Piëso-elektriese materiale is funksionele materiale wat die omskakeling tussen meganiese energie en elektriese energie realiseer(1)

Piëso-elektriese materiale is funksionele materiale wat die omskakeling tussen meganiese energie en elektriese energie realiseer. Die ontwikkeling daarvan het 'n lang geskiedenis. Sedert die ontdekking van die piëso-elektriese effek op kwartskristalle deur die CURIE-broers in die 1880's, het piëso-elektriese materiale wydverspreide aandag begin trek. Met die verdieping van navorsing het 'n groot aantal piëzo-elektriese materiale voortdurend na vore gekom, soos piëzo-elektriese funksionele keramiekmateriale, piëzo-film, piëzo-elektriese saamgestelde materiale, ens. Hierdie materiale piëzo-keramiekskyf het 'n baie wye reeks gebruike, en speel 'n belangrike rol in funksionele omskakelingstoestelle soos elektrisiteit, magnetisme, klank, lig, hitte, humiditeit, gas en krag.

PVDF piëzo-elektriese film

PVDF piëso-elektriese film is polivinielideenfluoried piëso-elektriese film. In 1969 het die Japannese die polimeermateriaal polivinielideenfluoried (polivinielideenfluoriedpolimeer) na verwys as PVDF ontdek, wat 'n baie sterk piëso-elektriese effek het. Die PVDF-film het hoofsaaklik twee kristaltipes, naamlik α-tipe en β-tipe. Die α-tipe kristal het nie piëso-elektrisiteit nie, maar nadat die PVDF-film gerol en gestrek is, word die oorspronklike α-tipe kristal in die film 'n β-tipe kristalstruktuur. Wanneer die gestrekte en gepolariseerde PVDF-film aan eksterne krag of vervorming in 'n sekere rigting onderwerp word, sal die gepolariseerde oppervlak van die materiaal 'n sekere elektriese lading genereer, naamlik die piëzo-elektriese effek piëzo keramiek skyf kristal.

In vergelyking met piëzo-elektriese keramiek en piëzo-elektriese kristalle, het piëzo-elektriese films die volgende voordele:

(1) Ligte gewig, sy digtheid is slegs 'n kwart van die algemeen gebruikte piëzo-elektriese keramiek PZT, geplak op die meet voorwerp het byna geen effek op die oorspronklike struktuur, hoë elastiese buigsaamheid, kan verwerk word in 'n spesifieke vorm kan enige meet oppervlak is heeltemal toegerus, met 'n hoë meganiese sterkte en impak weerstand;

(2) Hoëspanningsuitset, onder dieselfde spanningstoestande, is die uitsetspanning 10 keer hoër as piëso-elektriese keramiek;

(3) Hoë diëlektriese sterkte kan die effek van 'n sterk elektriese veld (75V/um) weerstaan, op hierdie tydstip is die meeste piëzo-elektriese keramiek gedepolariseer;

(4) Die akoestiese impedansie is laag, slegs een tiende van die piëzo-elektriese keramiek PZT, naby water, menslike weefsel en viskose liggaam;

(5) Die frekwensierespons is wyd, en die elektromeganiese effek kan van 10-3Hz na 109 omgeskakel word, en die vibrasiemodus is eenvoudig.

Daarom kan spanning en spanning in meganika gemeet word, versnellingsmeters en modale vibrasiesensors kan in vibrasie gemaak word, akoestiese bestraling modale sensors en ultrasoniese transducers kan akoesties gemaak word en in aktiewe beheer gebruik word, en kan gebruik word in robotnavorsing. Gebruik as 'n tasbare sensor, het ook toepassings in mediese en voertuiggewigmeting,

Op die oomblik ontwikkel die navorsing oor dunfilmmateriale in verskillende rigtings, hoë werkverrigting, nuwe prosesse, ens., en die basiese navorsing daarvan is ook diep in die molekulêre vlak, atoomvlak, nanovlak, mesoskopiese struktuur, ens., so die navorsing van funksionele dunfilmmateriale is van groot belang.

