鐵電器件(第2版)（簡體書）

本書系統介紹了鐵電器件與鐵電材料的理論背景以及實用性的材料與器件設計、驅動與控制技術及其典型應用。全書共分11章。第1-2章介紹了鐵電材料的晶體結構、鐵電起源和鐵電唯象理論；第3章介紹了鐵電陶瓷材料的一般制備工藝與器件設計方法；第4~6章分別介紹了高介電陶瓷電容、鐵電儲存器和熱釋電器件。
作為本書的重點，第7章介紹了壓電陶瓷與壓電聚合物材料、新的壓電晶體材料以及典型的壓電器件，包括壓電傳感器、換能器和壓電致動器等。第8-10章介紹了鐵電電光器件、熱阻器件和新的多鐵性磁電器件。最后一章介紹了鐵電器件的應用、市場以及鐵電器件的未來發展。
本書各章均穿插有例題、常見問題解答和實驗演示，各章末均附有該章要點回顧、測驗題和習題。
本書是在第1版基礎上根據最近十余年鐵電器件領域的新研究和發展修訂而成，全書大部分章節都做了更新，并新增了無鉛壓電陶瓷、鐵電性尺寸效應、電卡器件、微質量傳感器、壓電能量回收、光閥和掃描儀、多鐵器件（包括磁電傳感器）等章節，力求在內容取舍方面做到經典與前沿的結合。
本書可作為材料、電子、通信、精密機械以及應用物理等專業高年級本科生、研究生的教學參考書，也可供從事壓電、鐵電器件研究以及相關領域研究的科研工作者參考。

內野研二（Kenji Uchino）先生是國際著名鐵電器件專家，壓電致動器的先驅者之一。他是美國賓夕法尼亞州立大學國際致動器換能器中心（ICAT）創始主任以及電子工程系教授，也是賓夕法尼亞州立大學微機電公司的創始人和高級副總裁兼首席技術專家。
1976年在日本東京工業大學獲得博士學位以后，內野先生在該校物理電子系做研究助理／助理教授。隨后他于1985年加入日本上智大學并成為物理學副教授。之后他于1991年到美國賓夕法尼亞州立大學任教。1986-1988年他在日本國家空間開發署（NASDA）的航天飛機利用委員會任職，1992-1994年間任美國NF電子儀器公司副總經理。1987-2014年，他任日本技術開發協會中的智能致動器／傳感器委員會的創始主席，該協會隸屬于日本原通商產業省。他還曾擔任美國海軍研究辦公室副主任，于2010-2014年在環球東京辦公室任IPA。從1997年起，內野先生長期擔任在德國不萊梅國際展覽中心舉辦的新致動器國際會議的主席。他同時還是《先進性能材料學報》（Journal of Advanced Performance Materials），《智能材料系統與結構學報》（Journal of Intelligent Materials Systems and Structures）和《日本應用物理學報》（Japanese Journal of Applied Physics）的副主編。1998-2000年，他還擔任美國電氣與電子工程師協會超聲、鐵電與頻率控制委員會（IEEEUItrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control）的管理委員會成員。2002-2003年，他擔任美國陶瓷學會（The American Ceramic Society，ACerS）秘書長。
內野先生的研究興趣主要在固體物理——特別是鐵電和壓電方向，包括理論、材料和器件制造工藝的基礎研究，同時也還包括精準定位的固體致動器／傳感器、微機器人、超聲馬達、智能結構、壓電換能器和能量回收器件。他作為以下領域的發現者或創造者被人們所熟知：（1）PMN基電致伸縮材料；（2）共燒多層壓電致動器（MLA）；（3）高性能的壓電單晶PZNPT；（4）光致伸縮現象；（5）形狀記憶陶瓷；（6）磁電復合傳感器；（7）壓電致動器的瞬態響應控制（脈沖驅動技術）；（8）微型超聲馬達；（9）多層盤狀壓電換能器；（10）壓電損耗表征方法。以上這些領域也是他正在研究的課題，近年來主要集中在最后三個領域。他已經在陶瓷致動器領域發表了510篇論文，出版了68本書，申請了31項專利。其中有37篇文章／書的引用超過了100次。他的平均H因子達到59，總引用次數20100，平均每年引用次數為437，這些數據在工程學院來說是相當高的。
內野先生1997年當選美國陶瓷學會會士（ACerS Fellow），2012年當選美國電氣與電子工程師協會會士（IEEEFellow）。截至2016年底，他獲得了28個獎項，包括世界陶瓷科學院（World Academy of Ceramics）頒發的國際陶瓷學獎，IEEEUFFC頒發的鐵電學成就獎（2013），弗吉尼亞理工學院能量回收材料和系統中心的發明人獎（2011），賓夕法尼亞州立大學工程學校友會研究獎（2011），日本應用電磁學與力學學會杰出學術著作獎（2008），美國國防部高級研究計劃局（DARPA）SPIE智能產品貢獻獎（2007），R&D雜志R&D100獎（2007），美國機械工程師協會（ASME）自適應結構獎（2005），賓州工程學會杰出研究獎（1996），尼桑汽車科學基金學術獎（1990），日本燃油／空氣壓力控制學會論文獎（1987）等。
內野先生在2008年還獲得圣弗朗西斯大學（St.Francis University）的工商管理碩士（MBA）學位，并為商學院教學編寫了名為《工程師的企業家精神》的教材。1989年，他作為幾部有關鐵電疇的動態觀測和陶瓷致動器的教育影片的導演和制片人，獲得了日本科學電影節電影紀念獎。他也是世界大學網絡的創始人之一，自2001年起該項目促使了英國和美國的多所大學的聯系和交流。

