的速度遞增。

　   上世紀80年代，隨着我國電子工業的發展和民品需要，家用電器中對陶瓷濾波器及陶瓷諧振器的需求量迅猛增多，江西景德鎮999廠和上海無線電一廠同時引進日本村田壓電陶瓷頻率元件生產線，從此拉開了我國壓電陶瓷產品由軍品轉為民品的大批生產序幕。通過摸索和消化日本引進線的先進材料和工藝，國內很多中小型的壓電陶瓷生產廠家得到了迅速發展，如浙江嘉康電子(原嘉興電陶廠)、江蘇江佳電子、無錫寶通電子、蘇州捷嘉電子等。嘉康電子當時的主打產品是壓電陶瓷蜂鳴器，每月的產量在上千萬隻，通過先進工藝線的引進、消化、吸收和提高，很快成為國內產量最大、品種最全的高頻器件製造商，到2007年壓電陶瓷器件已達7.15億隻。江蘇江佳電子開始生產小量的多片陶瓷濾波器，現在已發展成為國內中頻陶瓷濾波器最大製造商，到2007年年產量就已經達到4.67億隻。

　　 陶瓷材料取得巨大發展
　   回顧我國壓電陶瓷行業的發展，20年前只有山東大學、清華大學、華南工學院、天津大學、四川大學、上海科大等幾所大學設有壓電材料及應用的專業，上海矽酸鹽研究所、中電科技集團第7研究所和第26研究所等建有壓電陶瓷材料和應用研究室，生產廠家只有山東淄博無線電陶瓷廠，主要開展的項目大多與軍用產品有關。涉及民用的產品只有大量生產的壓電陶瓷蜂鳴器和點火器，小量用於郵電通信的多片陶瓷濾波器、機械濾波器、用於水聲和超聲的壓電陶瓷換能器等。
　　為了適應各類壓電器件對材料性能的不同要求，材料研究人員廣泛進行了改性添加劑的研究，開發出了大量高性能壓電陶瓷材料。

　　鈦酸鉛陶瓷(PT)
　　上世紀90年代末，為了滿足製造10MHz以上高頻陶瓷濾波器和陶瓷諧振器的需要，材料研究人員通過對鈦酸鉛陶瓷材料用少量氧化鑭取代，並適量添加錳、鈮、鈰離子，得到了高頻響應好、溫度穩定性優良的改性鈦酸鉛陶瓷材料，其電性能與日本村田同期同類材料相當。同時還研究出了適合用於高溫超聲換能器的鈦酸鉛壓電陶瓷材料，成功用於高溫使用環境的石油深井探測和流量計等。

　　鋯鈦酸鉛陶瓷(PZT)
　　上世紀80年代，江西景德鎮999廠和上海無線電一廠同時引進日本村田壓電陶瓷頻率元件生產線，主要原材料靠日本提供，這給國內的大批量生產和降低成本造成了較大的困難，為了打破外國封鎖，通過對PZT材料進行研發和改進，很快實現了材料配方的國產化，自主開發的PZT壓電陶瓷材料電性能指標完全達到要求。接着又研究出多種適合不同帶寬的PZT壓電陶瓷材料。

　　三元系陶瓷
　　近20年來，我國在三元系壓電陶瓷材料的改性研究方面做了大量的繼續研究工作，試驗了多種元素的組合取代和添加，拓展出許多改性三元系、四元系和多元系材料，如：PCM-PZT、PMS-PZT、PNZ-PNS—PZT、PMS-PNZ-PNS—PZT等，這些材料具有不同的性能，能滿足各種需要，使壓電陶瓷的應用面得到快速擴展。

　　無鉛壓電陶瓷
　　上述壓電陶瓷均含有大量的鉛，製造過程會導致環境污染，為了減少污染，國內外科研人員開展了無鉛系壓電陶瓷的研究，與含鉛系壓電陶瓷材料相比、無鉛系壓電陶瓷的性能明顯不同於含鉛壓電陶瓷，如無鉛系壓電陶瓷的居里點約高出200℃～300℃，介電常數僅140～150，機械品質因數高達4000～7000。但是，無鉛壓電陶瓷的機電耦合係數等性能遠不如含鉛陶瓷，加之製造工藝難以控制，故無鉛壓電陶瓷僅在一些特定領域應用，其研究工作仍在進行中。

