П'езаэлектрычныя матэрыялы - гэта функцыянальныя матэрыялы, якія ажыццяўляюць пераўтварэнне механічнай энергіі ў электрычную (1)

П'езаэлектрычныя матэрыялы - гэта функцыянальныя матэрыялы, якія рэалізуюць пераўтварэнне механічнай энергіі ў электрычную. Яго развіццё мае доўгую гісторыю. З моманту адкрыцця п'езаэлектрычнага эфекту на крышталях кварца братамі КЮРЫ ў 1880-х гадах п'езаэлектрычныя матэрыялы сталі прыцягваць да сябе шырокую ўвагу. З паглыбленнем даследаванняў стала з'яўляцца вялікая колькасць п'езаэлектрычных матэрыялаў, такіх як п'езаэлектрычныя функцыянальныя керамічныя матэрыялы, п'езапленка, п'езаэлектрычныя кампазітныя матэрыялы і г. д. Гэтыя матэрыялы п'езакерамічны дыск мае вельмі шырокі спектр прымянення і гуляе важную ролю ў функцыянальных прыладах пераўтварэння, такіх як электрычнасць, магнетызм, гук, святло, цяпло, вільготнасць, газ і сіла.

П'езаэлектрычная плёнка PVDF

П'езаэлектрычная плёнка PVDF - гэта п'езаэлектрычная плёнка з полівінілідэнфтарыду. У 1969 годзе японцы адкрылі палімерны матэрыял полівінілідэнфтарыд (полівінілідэнфтарыд палімер), які называецца PVDF, які валодае вельмі моцным п'езаэлектрычным эфектам. Плёнка PVDF у асноўным мае два тыпы крышталяў, а менавіта тып α і тып β. Крышталь тыпу α не мае п'езаэлектрычнасці, але пасля згортвання і расцягвання плёнкі PVDF зыходны крышталь тыпу α ў плёнцы становіцца крышталічнай структурай тыпу β. Калі расцягнутая і палярызаваная плёнка PVDF падвяргаецца знешняй сіле або дэфармацыі ў пэўным кірунку, палярызаваная паверхня матэрыялу будзе генераваць пэўны электрычны зарад, а менавіта п'езаэлектрычны эфект пьезокерамический крышталь дыска.

У параўнанні з п'езаэлектрычнай керамікай і п'езаэлектрычнымі крышталямі п'езаэлектрычныя плёнкі маюць наступныя перавагі:

(1) Лёгкі вага, яго шчыльнасць складае толькі чвэрць звычайна выкарыстоўванай п'езаэлектрычнай керамікі PZT, налепленая на аб'ект вымярэння, практычна не ўплывае на зыходную структуру, высокая эластычная гнуткасць, можа быць апрацавана ў пэўную форму, любая вымяральная паверхня можа быць цалкам падагнана, з высокай механічнай трываласцю і ўдаратрываласцю;

(2) Выхад высокага напружання, пры аднолькавых умовах напружання выхадное напружанне ў 10 разоў вышэй, чым у п'езаэлектрычнай керамікі;

(3) Высокая электрычная трываласць можа супрацьстаяць уздзеянню моцнага электрычнага поля (75 В/мкм), у гэты час большасць п'езаэлектрычнай керамікі дэпалярызавана;

(4) Акустычны імпеданс нізкі, толькі адна дзесятая п'езаэлектрычнай керамікі PZT, блізкі да вады, чалавечай тканіны і вязкага цела;

(5) Частотная характарыстыка шырокая, электрамеханічны эфект можа быць пераўтвораны з 10-3 Гц у 109, а рэжым вібрацыі просты.

Такім чынам, напружанне і дэфармацыю можна вымераць у механіцы, акселерометры і мадальныя датчыкі вібрацыі можна вырабіць у вібрацыі, мадальныя датчыкі акустычнага выпраменьвання і ультрагукавыя пераўтваральнікі могуць быць зроблены акустычна і выкарыстоўвацца ў актыўным кіраванні, а таксама могуць выкарыстоўвацца ў даследаваннях робатаў. Выкарыстоўваецца ў якасці тактыльнага датчыка, таксама мае прымяненне ў медыцыне і вымярэнні вагі транспартных сродкаў,

У цяперашні час даследаванні тонкаплёнкавых матэрыялаў развіваюцца ў розных напрамках, высокая прадукцыйнасць, новыя працэсы і г.д., і іх фундаментальныя даследаванні таксама знаходзяцца глыбока на малекулярным узроўні, атамным узроўні, нанаўзроўні, мезаскапічнай структуры і г.д., таму даследаванне функцыянальных тонкаплёнкавых матэрыялаў мае вялікае значэнне.

