Пьезоэлектрические керамические материалы - это функциональные материалы, которые реализуют преобразование между механической энергией и электрической энергией (1)

Пьезоэлектрические материалы - это функциональные материалы, которые реализуют преобразованиемежду механической энергией и электрической энергией. Его развитие имеет долгую историю. С момента открытия пьезоэлектрического эффекта на кристаллы кварцевых братьев Кюри в 1880 -х годах пьезоэлектрические материалы привлекли широкое внимание. С углубленным исследованием большое количество пьезоэлектрических материалов, таких как пьезоэлектрические функциональные керамические материалы, пьезо пленка, пьезоэлектрические композитные материалы и т. Д. Электричество, магнетизм, звук, свет, тепло, влажность, газ и сила.

PVDF Пьезоэлектрическая пленка
ПВДФ пьезоэлектрическая пленка представляет собой пьезоэлектрическую пленку поливинилидена фторида. В 1969 году японцы обнаружили полимер -поливинилиден -фторид поливимеров (поливинилиденно -фтор -полимер), называемый PVDF, который обладает очень сильным пьезоэлектрическим эффектом. Пленка PVDF в основном имеет два типа пьезо -кристаллов, а именно: α -тип и β -тип. Пьезо -кристалл типа α не обладает пьезоэлектричеством, но после того, как пленка PVDF свертывается и растягивается, оригинальный кристалл типа α в пленке становится кристаллической структурой типа β. Когда растянутая и поляризованная пленка PVDF подвергается внешней силе или деформации в определенном направлении, поляризованная поверхностьУльтразвуковой уровень датчика будет генерировать определенный электрический заряд, то есть пьезоэлектрический эффект.

По сравнению с пьезоэлектрической керамикой и пьезоэлектрическими кристаллами пьезоэлектрические пленки имеют следующие преимущества:

(1) Легкий вес, его плотность составляет всего четверть обычно используемой пьезоэлектрической керамической PZT, вставленная на измерительный объект, почти не влияет на исходную структуру, высокая упругая гибкость, может быть обработана в определенную форму, измерительная поверхность полностью является полностью установлен с высокой механической прочностью и воздействием сопротивления;
(2) Выходное выходное выход, в тех же условиях напряжения выходное напряжение в 10 раз выше пьезоэлектрической керамики;
(3) высокая диэлектрическая прочность, которая может противостоять эффекту сильного электрического поля (75 В / мкм), в это время большинство пьезоэлектрических керамиков были деполяризованы;
(4) акустический импеданс низкий, только одна десятая часть пьезоэлектрического керамического PZT, недалеко от воды, ткани человека и вязкого тела;
(5) Частотная характеристика широкая, и электромеханический эффект может быть преобразован с 10-3 Гц в 109, а режим вибрации прост.

Piezo Film Properties
1. Диэлектрическая постоянная
Хотя пьезоэлектрическая пленка представляет собой одно кристаллическую пленку или поликристаллическую пленку с предпочтительной ориентацией, атомная упаковка в ней не такая плотная и упорядоченная, как в кристалле, поэтому диэлектрическая постоянная значение пьезоэлектрической пленки отличается от значения кристалла. Анкет В дополнение к этому часто существуют большие остаточные внутренние напряжения в пленке и причины измерения, которые также вызывают диэлектрическое постоянное значение пленки отличаться от соответствующего значения кристалла.
Существующие исследования показали, что диэлектрическая постоянная пьезоэлектрической пленки не только связана с ориентацией кристаллов, но и зависит от условий испытаний. Диэлектрическая постоянная пьезоэлектрической пленки имеет значительную дисперсию. В дополнение к разнице во внутренних напряжениях и условиях испытаний разница между соотношением химического состава и толщиной пленки состава пленки, как правило, уменьшается с толщиной пленки. Тонкий и маленький. Кроме того, диэлектрическая постоянная пьезоэлектрической тонкой пленки также значительно изменится с температурой и частотой.