      應用快速滲透
　　經過20年的發展，當今，壓電陶瓷產品門類齊全，不僅廣泛用於軍事和工業領域，還滲透到了人們日常生活的每個角落。其應用領域主要涉及以下5個方面：

　　第一，頻率控制器件。近幾年發展較快的有陶瓷諧振器、陶瓷濾波器，還有調諧音叉濾波器、機械濾波器、陶瓷鑒頻器、陷波器和延遲線。其中陶瓷諧振器、陶瓷濾波器產量已經占我國壓電陶瓷產品的65%以上，相當引人注目。特別是陶瓷諧振器具有高穩定、無需調節、尺寸小和成本低等特點。典型的應用有：電視機、攝錄像機、計算機、CD-ROM驅動器、汽車電器、VCD、電話機、複印機、語音合成器、遙控器和玩具等。

　　第二，壓電超聲換能器。壓電超聲換能器是發射和接收超聲波的聲學器件，在水和空氣介質中廣泛應用。在水聲通信中起雷達的作用，被稱為聲吶，是各類艦船必不可少的重要傳感器。在工業中，超聲換能器已被用於超聲清洗、超聲精密加工、超聲加濕、超聲乳化、超聲種子處理、超聲探傷和超聲診斷等。當今，壓電超聲換能器的另一廣泛應用領域是遙測、遙控系統和報警系統。

　　第三，壓電發聲器。壓電發聲器的典型產品是壓電蜂鳴器和壓電送、受話器、手錶、計算器、電子鬧鐘、小型警鈴以及電話、手機的振鈴都離不開蜂鳴器。帶有電晶體振盪電路和直流電源的蜂鳴器可發出連續聲音，帶有開關電路的蜂鳴器可發出斷續聲音，屬於聲換能器的水下微音器和揚聲器還可用來驅趕或引誘魚群。

　　第四，計測和控制用壓電器件。計測和控制用壓電器件主要有壓力、加速度、角速度傳感器以及超聲測深、超聲測厚、超聲測流速、超聲診斷等。

　　第五，壓電點火器和壓電變壓器。1965年開始批量生產壓電點火器，近20年來得到了更快的發展，我國目前幾乎所有煤氣灶、浴室煤氣鍋爐、煤氣房間加熱器、煤氣熱水器和香煙打火機都用壓電點火器。壓電變壓器具有結構簡單、尺寸小、變壓比高、機電轉換效率高、無電磁干擾和安全等優點，故用於靜電除煙器、負離子發生器、靜電塗覆設備、靜電複印機、電場治療儀和液晶背光源等。

　　聲表面波形成完整體系
　　聲表面波器件是電子陶瓷領域一個熱門產品。聲表面波(SAW)是沿物體表面傳播的一種彈性波，我國聲表面技術的開發從1970年開始，經過了37年的研究和發展，已基本形成了從理論研究、晶體材料生長加工、器件設計和生產以及系統應用的完整體系。

　　我國聲表面波技術的發展大致可以分為3個階段：第一階段，聲表面波技術應用於軍事領域開發與應用。聲表面波技術開發的最初動力各國都來源於國防軍事領域，我國也不例外;雷達、通信、導航和電子對抗等均採用了各種各樣的SAW信號處理器件。第二階段，聲表波技術應用於廣播電視領域。第三階段，聲表面波技術應用於現代通信。

　　聲表面波在我國經歷了30多年的發展，湧現了30多家大大小小的生產企業，雖然廠家眾多，但技術水平和生產規模有限，除中電科技的第26、55研究所、德清華瑩電子有限公司、無錫好達電子有限公司等在生產技術、規模和產品種類上有一定的優勢外，余者規模小，主要以生產電視中頻濾波器、諧振器以及對講機濾波器等工藝要求相對較低的產品為主，產品價格低廉。

　　從產品的封裝上看，電視中頻聲表面波濾波器由金屬封裝朝塑殼封裝方向發展，由於塑殼封裝具有體積小、重量輕的特點，特別是在一體化高頻頭中可以體現其優勢，國內很多生產企業都開發了自己的塑封產品，從規模上看，無錫好達電子有限公司和中電科技德清華瑩電子有限公司在塑封產品上佔據了較大的市場份額。

