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内容简介

　　本书系统介绍了铁电器件与铁电材料的理论背景以及实用性的材料与器件设计、驱动与控制技术及其典型应用。全书共分11章。第1-2章介绍了铁电材料的晶体结构、铁电起源和铁电唯象理论；第3章介绍了铁电陶瓷材料的一般制备工艺与器件设计方法；第4~6章分别介绍了高介电陶瓷电容、铁电储存器和热释电器件。
　　作为本书的重点，第7章介绍了压电陶瓷与压电聚合物材料、新的压电晶体材料以及典型的压电器件，包括压电传感器、换能器和压电致动器等。第8-10章介绍了铁电电光器件、热阻器件和新的多铁性磁电器件。最后一章介绍了铁电器件的应用、市场以及铁电器件的未来发展。
　　本书各章均穿插有例题、常见问题解答和实验演示，各章末均附有该章要点回顾、测验题和习题。
　　本书是在第1版基础上根据最近十余年铁电器件领域的新研究和发展修订而成，全书大部分章节都做了更新，并新增了无铅压电陶瓷、铁电性尺寸效应、电卡器件、微质量传感器、压电能量回收、光阀和扫描仪、多铁器件（包括磁电传感器）等章节，力求在内容取舍方面做到经典与前沿的结合。
　　本书可作为材料、电子、通信、精密机械以及应用物理等专业高年级本科生、研究生的教学参考书，也可供从事压电、铁电器件研究以及相关领域研究的科研工作者参考。

作者简介

　　内野研二（Kenji Uchino）先生是国际著名铁电器件专家，压电致动器的先驱者之一。他是美国宾夕法尼亚州立大学国际致动器换能器中心（ICAT）创始主任以及电子工程系教授，也是宾夕法尼亚州立大学微机电公司的创始人和高级副总裁兼首席技术专家。
　　1976年在日本东京工业大学获得博士学位以后，内野先生在该校物理电子系做研究助理／助理教授。随后他于1985年加入日本上智大学并成为物理学副教授。之后他于1991年到美国宾夕法尼亚州立大学任教。1986-1988年他在日本国家空间开发署（NASDA）的航天飞机利用委员会任职，1992-1994年间任美国NF电子仪器公司副总经理。1987-2014年，他任日本技术开发协会中的智能致动器／传感器委员会的创始主席，该协会隶属于日本原通商产业省。他还曾担任美国海军研究办公室副主任，于2010-2014年在环球东京办公室任IPA。从1997年起，内野先生长期担任在德国不莱梅国际展览中心举办的新致动器国际会议的主席。他同时还是《先进性能材料学报》（Journal of Advanced Performance Materials），《智能材料系统与结构学报》（Journal of Intelligent Materials Systems and Structures）和《日本应用物理学报》（Japanese Journal of Applied Physics）的副主编。1998-2000年，他还担任美国电气与电子工程师协会超声、铁电与频率控制委员会（IEEEUItrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control）的管理委员会成员。2002-2003年，他担任美国陶瓷学会（The American Ceramic Society，ACerS）秘书长。
　　内野先生的研究兴趣主要在固体物理——特别是铁电和压电方向，包括理论、材料和器件制造工艺的基础研究，同时也还包括精准定位的固体致动器／传感器、微机器人、超声马达、智能结构、压电换能器和能量回收器件。他作为以下领域的发现者或创造者被人们所熟知：（1）PMN基电致伸缩材料；（2）共烧多层压电致动器（MLA）；（3）高性能的压电单晶PZNPT；（4）光致伸缩现象；（5）形状记忆陶瓷；（6）磁电复合传感器；（7）压电致动器的瞬态响应控制（脉冲驱动技术）；（8）微型超声马达；（9）多层盘状压电换能器；（10）压电损耗表征方法。以上这些领域也是他正在研究的课题，近年来主要集中在最后三个领域。他已经在陶瓷致动器领域发表了510篇论文，出版了68本书，申请了31项专利。其中有37篇文章／书的引用超过了100次。他的平均H因子达到59，总引用次数20100，平均每年引用次数为437，这些数据在工程学院来说是相当高的。
　　内野先生1997年当选美国陶瓷学会会士（ACerS Fellow），2012年当选美国电气与电子工程师协会会士（IEEEFellow）。截至2016年底，他获得了28个奖项，包括世界陶瓷科学院（World Academy of Ceramics）颁发的国际陶瓷学奖，IEEEUFFC颁发的铁电学成就奖（2013），弗吉尼亚理工学院能量回收材料和系统中心的发明人奖（2011），宾夕法尼亚州立大学工程学校友会研究奖（2011），日本应用电磁学与力学学会杰出学术著作奖（2008），美国国防部高级研究计划局（DARPA）SPIE智能产品贡献奖（2007），R&D;杂志R&D100;奖（2007），美国机械工程师协会（ASME）自适应结构奖（2005），宾州工程学会杰出研究奖（1996），尼桑汽车科学基金学术奖（1990），日本燃油／空气压力控制学会论文奖（1987）等。
　　内野先生在2008年还获得圣弗朗西斯大学（St.Francis University）的工商管理硕士（MBA）学位，并为商学院教学编写了名为《工程师的企业家精神》的教材。1989年，他作为几部有关铁电畴的动态观测和陶瓷致动器的教育影片的导演和制片人，获得了日本科学电影节电影纪念奖。他也是世界大学网络的创始人之一，自2001年起该项目促使了英国和美国的多所大学的联系和交流。
　　
　　董蜀湘，清华大学博士，北京大学教授、博士生导师，美国弗吉尼亚理工大学兼职教授，曾任美国宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚理工大学研究助理、研究科学家，新加坡国立大学访问学者。
　　
　　李美亚，北京大学博士，武汉大学教授、博士生导师，美国阿贡国家实验室博士后研究员，英国谢菲尔德大学、新加坡国立大学访问学者。