2. Удельное сопротивление объема
С точки зрения уменьшения диэлектрической потерь и частоты релаксации пьезоэлектрической пленки, ожидается, что она имеет очень высокое удельное сопротивление, по крайней мере, ρ V≥108 Ом • см. Сопротивление пленки Aln составляет 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ом · см, что намного выше 108 Ом · см, поэтому в этом отношении ALN - очень превосходная пленка. Кроме того, изменение электрической проводимости пьезоэлектрических пленок Aln с температурой также следует закону 1Nσ∝1 / T. Ни один из кристаллов с пьезоэлектрическим эффектом не имеет центра симметрии, поэтому их подвижность электронов также является анизотропной, а их электрическая проводимость также отличается. Проводимость пьезоэлектрической пленки Aln вдоль направления оси C отличается от направления, перпендикулярного оси C. Первый составляет примерно на 1-2 порядка меньше.

3. ТАНГЕНТ
Диэлектрическая потери, касающаяся пьезоэлектрической пленки Aln, составляет tanΔ = 0,003 ～ 0,005, а TanΔ ZnO -пленка больше, что составляет 0,005 ～ 0,01. Причина, по которой Tanδ этих пленок настолько велика, заключается в том, что в дополнение к процессу проводимости эти пленки также имеют значительные явления расслабления. Подобно диэлектрической тонкой пленке, загара пленки пьезоэлектрической толстой толщиной увеличивается с повышением температуры и частоты и увеличением влажности. Кроме того, по мере уменьшения толщины пленки Tan Δ имеет тенденцию увеличиваться. Очевидно, что увеличение TAN Δ с температурой обусловлено увеличением проводимости и увеличением релаксоров. Это увеличивается с частотой, потому что количество времени расслабления во времени увеличивается.

4. Сила разрыва
Поскольку прочность поля диэлектрического расщепления принадлежит параметру прочности, а различные дефекты неизбежны в пленке, прочность поля разрыва пьезоэлектрической пленки имеет значительную дисперсию; Теория диэлектрического разрушения. Прочность поля разрушения должна постепенно увеличиваться по мере уменьшения толщины пленки. Но на самом деле, поскольку пленка содержит много дефектов, эффект дефекта является более значительным, поскольку толщина меньше, поэтому, когда толщина уменьшается до определенного значения, прочность поля пленки становится резко меньше. Прочность на поля пленки, в дополнение к причинам самой пленки, также имеет влияние края электрода во время теста. Поскольку чем толще пленка, тем неравномерность электрического поля на краю электрода, так что по мере увеличения толщины пленки его прочность на расщепление постепенно уменьшается. В дополнение к вышеуказанным факторам, прочность поля разрушения диэлектрической пленки также зависит от структуры пленки. Для пьезоэлектрической пленки прочность поля разрушения также зависит от направления электрического поля, то есть она также является анизотропной в прочтке поля. Из -за наличия границ зерна в поликристаллической пленке, его прочность поля разрыва ниже, чем у аморфной пленки; По аналогичным причинам прочность поля разрушения предпочтительно ориентированной пьезоэлектрической пленки в направлении ориентации зерна выше, чем в перпендикулярном направлении. Прочность поля разрушения ниже.

Как и другие диэлектрические пленки, прочность поля пьезоэлектрической пленки также зависит от некоторых внешних факторов, таких как форма волны напряжения, частота, температура и электроды. Поскольку прочность на поля пьезоэлектрической пленки связана со многими факторами, для той же пленки значения прочности поля разбивки, о которых сообщается в соответствующей литературе, часто противоречивы и даже сильно различаются. Например, прочность поля разбивки пленки ZnO составляет 0,01 ~ 0,4 мВ / см, пленка ALN составляет 0,5 ~ 6,0 мВ / см.

5. Производительность объемной акустической волны
Наиболее важными характерными параметрами пьезоэлектрических преобразователей акустической волны является резонансная частота F0, ZA акустического импеданса и коэффициент электромеханической связи, поэтому особенно являются строговыми коэффициентами скорости звука υ и коэффициентом температуры пьезоэлектрической пленки. Эти свойства пленки не только зависят от эластичности, диэлектрических, пьезоэлектрических и тепловых свойств кристаллических зерен в пленке, но также тесно связаны со структурой пьезоэлектрической пленки, такой как степень компактности зерен и степень предпочтительной ориентации. В пьезоэлектрической пленке, из -за дефектов и напряжения кристаллического зерна, это не идеальный монокристалл, поэтому физическая константа пленки немного отличается от значения кристалла. Поскольку структура пьезоэлектрической пленки тесно связана с процессом приготовления, даже для той же пьезоэлектрической пленки, значения производительности, о которых сообщается в различных литературах, часто противоречивы. Среди всех неорганических необразных пьезоэлектрических пленок пленка Aln имеет большую эластичную постоянную, но низкую плотность и самую высокую скорость звука. Поэтому фильм наиболее подходит для UHF и микроволновых устройств.