　　SMD產品目前國內能批量化生產的最小尺寸是3mm×3mm，主要生產單位有中電科技的55所、德清華瑩、26所和無錫好達電子有限公司等。現RF濾波器的主流產品封裝都是採用2.5mm×2.0mm以下的倒裝焊技術，故國內目前SAWRF濾波器生產受到了很大的限制，由於成本、技術等因素，國內幾家有實力的研究所和生產企業都還無在縮小產品封裝上進一步投入的計劃，南陽金冠集團曾投入了部分倒裝焊設備，但還不具生產能力。

　　我國聲表面波產品的基礎研究特別是低損耗設計技術，目前主要以中電科技第26研究所、南京大學以及中科院聲學所3家科研機構為主力，另外中電科技德清華瑩、55所和無錫好達等單位也具備一定的產品開發能力。

    我國的聲表面波行業和國外相比，總體存在不小的差距。產品研發沒有太多的科研機構和大專院校作為技術支撐，缺乏一支基礎研究的隊伍，由於市場競爭的因素，各單位各自為政，缺乏學術交流，很多小企業不具研發能力。從生產技術和生產規模上看，和國際上的一些知名公司如EPCOS、Murata、Fujistu、SANYO等相比還存在着很大差距，包括封裝技術、自動化程度、工藝水平、生產規模等。

　　隨着市場競爭加劇，目前整個聲表產業的贏利普遍不高，最大市場手機RF濾波器已經在維持水平上生產，失去了投資機會。要想未來在行業里有一定生存地位，必須通過自己的技術進步，不斷提高產品成品率、降低生產成本、提高產品質量，增強規模化生產能力。我們認為，我國聲表面波行業在未來發展上，可以做以下幾方面工作：第一，加強行業內相互合作和資源整合。第二，擴大國際技術合作。第三，積極探索新的應用領域。聲表面波技術除了目前的常規應用外，還有在傳感器、射頻設別(RFID)等方面的一些特殊用途。

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　　電子陶瓷材料發展趨勢
　　在高溫高性能壓電陶瓷材料方面，隨着鋼鐵、化工、能源、航空航天的發展，需要高精度驅動器、探測換能器和傳感器等壓電器件在高溫(可達600℃～800℃)惡劣環境中工作。航空器引擎的振動控制、載液態(蒸汽)金屬管道的無損探傷、鋼鐵和化工工業、熱網、電網以及核電工業的高溫流量探測和控制、焊接管道的無損探傷、高精度傳感驅動器件等領域，對壓電材料的高溫應用都提出了迫切要求。
　　在無鉛壓電陶瓷材料方面，以機電能量轉換為其特徵的壓電陶瓷材料目前大規模使用的是鉛基壓電陶瓷，其中PbO約佔原料的60%～70%左右。這些含鉛壓電陶瓷材料在生產、使用及廢棄後處理過程中都會給人類和生態環境帶來嚴重危害。為了保護地球和人類的生存空間，防止環境污染，研究和開發實用化的無鉛壓電陶瓷材料是一項具有重大社會和經濟意義的課題。

　　電子陶瓷應用發展趨勢
　　具有更薄更小尺寸的片式壓電陶瓷頻率元器件;頻率更高的壓電陶瓷諧振器;具有更高頻率精度，更優異頻率穩定性，可靠性更高的壓電陶瓷頻率元器件;具有優異的耐熱性，能適用無鉛回流焊需要的片式陶瓷頻率元器件;不含或少含有毒、有害元素的片式壓電陶瓷頻率元器件的應用會受到關注。

　　另外，利用壓電陶瓷換能器產生的超聲波處理廢水及有毒水。具有徑向尺寸小、輸出力矩大、可控性強等特點的超聲電機;防盜、測高、汽車防撞、遙控開關和機械人測距離等超聲傳感器;伺服位移制動器、光學應變鏡、應變光柵、超精密導向機構、切磨誤差補償制動器、油壓伺服閥等應特別關注。

來源：比特網
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