Piezoelektrické keramické materiály jsou funkční materiály, které realizují přeměnu mezi mechanickou energií a elektrickou energií (1)

Piezoelektrické materiály jsou funkční materiály, které realizují přeměnu mezi mechanickou energií a elektrickou energií. Jeho vývoj má dlouhou historii. Od objevu piezoelektrického jevu na křemenných krystalech bratry CURIE v 80. letech 19. století přitahovaly piezoelektrické materiály širokou pozornost. S prohlubujícím se výzkumem se objevuje velké množství piezoelektrických materiálů, jako jsou piezoelektrické funkční keramické materiály, Piezo fólie, piezoelektrické kompozitní materiály atd. Tyto materiály mají velmi široké využití, a hrají důležitou roli v zařízeních pro funkční přeměnu, jako je elektřina, magnetismus, zvuk, světlo, teplo, vlhkost, plyn a síla.

PVDF piezoelektrický film
PVDF piezoelektrický film je polyvinylidenfluoridový piezoelektrický film. V roce 1969 Japonci objevili polymerní materiál polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridový polymer) označovaný jako PVDF, který má velmi silný piezoelektrický efekt. PVDF fólie má hlavně dva typy piezokrystalů, a to typ α a typ β. Piezokrystal typu α nemá piezoelektřinu, ale poté, co je PVDF fólie srolována a natažena, původní krystal typu α ve filmu se stane krystalovou strukturou typu β. Když je natažená a polarizovaná PVDF fólie vystavena vnější síle nebo deformaci v určitém směru, bude polarizovaný povrch ultrazvukový snímač hladiny generovat určitý elektrický náboj, tj. piezoelektrický efekt.

Ve srovnání s piezoelektrickou keramikou a piezoelektrickými krystaly mají piezoelektrické filmy následující výhody:

(1) Nízká hmotnost, její hustota je pouze čtvrtinová oproti běžně používané piezoelektrické keramikě PZT, nalepená na měřeném předmětu nemá téměř žádný vliv na původní strukturu, vysoká elastická pružnost, lze zpracovat do konkrétního tvaru Měřicí plocha je kompletně osazena, s vysokou mechanickou pevností a odolností proti nárazu;
(2) Vysokonapěťový výstup, za stejných zátěžových podmínek je výstupní napětí 10krát vyšší než u piezoelektrické keramiky;
(3) Vysoká dielektrická pevnost, která odolá účinkům silného elektrického pole (75 V / um), v současné době byla většina piezoelektrické keramiky depolarizována;
(4) Akustická impedance je nízká, pouze jedna desetina piezoelektrické keramiky PZT, blízko vodě, lidské tkáni a viskóznímu tělu;
(5) Frekvenční odezva je široká a elektromechanický efekt lze převést z 10-3Hz na 109 a režim vibrací je jednoduchý.

Vlastnosti piezofilmu
1. Dielektrická konstanta
Ačkoli je piezoelektrický film monokrystalický film nebo polykrystalický film s preferovanou orientací, atomové balení v něm není tak husté a uspořádané jako v krystalu, takže hodnota dielektrické konstanty piezoelektrického filmu se liší od hodnoty krystalu. Kromě toho jsou ve filmu často velká zbytková vnitřní pnutí a důvody pro měření, které také způsobují, že hodnota dielektrické konstanty filmu je odlišná od odpovídající hodnoty krystalu.
Stávající studie ukázaly, že dielektrická konstanta piezoelektrického filmu nesouvisí pouze s orientací krystalu, ale závisí také na testovacích podmínkách. Dielektrická konstanta piezoelektrického filmu má značný rozptyl. Kromě rozdílu ve vnitřním pnutí a testovacích podmínkách se obecně předpokládá, že se rozdíl mezi poměrem chemického složení a tloušťkou filmu složení filmu snižuje s tloušťkou filmu. Tenké a malé. Kromě toho se dielektrická konstanta piezoelektrického tenkého filmu bude také výrazně měnit s teplotou a frekvencí.

2. Objemový měrný odpor
Z hlediska snížení dielektrických ztrát a relaxační frekvence piezoelektrického filmu se očekává, že má velmi vysoký měrný odpor, alespoň ρv≥108Ω • cm. Odpor AlN fólie je 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, což je mnohem více než 108Ω · cm, takže v tomto ohledu je AlN velmi vynikající fólie. Kromě toho změna elektrické vodivosti piezoelektrických filmů AlN s teplotou také sleduje zákon 1nσ∝1 / T. Žádný z krystalů s piezoelektrickým jevem nemá střed symetrie, takže jejich pohyblivost elektronů je také anizotropní a odlišná je i jejich elektrická vodivost. Vodivost piezoelektrického filmu AlN ve směru osy C je odlišná od směru kolmého k ose C. První jmenovaný je asi o 1 až 2 řády menší.