内页插图

目录

作者简介
中文版序（姚熹院士）
译者序
前言
预备知识测试（附答案）
课时建议
符号列表

第1章 铁电材料概论
1．1 晶体结构和铁电性
1．2 自发极化的起源
1．3 场致应变的起源
1．4 电光效应
1．5 铁电体示例
1．5．1 钛酸钡
1．5．2 锆钛酸铅（PZT）
1．5．3 聚偏二氟乙烯（PVDF）
1．5．4 无铅压电陶瓷
1．6 铁电材料的应用
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第2章 铁电体的数学处理
2．1 物理性质的张量表示
2．1．1 张量基础
2．1．2 张量表示法
2．1．3 晶体对称性和张量形式
2．1．4 张量的约简（矩阵符号）
2．1．5 电致伸缩系数的矩阵符号
2．2 铁电体的唯象理论
2．2．1 唯象理论基础
2．2．2 朗道相变理论
2．2．3 电致伸缩的唯象理论
2．2．4 逆电致伸缩效应
2．2．5 电致伸缩的温度依赖性
2．3 反铁电性的唯象理论
2．3．1 反铁电体
2．3．2 反铁电体的唯象理论
2．4 铁电畴的贡献
2．4．1 铁电畴的转向
2．4．2 内田一池田（Uchida-Ikeda）模型
2．4．3 晶体结构与矫顽电场
2．4．4 滞后估算程序
2．4．5 电畴工程
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第3章 材料与器件的设计及制备工艺
3．1 材料设计
3．1．1 组分的选择
3．1．2 铁电性的掺杂效应
3．1．2．1 畴壁稳定性
3．1．2．2 结晶缺陷
3．1．3 大功率特性
3．2 陶瓷的制备工艺
3．2．1 陶瓷粉体的制备
3．2．1．1 固相反应法
3．2．1．2 共沉淀法
3．2．1．3 醇盐水解法
3．2．2 烧结工艺
3．2．3 单晶的生长
3．2．3．1 石英、铌酸锂和钽酸锂
3．2．3．2 PZN-PT，PMN-PT和PZT
3．2．4 模板晶粒生长
3．3 器件设计
3．3．1 单圆片
3．3．2 多层结构
3．3．3 压电单晶片／压电双晶片
3．3．4 弯张／柔性铰链杠杆放大机制
3．3．5 柔性复合材料
3．3．6 薄膜／厚膜
3．3．6．1 膜的制备技术
3．3．6．2 微机电系统的应用
3．3．6．3 薄膜／厚膜中的限制
3．4 铁电性尺寸效应
3．4．1 铁电性晶粒尺寸效应
3．4．2 铁电性三维晶粒尺寸效应
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第4章 高介电材料
4．1 陶瓷电容器
4．2 片状电容器
4．2．1 薄多层电容器
4．2．2 贱金属内电极
4．2．2．1 钛酸钡基电容片
4．2．2．2 钛酸铅基电容片
4．3 混合基底
4．4 弛豫铁电体
4．4．1 高介电常数
4．4．2 扩散相变
4．4．3 介电弛豫
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第5章 铁电存储器件
5．1 DRAM
5．1．1 DRAM的原理
5．1．2 铁电DRAM
5．2 非易失性铁电存储
5．2．1 FeRAM（反转电流型）
5．2．2 MFSFET
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第6章 热释电器件
6．1 热释电材料
6．1．1 热释电效应
6．1．2 响应率
6．1．3 品质因数
6．2 温度／红外辐射传感器
6．3 红外图像传感器
6．4 电卡器件
6．4．1 电卡效应
6．4．1．1 唯象方程
6．4．1．2 电卡材料
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第7章 压电器件
7．1 压电材料及其性质
7．1．1 压电的重要参数
7．1．2 压电材料
7．1．2．1 单晶
7．1．2．2 多晶材料
7．1．2．3 弛豫铁电体
7．1．2．4 聚合物
7．1．2．5 复合材料
7．1．2．6 薄膜
7．2 压力传感器／加速计／陀螺仪
7．3 压电振子／超声换能器