6. Эффективность поверхностной акустической волны
Когда поверхностная акустическая волна распространяется вПьезоэлектрический цилиндр датчикАмплитуда смещения частиц быстро ослабляется, когда расстояние от поверхности среды увеличивается, поэтому энергия поверхностной акустической волны в основном концентрируется на следующих двух длин волн на поверхности. Эффективность поверхностной акустической волны материала пленки может быть выражена в виде следующей функциональной формулы: производительность акустической волны поверхностной акустической Параметры производительности звуковой волны не могут быть представлены одним значением. Другим свойством акустической волны пьезоэлектрических пленок является потеря передачи. Поскольку пьезоэлектрические пленки часто используются в качестве акустической трансмиссионной среды в устройствах поверхностных волн, источником потерь передачи является в основном рассеяние акустических волн в пьезоэлектрической пленке и подложке.

Метод подготовки пьезоэлектрической пленки
Методы препарата пьезоэлектрических тонких пленок в основном включают традиционные методы вакуумного покрытия, включая покрытие вакуумного испарения, покрытие распыления и химическое осаждение пара с толщиной 0-18 мкм и новым методом золь-геля, методом гидротермального и методом электрофоретического осаждения и новым методом соль-геля, методом гидротермального и электрофоретическом осаждении и новым методом с золь-гелем, методом гидротермального и электрофоретическом осаждением и новым методом с золь-гелем, методом гидротермального и электрофоретическом осаждением и новым методом золь-геля и методом электрофоретического осаждения. 10 ～ 100 мкм пьезоэлектрический пленочный материал.
Толстая пьезоэлектрическая пленка обычно относится к пьезоэлектрической пленке толщиной от 10 до 100 мкм. По сравнению с тонкой пленкой, его пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические свойства меньше влияют на границу и поверхность; Из -за его относительно большой толщины этот вид материала PZT также может генерировать большую движущую силу и имеет более широкую рабочую частоту; По сравнению с объемным материалом его рабочее напряжение низкое, частота использования высока, и оно совместимо с полупроводниковыми процессами.

1. Паккуумное испарение покрытие
Вакуумное испарение покрытие состоит из испарения вещества путем нагрева и осаждения его на твердой поверхности, которая называется испарительным покрытием. Этот метод был впервые предложен М. Фарадеем в 1857 году, и модернизация стала одной из широко используемых технологий покрытия.
Вакуумное покрытие включает в себя следующие три основных процесса:
(1) Процесс нагрева и испарения, включая процесс препарата изменения от конденсированной фазы на газовую фазу (твердое фаза или жидкая фаза → фаза газовой основы). Каждое испаряющее вещество имеет различное насыщенное давление паров при разных температурах. При выпаривании соединения его компоненты реагируют, и некоторые из них попадают в пространство испарения в газообразном состоянии или паре.
(2) Транспортировка испаренных атомов или молекул между источником испарения и субстратом, а также процесс полета этих примеров в атмосфере окружающей среды. Количество столкновений с остаточными молекулами газа в вакуумной камере во время полета зависит от среднего свободного пути испаренных атомов и расстояния от источника испарения до подложки, часто называемого расстоянием исходной основы.
(3) Процесс осаждения испаренных атомов или молекул на поверхности субстрата и конденсация пара, зарождение, ядерный рост и образование непрерывной пленки. Поскольку температура субстрата намного ниже, чем температура источника испарения, процесс фазового перехода молекул отложения на поверхности субстрата будет происходить непосредственно от газовой фазы к твердой фазе.
Когда вещество испаряется, важно знать насыщенное давление паров, скорость испарения и средний свободный путь испаренных молекул. Есть три типа источников испарения.