3. Tangenta ztrátového úhlu
Tangenta dielektrické ztráty piezoelektrického filmu AlN je tanδ = 0,003 ～ 0,005 a tanδ filmu ZnO je větší, což je 0,005 ～ 0,01. Důvod, proč je tanδ těchto filmů tak velký, je ten, že kromě procesu vodivosti mají tyto filmy také významné relaxační jevy. Podobně jako u dielektrického tenkého filmu se tan δ u piezoelektrického tlustého filmu postupně zvyšuje se zvyšováním teploty a frekvence a zvyšováním vlhkosti. Navíc, jak se tloušťka filmu snižuje, má tan 5 tendenci se zvyšovat. Je zřejmé, že zvýšení tan δ s teplotou je způsobeno zvýšením vodivosti a zvýšením relaxorů. Zvyšuje se s frekvencí, protože se zvyšuje počet relaxačních časů v čase.

4. Síla průrazu
Protože intenzita průrazného pole dielektrika patří k parametru pevnosti a ve filmu jsou nevyhnutelné různé defekty, má intenzita průrazného pole piezoelektrického filmu značný rozptyl; teorie dielektrického průrazu. Síla průrazného pole by se měla postupně zvyšovat se snižující se tloušťkou filmu. Ale ve skutečnosti, protože film obsahuje mnoho defektů, účinek defektu je významnější, protože tloušťka je menší, takže když se tloušťka sníží na určitou hodnotu, intenzita průrazného pole filmu se prudce zmenší. Síla průrazného pole filmu, kromě důvodů filmu samotného, ​​má také vliv na okraj elektrody během testu. Protože čím je vrstva tlustší, tím je elektrické pole na okraji elektrody nerovnoměrnější, takže s rostoucí tloušťkou filmu se intenzita jeho průrazného pole postupně snižuje. Kromě výše uvedených faktorů závisí intenzita průrazného pole dielektrického filmu také na struktuře filmu. U piezoelektrického filmu závisí intenzita průrazného pole také na směru elektrického pole, to znamená, že je také anizotropní v průrazném poli. Vzhledem k existenci hranic zrn v polykrystalickém filmu je jeho intenzita pole nižší než u amorfního filmu; z podobných důvodů je intenzita průrazného pole přednostně orientovaného piezoelektrického filmu ve směru orientace zrn vyšší než v kolmém směru. Síla průrazného pole je nižší.

Stejně jako u jiných dielektrických filmů závisí intenzita průrazného pole piezoelektrického filmu také na některých vnějších faktorech, jako je tvar vlny napětí, frekvence, teplota a elektrody. Protože intenzita průrazného pole piezoelektrického filmu souvisí s mnoha faktory, pro stejný film jsou hodnoty intenzity průrazného pole uváděné v příslušné literatuře často nekonzistentní a dokonce se velmi liší. Například intenzita průrazného pole filmu ZnO je 0,01 ~ 0,4 MV / cm, filmu AlN je 0,5 ~ 6,0 MV / cm.

5. Výkon objemových akustických vln
Nejdůležitější charakteristické parametry piezoelektrických měničů objemových akustických vln jsou rezonanční frekvence f0, akustická impedance Za a elektromechanický vazební koeficient K, takže rychlost zvuku υ a teplotní koeficient piezoelektrické fólie, akustická impedance a elektromechanický vazební koeficient jsou obzvláště přísné. Tyto vlastnosti filmu nezávisí pouze na elasticitě, dielektrických, piezoelektrických a tepelných vlastnostech krystalových zrn ve filmu, ale také úzce souvisí se strukturou piezoelektrického filmu, jako je stupeň kompaktnosti zrn a stupeň preferované orientace. V piezoelektrickém filmu se v důsledku defektů a napětí krystalového zrna nejedná o dokonalý monokrystal, takže fyzikální konstanta filmu se mírně liší od hodnoty krystalu. Protože struktura piezoelektrického filmu úzce souvisí s procesem přípravy, dokonce i pro stejný piezoelektrický film, jsou hodnoty výkonu uváděné v různých literaturách často nekonzistentní. Mezi všemi anorganickými neželeznými piezoelektrickými filmy má film AlN velkou elastickou konstantu, ale nízkou hustotu a nejvyšší rychlost zvuku. Proto je fólie nejvhodnější pro UHF a mikrovlnná zařízení.