7．3．1 压电谐振
7．3．1．1 压电方程
7．3．1．2 机电耦合系数
7．3．1．3 纵向振动模式
7．3．2 压电振子的等效电路
7．3．3 压电振子
7．3．4 超声换能器
7．3．4．1 超声成像
7．3．4．2 声化学
7．3．5 谐振器／滤波器
7．4 表面声波器件
7．5 微质量传感器
7．5．1 生物传感器
7．5．2 黏度传感器
7．6 压电变压器
7．7 压电致动器
7．7．1 陶瓷致动器材料
7．7．2 致动器设计
7．7．3 驱动／控制技术
7．7．4 器件应用
7．7．4．1 伺服位移换能器
7．7．4．2 脉冲驱动马达
7．8 超声马达
7．8．1 超声马达
7．8．2 超声马达的分类和原理
7．8．2．1 驻波型
7．8．2．2 行波型
7．8．3 驻波型马达
7．8．3．1 旋转马达
7．8．3．2 线性马达
7．8．4 行波型马达
7．8．4．1 线性马达
7．8．4．2 旋转马达
7．8．4．3 不同类型超声马达的对比
7．8．5 平滑冲击驱动装置
7．9 压电能量回收
7．9．1 用于能量回收的压电被动阻尼
7．9．2 高功率能量回收（～W）
7．9．3 低功率能量回收（～mW）
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第8章 电光器件
8．1 电光效应回顾
8．2 透明电光陶瓷
8．2．1 （Pb，La）（Zr，T1）
8．2．2 PMN-PT
8．2．3 Pb（2n1／3Nb2/3）03
8．3 块体电光器件
8．3．1 铁电图像存储器
8．3．2 眼保护应用
8．3．3 立体电视应用
8．3．4 二维显示器
8．3．4．1 二维显示器的制造工艺
8．3．4．2 光阀阵列的性质
8．3．4．3 图像投影仪的构造
8．3．5 KTN单晶光学开关
8．3．6 激光束扫描仪
8．4 波导调制器
8．4．1 LiNb03波导
8．4．2 PZT薄膜波导
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第9章 PTC材料
9．1 PTC现象的机制
9．1．1 PTC现象
9．1．2 PTC现象的机制
9．1．2．1 半导体性质
9．1．2．2 肖特基势垒效应
9．1．2．3 实验验证
9．2 PTC热敏电阻
9．3 晶界层电容器
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第10章 复合材料
10．1 连通性
10．2 复合效应
10．2．1 加和效应
10．2．2 结合（除法）效应
10．2．3 乘积效应
10．3 PZT：聚合物复合材料
10．3．1 压电复合材料
10．3．2 PZT：聚合物复合材料的原理
10．3．3 0-3复合材料的理论模型
10．3．4 先进PZT：聚合物复合材料
10．4 复合材料阻尼器和能量回收器
10．4．1 压电复合材料阻尼器
10．4．2 压电复合材料能量回收器
10．5 磁电传感器
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

第11章 铁电器件的未来
11．1 市场份额
11．1．1 铁电器件的市场份额
11．1．2 压电致动器的市场份额
11．2 可靠性问题
11．2．1 材料的改进
11．2．2 器件的可靠性
11．2．3 驱动／控制技术
11．2．4 安全系统
11．3 畅销器件的开发
11．3．1 三种创造力
11．3．2 技术创造力
11．3．2．1 新功能或新材料的发现
11．3．2．2 性能提升
11．3．3 产品规划创造力
11．3．3．1 种子和需求
11．3．3．2 技术管理中的创新障碍
11．3．3．3 开发节奏
11．3．3．4 规格
11．3．3．5 产品设计哲学
11．3．3．6 智能系统
11．3．4 市场创造力
11．3．4．1 选择目标客户
11．3．4．2 聚焦
11．3．4．3 支配市场
11．3．5 商业战略
11．3．5．1 分析工具
11．3．5．2 内部环境分析
11．3．5．3 外部环境分析
本章要点
本章测验题
本章习题
参考文献