2. Паккуумное распылительное покрытие
Пример с кинетической энергией более нескольких сотен электронных вольт или ионо -луча бомбардирует твердое поверхность, так что атомы, близкие к твердой поверхности Анкет Это явление называется распылением. Феномен распыления включает в себя сложный процесс рассеяния и сопровождается различными механизмами переноса энергии. Обычно считается, что этот процесс является в основном так называемым каскадным процессом столкновения, то есть падающим ионами упруго сталкивается с атомами-мишень исходная позиция, а также дальнейшие и близлежащие атомы сталкиваются. Когда этот каскад столкновения достигает поверхности атома цели, так что атомы получают энергию выше энергии связывания поверхности, эти атомы покинут поверхность атома цели и попадают в вакуум. Теперь больше исследований по покрытию распыления - это магнетроновое покрытие. Магнетроновое распыление состоит в том, чтобы выполнить высокоскоростное распыление под низким давлением, и необходимо эффективно увеличить скорость ионизации газа. Вводя магнитное поле на поверхности целевого катода, магнитное поле используется для ограничения заряженных частиц для увеличения плотности плазмы для увеличения скорости расщепления. Используйте внешнее магнитное поле для захвата электронов, расширения и ограничения пути движения электронов, увеличения скорости ионизации и увеличить скорость покрытия.

3. Покрытие осаждения химического пара
Химическое осаждение паров - это метод роста химического паров, называемый технологией сердечно -сосудистых заболеваний (химическое осаждение пара). В этом методе элементарный газ, содержащий одно или несколько соединений, составляющих тонкопленочный элемент, поставляется в подложку, а необходимая тонкая пленка образуется газовой фазой или химической реакцией на поверхности подложки с использованием источников энергии, как нагрев, Плазма, ультрафиолетовый свет или даже лазерный свет. Поскольку метод CVD использует различные газовые реакции, чтобы подготовить тонкую пленку, композиция тонкой пленки может быть произвольно контролировать, чтобы можно было создать много новых пленок. Когда метод CVD используется для приготовления тонкой пленки, его температура роста значительно ниже, чем температура плавления тонкой пленки материала, полученный слой пленки имеет хорошую однородность, имеет пошаговый охват и подходит для субстратов со сложными формами. Из-за его преимуществ, таких как высокая скорость осаждения, малоосетен, высокая чистота, компактность и несколько дефектов с образованием кристаллов, диапазон применения химического отложения паров очень широкий. Метод CVD может использоваться для приготовления пьеса -пленочных материалов с плотной, гладкой поверхностью, толщиной 0 ～ 18 мкм и превосходной производительности. Следовательно, при приготовлении пленок пьезоэлектрических толстых пленок метод сердечно -сосудистых заболеваний быстро развивался и был принят многими исследователями.

4. Метод нового решения геля
Новый метод Sol-Gel заключается в добавлении приготовленного порошка (такого же композиции, что и Sol) в SOL, затем добавить определенный органический растворитель в раствор в качестве диспергатора, добавьте другие органические растворители для регулировки вязкости и pH раствора, и, наконец, не постоянно ультразвуковой вибрации диспергируют нано-яйки в растворе и, наконец, получает равномерный порошок раствора. Требуемая пленка депонируется на подложке методом Sol-Gel. В этом процессе осаждения частицы порошка действуют как кристаллы семян.
Таким образом, может быть произведена толстая пленка с толщиной десятков микрон. Это избегает проблемы растрескивания или даже пленки, вызванной толстой пленкой, приготовленной традиционным методом Sol-Gel. Приготовленные толстые пленки компоненты равномерно смешаны и с высокой чистотой и не требуют высокотемпературного спекания, а результирующая толстая пленка совместима с процессом полупроводникового приготовления. И оборудование простое, стоимость низкая, а мембранная состав можно контролировать, поэтому этот метод в настоящее время используется чаще.

5. Гидротермальный метод
Гидротермальный метод относится к использованию водного раствора в качестве реакционной среды в специально изготовленном замкнутом реакционном сосуде (Autoclave). При нагревании реакционного сосуда создается высокотемпературная реакционная среда высокого давления, так что обычно нерастворимые или нерастворимые вещества растворяются и перекристаллизуются. Толстая пленка, приготовленная этим методом, состоит в том, чтобы стехиометрически смешивать некоторые соединения в толстой пленке, которые будут подготовлены в насыщенный раствор в определенной щелочной среде, и отрегулируйте значение pH. После этого раствор переносится в автоклав, и определенная толщина может выращивать на подложке после определенного времени реакции.