6. Výkon povrchové akustické vlny
Když se povrchová akustická vlna šíří v piezoelektrický válcový měnič , jeho amplituda posunutí částic se rychle zeslabuje, jak se vzdálenost od povrchu média zvětšuje, takže energie povrchové akustické vlny se soustřeďuje hlavně v následujících dvou vlnových délkách na povrchu. Výkon povrchové akustické vlny fóliového materiálu lze vyjádřit následujícím funkčním vzorcem: výkon povrchové akustické vlny = F (surovina, substrát, struktura fólie, vlnový režim, směr šíření, forma interdigitální elektrody, součin tloušťkového vlnového čísla) Tabulku výkonových parametrů zvukové vlny nelze reprezentovat jedinou hodnotou. Další vlastností akustických vln piezoelektrických filmů je ztráta přenosu. Protože se piezoelektrické filmy často používají jako akustické přenosové médium v ​​zařízeních s povrchovými vlnami, je zdrojem ztráty přenosu především rozptyl akustických vln v piezoelektrickém filmu a substrátu.

Způsob přípravy piezoelektrického filmu Mezi
způsoby přípravy piezoelektrických tenkých vrstev patří především tradiční metody vakuového potahování, včetně potahování vakuovým napařováním, potahování naprašováním a potahování chemickým napařováním o tloušťce 0-18 μm, a nová metoda sol-gel, hydrotermální metoda a metoda elektroforetické depozice 10 ～ 100 μm piezoelektrický tlustý filmový materiál.
Tlustý piezoelektrický film obvykle označuje piezoelektrický film o tloušťce 10 až 100 μm. Ve srovnání s tenkým filmem jsou jeho piezoelektrické a feroelektrické vlastnosti méně ovlivněny rozhraním a povrchem; díky své relativně velké tloušťce může tento druh materiálu PZT také generovat velkou hnací sílu a má širší pracovní frekvenci; ve srovnání se sypkým materiálem je jeho provozní napětí nízké, frekvence použití je vysoká a je kompatibilní s polovodičovými procesy.

1. Vakuový odpařovací nátěr
Vakuový odpařovací nátěr má za úkol odpařit látku zahřátím a uložit ji na pevný povrch, čemuž se říká odpařovací nátěr. Tuto metodu poprvé navrhl M. Faraday v roce 1857 a modernizace se stala jednou z běžně používaných technologií povlakování.
Vakuové napařovací nanášení zahrnuje následující tři základní procesy:
(1) Proces ohřevu a odpařování, včetně procesu lemování přechodu z kondenzované fáze do plynné fáze (pevná fáze nebo kapalná fáze → plynná fáze). Každá odpařující se látka má při různých teplotách jiný tlak nasycených par. Při odpařování sloučeniny reagují její složky a některé z nich se dostávají do odpařovacího prostoru v plynném stavu nebo páře.
(2) Přeprava odpařených atomů nebo molekul mezi zdrojem odpařování a substrátem a proces letu těchto příkladů v okolní atmosféře. Počet srážek se zbytkovými molekulami plynu ve vakuové komoře během letu závisí na průměrné volné dráze odpařených atomů a vzdálenosti od zdroje odpařování k substrátu, často nazývané vzdálenost zdroj-báze.
(3) Proces srážení odpařených atomů nebo molekul na povrchu substrátu a kondenzace par, nukleace, růst jádra a tvorba souvislého filmu. Protože teplota substrátu je mnohem nižší než teplota zdroje odpařování, dojde k procesu fázového přechodu molekul usazených na povrchu substrátu přímo z plynné fáze do pevné fáze.
Když se látka vypařuje, je důležité znát tlak nasycených par, rychlost odpařování a průměrnou volnou dráhu vypařovaných molekul. Existují tři typy zdrojů odpařování.