Ўласцівасці пьезопленки

1. Дыэлектрычная пранікальнасць

Хоць п'езаэлектрычная плёнка з'яўляецца монакрышталічнай плёнкай або полікрышталічнай плёнкай з пераважнай арыентацыяй, упакоўка атамаў у ёй не такая шчыльная і ўпарадкаваная, як у крышталі, таму значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці п'езаэлектрычнай плёнкі адрозніваецца ад значэння крышталя. У дадатак да гэтага існуюць таксама вялікія рэшткавыя ўнутраныя напружанні, якія часта сустракаюцца ў тонкіх плёнках, і прычыны для вымярэння, якія таксама выклікаюць значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці тонкай плёнкі, якое адрозніваецца ад адпаведнага значэння крышталя.

Існуючыя даследаванні паказалі, што дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай плёнкі не толькі звязана з арыентацыяй крышталя, але і залежыць ад умоў выпрабаванняў. Дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай плёнкі мае значную дысперсію. У дадатак да розніцы ва ўнутраным напружанні і ўмовах выпрабаванняў, лічыцца, што розніца паміж суадносінамі хімічнага складу і таўшчынёй плёнкі кампазіцыі памяншаецца з таўшчынёй плёнкі. Акрамя таго, дыэлектрычная пранікальнасць п'езаэлектрычнай плёнкі таксама істотна зменіцца пры змене тэмпературы і частаты.

2. Аб'ёмнае ўдзельнае супраціўленне

З пункту гледжання зніжэння дыэлектрычных страт і частоты рэлаксацыі п'езаэлектрычнай плёнкі чакаецца, што яна будзе мець высокае ўдзельнае супраціўленне, па меншай меры ρv≥108Ω•см. Удзельнае супраціўленне плёнкі AlN складае 2×1014~1×1015Ω·см, што значна вышэй, чым 108Ω·см, таму ў гэтым плане плёнка AlN з'яўляецца вельмі выдатнай. Акрамя таго, змяненне электраправоднасці п'езаэлектрычных плёнак AlN з тэмпературай таксама адпавядае закону 1nσ∝1/T. Ні адзін з крышталяў з п'езаэлектрычным эфектам не мае цэнтра сіметрыі, таму іх рухомасць электронаў таксама анізатропная і іх электраправоднасць таксама розная. Электраправоднасць п'езаэлектрычнай плёнкі AlN уздоўж напрамку восі C адрозніваецца ад напрамку, перпендыкулярнага восі C. Першы прыкладна на 1-2 парадкі меншы.

3. Тангенс кута страты

Тангенс дыэлектрычных страт п'езаэлектрычнай плёнкі AlN складае tanδ=0,003～0,005, а tanδ плёнкі ZnO большы, які складае 0,005～0,01. Прычына, чаму tanδ гэтых плёнак такая вялікая, заключаецца ў тым, што ў дадатак да працэсу праводнасці гэтыя плёнкі таксама маюць значныя з'явы рэлаксацыі. Падобна дыэлектрычнай тонкай плёнцы, tan δ п'езаэлектрычнай тоўстай плёнкі паступова павялічваецца з павышэннем тэмпературы і частаты, а таксама павелічэннем вільготнасці. Акрамя таго, па меры памяншэння таўшчыні плёнкі tan δ мае тэндэнцыю да павелічэння. Відавочна, што павелічэнне tanδ з тэмпературай звязана з павелічэннем праводнасці і павелічэннем релаксаторов. Ён павялічваецца з частатой, таму што павялічваецца колькасць часоў рэлаксацыі ў часе.

4. Трываласць на разрыў

Паколькі напружанасць поля дыэлектрычнага прабоя з'яўляецца параметрам трываласці, розныя дэфекты п'езаэлектрычны пераўтваральнік паўсферы непазбежны ў плёнцы, напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі даволі дысперсійная; Тэорыя прабоя дыэлектрыкаў, для поўнай і непашкоджанай плёнкі. Напружанасць поля прабоя павінна паступова павялічвацца па меры памяншэння таўшчыні плёнкі. Але на самой справе, паколькі плёнка змяшчае шмат дэфектаў, уплыў дэфекту тым больш значны, чым меншая таўшчыня, таму, калі таўшчыня памяншаецца да пэўнага значэння, напружанасць поля прабоя плёнкі становіцца рэзка меншай. У дадатак да ўласнай прычыны плёнкі, на напружанасць поля прабоя плёнкі таксама ўплывае край электрода падчас выпрабавання. Паколькі чым тоўшчы плёнка, тым больш нераўнамернае электрычнае поле на краі электрода, таму па меры павелічэння таўшчыні плёнкі яе напружанасць поля прабоя паступова памяншаецца.