董蜀湘，清華大學博士，北京大學教授、博士生導師，美國弗吉尼亞理工大學兼職教授，曾任美國賓夕法尼亞州立大學、弗吉尼亞理工大學研究助理、研究科學家，新加坡國立大學訪問學者。

李美亞，北京大學博士，武漢大學教授、博士生導師，美國阿貢國家實驗室博士后研究員，英國謝菲爾德大學、新加坡國立大學訪問學者。

作者簡介
中文版序（姚熹院士）
譯者序
前言
預備知識測試（附答案）
課時建議
符號列表

第1章 鐵電材料概論
1．1 晶體結構和鐵電性
1．2 自發極化的起源
1．3 場致應變的起源
1．4 電光效應
1．5 鐵電體示例
1．5．1 鈦酸鋇
1．5．2 鋯鈦酸鉛（PZT）
1．5．3 聚偏二氟乙烯（PVDF）
1．5．4 無鉛壓電陶瓷
1．6 鐵電材料的應用
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第2章 鐵電體的數學處理
2．1 物理性質的張量表示
2．1．1 張量基礎
2．1．2 張量表示法
2．1．3 晶體對稱性和張量形式
2．1．4 張量的約簡（矩陣符號）
2．1．5 電致伸縮系數的矩陣符號
2．2 鐵電體的唯象理論
2．2．1 唯象理論基礎
2．2．2 朗道相變理論
2．2．3 電致伸縮的唯象理論
2．2．4 逆電致伸縮效應
2．2．5 電致伸縮的溫度依賴性
2．3 反鐵電性的唯象理論
2．3．1 反鐵電體
2．3．2 反鐵電體的唯象理論
2．4 鐵電疇的貢獻
2．4．1 鐵電疇的轉向
2．4．2 內田一池田（Uchida-Ikeda）模型
2．4．3 晶體結構與矯頑電場
2．4．4 滯后估算程序
2．4．5 電疇工程
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第3章 材料與器件的設計及制備工藝
3．1 材料設計
3．1．1 組分的選擇
3．1．2 鐵電性的摻雜效應
3．1．2．1 疇壁穩定性
3．1．2．2 結晶缺陷
3．1．3 大功率特性
3．2 陶瓷的制備工藝
3．2．1 陶瓷粉體的制備
3．2．1．1 固相反應法
3．2．1．2 共沉淀法
3．2．1．3 醇鹽水解法
3．2．2 燒結工藝
3．2．3 單晶的生長
3．2．3．1 石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰
3．2．3．2 PZN-PT，PMN-PT和PZT
3．2．4 模板晶粒生長
3．3 器件設計
3．3．1 單圓片
3．3．2 多層結構
3．3．3 壓電單晶片／壓電雙晶片
3．3．4 彎張／柔性鉸鏈杠桿放大機制
3．3．5 柔性復合材料
3．3．6 薄膜／厚膜
3．3．6．1 膜的制備技術
3．3．6．2 微機電系統的應用
3．3．6．3 薄膜／厚膜中的限制
3．4 鐵電性尺寸效應
3．4．1 鐵電性晶粒尺寸效應
3．4．2 鐵電性三維晶粒尺寸效應
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第4章 高介電材料
4．1 陶瓷電容器
4．2 片狀電容器
4．2．1 薄多層電容器
4．2．2 賤金屬內電極
4．2．2．1 鈦酸鋇基電容片
4．2．2．2 鈦酸鉛基電容片
4．3 混合基底
4．4 弛豫鐵電體
4．4．1 高介電常數
4．4．2 擴散相變
4．4．3 介電弛豫
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第5章 鐵電存儲器件
5．1 DRAM
5．1．1 DRAM的原理
5．1．2 鐵電DRAM
5．2 非易失性鐵電存儲
5．2．1 FeRAM（反轉電流型）
5．2．2 MFSFET
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第6章 熱釋電器件
6．1 熱釋電材料
6．1．1 熱釋電效應
6．1．2 響應率
6．1．3 品質因數
6．2 溫度／紅外輻射傳感器
6．3 紅外圖像傳感器
6．4 電卡器件
6．4．1 電卡效應
6．4．1．1 唯象方程
6．4．1．2 電卡材料
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第7章 壓電器件
7．1 壓電材料及其性質
7．1．1 壓電的重要參數
7．1．2 壓電材料
7．1．2．1 單晶
7．1．2．2 多晶材料
7．1．2．3 弛豫鐵電體