索引

前言/序言

　　铁电体是指一类具有自发电极化特性的材料（译者加注）。铁电体可用于各种器件，诸如高介电电容、热释电传感器、压电器件、电光器件和正温度系数（PTC）热阻器件等。一些相关企业正在不断地大批量生产制造陶瓷电容、压电点火器、蜂鸣器和PTC热阻器等简单元器件。但是直到现在，铁电器件在许多其他功能应用方面，仍然还未实现商业化。例如：在光传感方面，半导体材料在光响应速度和灵敏度方面，要优于铁电材料；磁器件和半导体“快闪”储存器已经非常普及；而液晶已被普遍用于光学显示。在一些具有竞争力的材料面前，铁电体常常陷入困境。但是，近来新的铁电器件正在不断涌现和不断实现商业化，因此我对铁电器件的未来发展充满信心。我相信铁电器件早期遇到的困境是由于缺乏对铁电材料系统基础知识的积累，以及缺乏铁电器件开发的经验。
　　在过去35年关于铁电器件的教学经历中，除了一些多作者共同署名的论文集外，我感觉很难找到一本专注于铁电器件领域的教科书。因此，我决定整理我给历届研究生上课的讲稿，并收集了我在铁电器件发展方面的研究成果，撰写了这本综合性教科书。这本书系统介绍了铁电器件与铁电材料的理论背景、实用性的材料与器件设计、驱动与控制技术、典型应用，以及展望铁电器件的未来发展。虽然材料的铁电性很久以前就被发现了，但铁电器件发展相对较晚，而且涉及多学科，因此本书很难在有限的篇幅里介绍所有新的研究进展。本书将在第1版的基础上，引进铁电器件的最新研究成果，介绍铁电学的基本概念，学习和理解怎样设计和开发铁电器件。
　　本书章节构成如下：第1章做铁电性的一般性介绍；第2章进一步阐述其理论背景；第3章介绍铁电器件的实际设计和制造，包括最近开发的压电晶体和薄膜制备过程；第4章详细介绍电容应用；而第5～6章分别介绍薄膜和厚膜应用，即铁电存储和热释电器件，在第6章的最后部分还介绍了电卡（电热）器件；第7章介绍压电致动器、超声马达以及声换能器和压电传感器，也介绍了压电领域的新课题：压力发电器（俘能器）；第8章介绍了铁电光学器件，诸如光阀（光开关）、光显示、波导、体光电器件；第9～10章介绍了PTC材料和复合材料的基本概念，以及它们的器件应用；最后一章讨论了铁电器件的未来发展，包括市场规模、器件中存在的可靠性和寿命问题、作者关于开发最具竞争力器件的策略等。
　　自《铁电器件》第1版出版至今已有10年了。这本书不仅在商业上有幸获得了成功，而且在铁电领域也获得认可而成为行业标准。新版本保留了铁电学中一些基本原理，如麦克斯韦方程、唯象理论、压电关系等，而应用方面则做了更新。
　　第2版反映了铁电领域里的最新研究成果，包括纳米和光技术、环境规则、替代能源等，以及铁电器件的发展趋势。新的版本增加了无铅压电材料、铁电的尺寸效应、电卡器件、微质量传感器、压电能量回收器、光阀和扫描仪和多铁器件，其中包括了磁电传感器。‘
　　即使对于传统的铁电器件，诸如电容、压电扬声器、时钟和变压器等，从着眼于未来考虑，旧的数据也被更新。
　　新的版本更加完整，各章增加了该章要点、例题和习题以及以下几点内容：
　　·常见问题——通常是回答课堂提问。
　　·实验演示——通过课堂实物演示而加深理解。
　　·测验题——检查学生在学习中的理解情况。
　　这些提问、演示和测验题均是根据我多年教学讲义、学生的意见和反馈所积累获得的。这新增加的三点内容将帮助读者正确的理解本书的精髓。另外，根据年轻教师的强烈要求，本书所列出的测验题、习题已在另一本解答手册中给出了参考答案。我通常利用测验题作为课堂测验，例题作为课后作业，而各章习题作为期中和期末考试试题。我希望这样安排可为教师准备课后习题与考试试题提供方便。
　　新版本已全部修正了老版本中所发现的所有数学公式错误、英语错句或错字。
　　本书可供电子材料、光材料、通信、精密机械与机器人等领域的研究生、高年级本科生，以及相关工业界的工程师使用。虽然这本书设计为30个75分钟讲座，读者学习中可以自己再辅以例题与习题。
铁电器件（第2版）/国外名校最新教材精选 [Ferroelectric Devices] 电子书 下载 mobi epub pdf txt

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