2. Vakuový naprašovací povlak
Příklad s kinetickou energií více než několik set elektronvoltů nebo iontový paprsek bombarduje pevný povrch, takže atomy v blízkosti pevného povrchu získávají část energie dopadajících částic a opouštějí pevnou látku do vakua. Tento jev se nazývá rozprašování. Fenomén rozprašování zahrnuje složitý proces rozptylu a je doprovázen různými mechanismy přenosu energie. Všeobecně se má za to, že tento proces je především tzv. kolizní kaskádový proces, to znamená, že dopadající ionty se elasticky srážejí s cílovými atomy, takže cílové atomy získají dostatečnou energii k překonání potenciální bariéry tvořené okolními atomy a opuštění původní polohy a další a blízké atomy se srážejí. Když tato srážková kaskáda dosáhne povrchu cílového atomu, takže atomy získají energii vyšší, než je povrchová vazebná energie, tyto atomy opustí povrch cílového atomu a vstoupí do vakua. Nyní jsou další výzkumy naprašování povlakováním magnetronovým naprašováním. Magnetronové naprašování má provádět vysokorychlostní naprašování pod nízkým tlakem a je nutné efektivně zvýšit rychlost ionizace plynu. Zavedením magnetického pole na povrch katody terče se magnetické pole používá k omezení nabitých částic ke zvýšení hustoty plazmatu ke zvýšení rychlosti rozprašování. Použijte vnější magnetické pole k zachycení elektronů, prodloužení a omezení dráhy pohybu elektronů, zvýšení rychlosti ionizace a zvýšení rychlosti povlakování.

3. Chemická depozice z plynné fáze
Chemická depozice z par je metoda růstu chemických par, označovaná jako technologie CVD (Chemical Vapor Deposition). Při této metodě se elementární plyn obsahující jednu nebo několik sloučenin tvořících tenkovrstvý prvek přivádí na substrát a požadovaný tenký film se vytváří plynnou fází nebo chemickou reakcí na povrchu substrátu za použití zdrojů energie, jako je ohřev, plazma, ultrafialové světlo nebo dokonce laserové světlo. Protože metoda CVD využívá k přípravě tenkého filmu různé reakce plynů, složení tenkého filmu lze libovolně řídit, takže lze vyrábět mnoho nových filmových materiálů. Když se k přípravě tenkého filmu použije metoda CVD, jeho teplota růstu je výrazně nižší než teplota tání materiálu tvořícího tenkou vrstvu, výsledná vrstva filmu má dobrou rovnoměrnost, má stupňovité pokrytí a je vhodná pro substráty se složitými tvary. Díky svým výhodám, jako je vysoká rychlost nanášení, málo dírek, vysoká čistota, kompaktnost a málo defektů vytvářejících krystaly, je rozsah použití chemického nanášení par velmi široký. Metodu CVD lze použít k přípravě piezoelektrických tlustovrstvých materiálů s hustým, hladkým povrchem, tloušťkou 0 ～ 18μm a vynikajícím výkonem. Proto se při přípravě piezoelektrických tlustých filmů rychle rozvinula metoda CVD a byla přijata mnoha výzkumníky.

4. Nová metoda gelového roztoku
Nová metoda sol-gel spočívá v přidání připraveného prášku (stejné složení jako u solu) do solu, poté přidání určitého organického rozpouštědla do roztoku jako dispergačního činidla, přidání dalších organických rozpouštědel pro úpravu viskozity a pH roztoku a nakonec nepřetržité ultrazvukové vibrace dispergují nanoprášky v roztoku a nakonec se získá jednotný práškový roztok. Požadovaný film se nanáší na substrát metodou sol-gel. V tomto procesu ukládání působí částice prášku jako zárodečné krystaly.
Tímto způsobem lze vyrobit silnou fólii o tloušťce desítek mikronů. Zabraňuje problémům s praskáním nebo dokonce odlupováním filmu způsobeným tlustým filmem připraveným tradiční metodou sol-gel. Připravené složky tlustého filmu jsou rovnoměrně promíchány a mají vysokou čistotu a nevyžadují slinování při vysoké teplotě a výsledný silný film je kompatibilní s procesem přípravy polovodiče. A zařízení je jednoduché, náklady jsou nízké a složení membrány lze řídit, takže tato metoda se v současné době používá častěji.

5. Hydrotermální metoda
Hydrotermální metoda se týká použití vodného roztoku jako reakčního média ve speciálně vyrobené uzavřené reakční nádobě (autoklávu). Zahříváním reakční nádoby se vytváří vysokoteplotní, vysokotlaké reakční prostředí, takže se normálně nerozpustné nebo nerozpustné látky rozpouštějí a rekrystalizují. Silný film připravený tímto způsobem má stechiometricky zamíchat některé sloučeniny v připravované tlustovrstvé složce do nasyceného roztoku v určitém alkalickém prostředí a upravit hodnotu PH. Poté se roztok přenese do autoklávu a po určité reakční době lze na substrátu vypěstovat určitou tloušťku.