Piëzo film eienskappe

1. Diëlektriese konstante

Alhoewel die piëso-elektriese film 'n enkelkristalfilm of 'n polikristallyne film met voorkeuroriëntasie is, is die atoompakking daarin nie so styf en georden soos in 'n kristal nie, dus is die diëlektriese konstante waarde van die piëso-elektriese film anders as die waarde van die kristal. Hierbenewens is daar ook groot oorblywende interne spannings wat dikwels in dun films aangetref word en redes vir meting, wat ook veroorsaak dat die diëlektriese konstante waarde van die dun film verskil van die ooreenstemmende waarde van die kristal.

Bestaande studies het getoon dat die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese film nie net verband hou met die kristaloriëntasie nie, maar ook afhang van die toetstoestande. Die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese film het aansienlike verspreiding. Benewens die verskil in interne spanning en toetstoestande, word algemeen geglo dat die verskil tussen die chemiese samestellingverhouding en die filmdikte van die filmsamestelling afneem met die dikte van die film. Daarbenewens sal die diëlektriese konstante van die piëso-elektriese film ook aansienlik verander met die verandering van temperatuur en frekwensie.

2. Volume weerstand

Vanuit die perspektief van die vermindering van die diëlektriese verlies en ontspanningsfrekwensie van die piëso-elektriese film, word verwag dat dit 'n hoë weerstand het, ten minste ρv≥108Ω•cm. Die weerstand van AlN film is 2×1014~1×1015Ω·cm, wat baie hoër is as 108Ω·cm, so in hierdie opsig is AlN 'n baie uitstekende film. Daarbenewens volg die verandering in elektriese geleidingsvermoë van AlN piëso-elektriese films met temperatuur ook die 1nσ∝1/T-wet. Nie een van die kristalle met piëso-elektriese effek het 'n middelpunt van simmetrie nie, dus is hul elektronmobiliteit ook anisotropies en hul elektriese geleidingsvermoë is ook anders. Die elektriese geleidingsvermoë van die AlN piëso-elektriese film langs die C-as rigting verskil van die rigting loodreg op die C-as. Eersgenoemde is ongeveer 1 tot 2 ordes van grootte kleiner.

3. Verlieshoektangens

Die diëlektriese verliestangens van die AlN piëso-elektriese film is tanδ=0.003～0.005, en die tanδ van die ZnO film is groter, wat 0.005～0.01 is. Die rede waarom die tanδ van hierdie films so groot is, is dat hierdie films benewens die geleidingsproses ook aansienlike ontspanningsverskynsels het. Soortgelyk aan die diëlektriese dun film, neem die tan δ van die piëso-elektriese dik film geleidelik toe met die toename in temperatuur en frekwensie en die toename in humiditeit. Daarbenewens, soos die filmdikte afneem, is tan δ geneig om toe te neem. Dit is duidelik dat die toename in tanδ met temperatuur te wyte is aan die toename in geleiding en die toename in relaxors. Dit neem toe met frekwensie omdat die aantal ontspanningstye in tyd toeneem.

4. Afbreeksterkte

Omdat die diëlektriese afbreekveldsterkte 'n sterkteparameter is, en verskeie defekte van piëzo-elektriese hemisfeer-omskakelaars is onvermydelik in die film, die afbreekveldsterkte van die piëso-elektriese film is redelik verspreid; die afbreekteorie van diëlektrika, vir 'n volledige en ongeskonde film , Die afbreekveldsterkte moet geleidelik toeneem soos die filmdikte afneem. Maar in werklikheid, omdat die film baie defekte bevat, is die effek van die defek meer betekenisvol aangesien die dikte kleiner is, so wanneer die dikte tot 'n sekere waarde verminder word, word die afbreekveldsterkte van die film skerp kleiner. Benewens die film se eie oorsaak, word die afbreekveldsterkte van die film ook beïnvloed deur die rand van die elektrode tydens die toets. Aangesien hoe dikker die film is, hoe meer ongelyk is die elektriese veld aan die rand van die elektrode, so namate die filmdikte toeneem, neem die afbreekveldsterkte daarvan geleidelik af.