7．1．2．4 聚合物
7．1．2．5 復合材料
7．1．2．6 薄膜
7．2 壓力傳感器／加速計／陀螺儀
7．3 壓電振子／超聲換能器
7．3．1 壓電諧振
7．3．1．1 壓電方程
7．3．1．2 機電耦合系數
7．3．1．3 縱向振動模式
7．3．2 壓電振子的等效電路
7．3．3 壓電振子
7．3．4 超聲換能器
7．3．4．1 超聲成像
7．3．4．2 聲化學
7．3．5 諧振器／濾波器
7．4 表面聲波器件
7．5 微質量傳感器
7．5．1 生物傳感器
7．5．2 黏度傳感器
7．6 壓電變壓器
7．7 壓電致動器
7．7．1 陶瓷致動器材料
7．7．2 致動器設計
7．7．3 驅動／控制技術
7．7．4 器件應用
7．7．4．1 伺服位移換能器
7．7．4．2 脈沖驅動馬達
7．8 超聲馬達
7．8．1 超聲馬達
7．8．2 超聲馬達的分類和原理
7．8．2．1 駐波型
7．8．2．2 行波型
7．8．3 駐波型馬達
7．8．3．1 旋轉馬達
7．8．3．2 線性馬達
7．8．4 行波型馬達
7．8．4．1 線性馬達
7．8．4．2 旋轉馬達
7．8．4．3 不同類型超聲馬達的對比
7．8．5 平滑沖擊驅動裝置
7．9 壓電能量回收
7．9．1 用于能量回收的壓電被動阻尼
7．9．2 高功率能量回收（～W）
7．9．3 低功率能量回收（～mW）
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第8章 電光器件
8．1 電光效應回顧
8．2 透明電光陶瓷
8．2．1 （Pb，La）（Zr，T1）
8．2．2 PMN-PT
8．2．3 Pb（2n1／3Nb2/3）03
8．3 塊體電光器件
8．3．1 鐵電圖像存儲器
8．3．2 眼保護應用
8．3．3 立體電視應用
8．3．4 二維顯示器
8．3．4．1 二維顯示器的制造工藝
8．3．4．2 光閥陣列的性質
8．3．4．3 圖像投影儀的構造
8．3．5 KTN單晶光學開關
8．3．6 激光束掃描儀
8．4 波導調制器
8．4．1 LiNb03波導
8．4．2 PZT薄膜波導
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第9章 PTC材料
9．1 PTC現象的機制
9．1．1 PTC現象
9．1．2 PTC現象的機制
9．1．2．1 半導體性質
9．1．2．2 肖特基勢壘效應
9．1．2．3 實驗驗證
9．2 PTC熱敏電阻
9．3 晶界層電容器
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第10章 復合材料
10．1 連通性
10．2 復合效應
10．2．1 加和效應
10．2．2 結合（除法）效應
10．2．3 乘積效應
10．3 PZT：聚合物復合材料
10．3．1 壓電復合材料
10．3．2 PZT：聚合物復合材料的原理
10．3．3 0-3復合材料的理論模型
10．3．4 先進PZT：聚合物復合材料
10．4 復合材料阻尼器和能量回收器
10．4．1 壓電復合材料阻尼器
10．4．2 壓電復合材料能量回收器
10．5 磁電傳感器
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第11章 鐵電器件的未來
11．1 市場份額
11．1．1 鐵電器件的市場份額
11．1．2 壓電致動器的市場份額
11．2 可靠性問題
11．2．1 材料的改進
11．2．2 器件的可靠性
11．2．3 驅動／控制技術
11．2．4 安全系統
11．3 暢銷器件的開發
11．3．1 三種創造力
11．3．2 技術創造力
11．3．2．1 新功能或新材料的發現
11．3．2．2 性能提升
11．3．3 產品規劃創造力
11．3．3．1 種子和需求
11．3．3．2 技術管理中的創新障礙
11．3．3．3 開發節奏
11．3．3．4 規格
11．3．3．5 產品設計哲學
11．3．3．6 智能系統
11．3．4 市場創造力
11．3．4．1 選擇目標客戶
11．3．4．2 聚焦
11．3．4．3 支配市場
11．3．5 商業戰略
11．3．5．1 分析工具
11．3．5．2 內部環境分析
11．3．5．3 外部環境分析
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

索引