У дадатак да вышэйзгаданых фактараў, напружанасць поля прабоя дыэлектрычнай плёнкі таксама залежыць ад структуры плёнкі. Для п'езаэлектрычнай плёнкі напружанасць поля прабоя таксама залежыць ад напрамку электрычнага поля, гэта значыць яна таксама анізатропная па напружанасці поля прабоя. З-за існавання межаў зерняў у полікрышталічнай плёнцы яе напружанасць поля прабоя ніжэй, чым у аморфнай плёнкі; па аналагічных прычынах напружанасць поля прабоя пераважна арыентаванай п'езаэлектрычнай плёнкі ў кірунку арыентацыі вышэй, чым у перпендыкулярным кірунку. Напружанасць поля прабоя ніжэй.

Як і ў іншых дыэлектрычных плёнках, напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі таксама залежыць ад некаторых знешніх фактараў, такіх як форма хвалі напружання, частата, тэмпература і электроды. Паколькі напружанасць поля прабоя п'езаэлектрычнай плёнкі звязана са шматлікімі фактарамі, для адной і той жа плёнкі значэнні напружанасці поля прабоя, якія паведамляюцца ў адпаведнай літаратуры, часта супярэчлівыя і нават моцна адрозніваюцца. Напрыклад, напружанасць поля прабоя плёнкі ZnO складае 0,01 ~ 0,4 МВ/см, плёнкі AlN складае 0,5 ~ 6,0 МВ/см.

5. Прадукцыйнасць аб'ёмнай акустычнай хвалі

Найбольш важнымі характэрнымі параметрамі аб'ёмных п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў акустычнай хвалі з'яўляюцца рэзанансная частата f0, акустычны імпеданс Za і электрамеханічны каэфіцыент сувязі K, таму хуткасць гуку υ і тэмпературны каэфіцыент п'езаэлектрычнай плёнкі, акустычны імпеданс і электрамеханічны каэфіцыент сувязі асабліва строгія. Гэтыя ўласцівасці плёнкі не толькі залежаць ад пругкасці, дыэлектрычных, п'езаэлектрычных і цеплавых уласцівасцей крышталічных зерняў у плёнцы, але таксама цесна звязаны са структурай п'езаэлектрычнай плёнкі, напрыклад, ступенню кампактнасці зерняў і ступенню пераважнай арыентацыі. П'езаэлектрычная плёнка з-за дэфектаў і дэфармацыі крышталічнага зерня не з'яўляецца добрым асобным п'езакрышталем, таму фізічная канстанта плёнкі нязначна адрозніваецца ад значэння крышталя.

Паколькі структура п'езаэлектрычнай плёнкі цесна звязана з працэсам падрыхтоўкі, нават для адной і той жа п'езаэлектрычнай плёнкі значэнні прадукцыйнасці, якія паведамляюцца ў розных літаратурах, часта супярэчлівыя. Сярод усіх неарганічных п'езаэлектрычных плёнак з каляровых металаў плёнка AlN мае вялікую канстанту пругкасці, але нізкую шчыльнасць і самую высокую хуткасць гуку. Такім чынам, плёнка больш за ўсё падыходзіць для УВЧ і ЗВЧ-прыбораў.

6. Прадукцыйнасць паверхневай акустычнай хвалі

Калі павярхоўная гукавая хваля распаўсюджваецца ў п'езаэлектрычным асяроддзі, яе амплітуда зрушэння часціц хутка змяншаецца па меры павелічэння адлегласці ад паверхні асяроддзя, таму энергія павярхоўнай акустычнай хвалі ў асноўным сканцэнтравана на дзвюх наступных даўжынях хваль на паверхні.

Прадукцыйнасць паверхневай акустычнай хвалі тонкаплёнкавых матэрыялаў можна выказаць наступнай функцыянальнай формулай: прадукцыйнасць паверхневай акустычнай хвалі = F (сыравіна, падкладка, структура плёнкі, форма хвалі, кірунак распаўсюджвання, форма межпальцевага электрода, твор хвалевага ліку таўшчыні)

Такім чынам, любы параметр прадукцыйнасці павярхоўнай акустычнай хвалі п'езаэлектрычнай плёнкі не можа быць прадстаўлены адным значэннем. Яшчэ адна ўласцівасць акустычнай хвалі п'езаэлектрычных плёнак - гэта страты перадачы. Паколькі п'езаэлектрычныя плёнкі часта выкарыстоўваюцца ў якасці асяроддзя перадачы гуку ў прыладах з павярхоўнымі хвалямі, крыніцай страт пры перадачы з'яўляецца ў асноўным рассейванне акустычных хваль у п'езаэлектрычнай плёнцы і падкладцы.