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

Пьезоэлектрические материалы - это функциональные материалы, которые реализуют преобразование между 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 начали привлекать широко распространенное внимание. С углубленным исследованием появилось большое количество пьезоэлектрических материалов, таких как пьезоэлектрические функциональные керамические материалы, пьезо пленка, пьезоэлектрические композитные материалы и т. Д. Эти материалыПьезой керамический дискИмеют очень широкий спектр применений и играют важную роль в функциональных устройствах преобразования, таких как 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 кристаллов, а именно: α -тип и β -тип. 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 поверхность материала будет генерировать определенный электрический заряд, а именно пьезоэлектрический эффектпьезо керамический диск кристалл.

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 гибкость упругости может быть обработана в определенную форму, может быть любой измерительной поверхностью полностью установлен с высокой механической прочностью и ударом в удар;

(2) Выходное выходное выход, в тех же условиях напряжения выходное напряжение в 10 раз выше пьезоэлектрической керамики;

(3) высокая диэлектрическая прочность может противостоять влиянию 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.

Следовательно, напряжение и деформация могут быть измерены при механике, акселерометры и модальные датчики вибрации могут быть изготовлены в вибрации, модальных датчиках акустического излучения и ультразвуковых преобразователях можно сделать акустически и использовать в активном контроле, и могут использоваться в исследованиях робота, используемых в качестве тактильного датчик, также имеет применение в области медицинского и измерения веса транспортного средства,

В настоящее время исследование тонкопленочных материалов развивается в различных направлениях, высокой производительности, новых процессах и т. Д., И их основные исследования также глубоко в молекулярном уровне, уровне атомного уровня, уровня нано, мезоскопической структуры и т. Д. Исследование функциональных тонкопленочных материалов имеет большое значение.

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, существуют также большие остаточные внутренние напряжения, часто встречающиеся в тонких пленках, и причины измерения, которые также приводят к тому, что диэлектрическое постоянное значение тонкой пленки отличается 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. Кроме того, диэлектрическая постоянная пьезоэлектрической пленки также значительно изменится с изменением температуры и частоты.

2. Удельное сопротивление объема

С точки зрения уменьшения диэлектрической потерь и частоты релаксации пьезоэлектрической пленки, ожидается, что она имеет высокое удельное сопротивление, по крайней мере, ρ Vy≥108 Ом • см. Удельное сопротивление пленки Aln составляет 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ом · см, что намного выше 108 Ом · см, поэтому в этом отношении ALN является очень превосходной пленкой. 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. Электрическая 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 Tanδ 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 разрушения является параметром прочности и различными дефектамиПьезоэлектрическое полушарие датчиканеизбежны в фильме, прочность на поля пьезоэлектрической пленки довольно диспергирующая; Теория расщеплений диэлектриков, для полной и неповрежденной пленки, 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. В дополнение к собственной причине пленки, на прочность пленки поля разрушения также влияет край 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 ее 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 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 очень хороший пьезо -кристалл, поэтому физическая константа пленки немного отличается от кристаллического значения.

Поскольку структура пьезоэлектрической пленки тесно связана с процессом приготовления, даже для той же пьезоэлектрической пленки, значения производительности, сообщаемые в различных литературах, часто противоречивы. Среди всех неорганических необразных пьезоэлектрических пленок пленка Aln имеет большую эластичную постоянную, но низкая плотность и самая высокая скорость звука. Поэтому фильм наиболее подходит для UHF и микроволновых устройств.

6. Эффективность поверхностной акустической волны

Когда поверхностная акустическая волна распространяется в пьезоэлектрической среде, его амплитуда 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.

Производительность поверхностной акустической волны тонкопленочных материалов может быть выражена в виде следующей функциональной формулы: производительность акустической волны поверхности = F (сырье, субстрат, пленочная структура, режим волны, направление распространения, междигитированная форма электрода, продукт толщинного волны) продукт) продукт номера толщины) продукт) продукт).

Следовательно, любой параметр производительности поверхностной акустической волны пьезоэлектрической пленки не может быть представлен 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.