Benewens die bogenoemde faktore, hang die afbreekveldsterkte van die diëlektriese film ook af van die filmstruktuur. Vir die piëso-elektriese film hang sy afbreekveldsterkte ook af van die rigting van die elektriese veld, dit wil sê, dit is ook anisotropies in die afbreekveldsterkte. As gevolg van die bestaan ​​van korrelgrense in die polikristallyne film is die afbreekveldsterkte daarvan laer as dié van die amorfe film; om soortgelyke redes is die afbreekveldsterkte van die voorkeurgeoriënteerde piëso-elektriese film in die oriëntasierigting hoër as dié in die loodregte rigting. Die afbreekveldsterkte is laer.

Soos ander diëlektriese films, hang die afbreekveldsterkte van die piëso-elektriese film ook af van sommige eksterne faktore, soos spanningsgolfvorm, frekwensie, temperatuur en elektrodes. Omdat die afbreekveldsterkte van die piëzo-elektriese film met baie faktore verband hou, is die afbreekveldsterktewaardes wat in die relevante literatuur gerapporteer word, vir dieselfde film dikwels inkonsekwent, en verskil selfs baie. Byvoorbeeld, die afbreekveldsterkte van die ZnO-film is 0.01 ~0.4MV/cm, AlN-film is 0.5~6.0MV/cm.

5. Grootmaat akoestiese golf prestasie

Die belangrikste kenmerkende parameters van grootmaat akoestiese golf piëso-elektriese omvormers is resonansie frekwensie f0, akoestiese impedansie Za en elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K, dus is die klanksnelheid υ en temperatuurkoëffisiënt van piëso-elektriese film, akoestiese impedansie en elektromeganiese koppelingskoëffisiënt besonder streng. Hierdie eienskappe van die film hang nie net af van die elastisiteit, diëlektriese, piëso-elektriese en termiese eienskappe van die kristalkorrels in die film nie, maar is ook nou verwant aan die struktuur van die piëso-elektriese film soos die mate van kompaktheid van die korrels en die mate van voorkeuroriëntasie. In die piëzo-elektriese film, as gevolg van die defekte en spanning van die kristalkorrel, is dit nie 'n goeie enkele piëzo-kristal nie, so die fisiese konstante van die film verskil effens van die kristalwaarde.

Omdat die struktuur van die piëso-elektriese film nou verwant is aan die voorbereidingsproses, selfs vir dieselfde piëso-elektriese film, is die prestasiewaardes wat in verskeie literatuur gerapporteer word, dikwels inkonsekwent. Onder alle anorganiese nie-ysterhoudende piëso-elektriese films het die AlN film 'n groot elastiese konstante, maar 'n lae digtheid en die hoogste klanksnelheid. Daarom is die film die beste geskik vir UHF- en mikrogolftoestelle.

6. Oppervlak akoestiese golf prestasie

Wanneer die akoestiese oppervlakgolf in die piëso-elektriese medium voortplant, verswak die amplitude van partikelverplasing vinnig namate die afstand vanaf die oppervlak van die medium toeneem, dus word die oppervlak akoestiese golfenergie hoofsaaklik in die volgende twee golflengtes op die oppervlak gekonsentreer.

Die oppervlak akoestiese golf prestasie van dun film materiaal kan uitgedruk word as die volgende funksionele formule: oppervlak akoestiese golf prestasie = F (rou materiaal, substraat, film struktuur, golf modus, voortplantingsrigting, interdigitale elektrode vorm, dikte golf getal produk)

Daarom kan enige oppervlak akoestiese golf prestasie parameter van die piëso-elektriese film nie verteenwoordig word deur 'n enkele waarde. Nog 'n akoestiese golf-eienskap van piëso-elektriese films is transmissieverlies. Omdat piëso-elektriese films dikwels as akoestiese transmissiemedia in oppervlakgolftoestelle gebruik word, is die bron van transmissieverlies hoofsaaklik die verstrooiing van akoestiese golwe in die piëso-elektriese film en die substraat.