Piezoelektrické 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 krystalech křemene bratry CURIE v 80. letech 19. století začaly piezoelektrické materiály přitahovat širokou pozornost. S prohlubujícím se výzkumem se průběžně objevovalo velké množství piezoelektrických materiálů, jako jsou piezoelektrické funkční keramické materiály, piezofilm, piezoelektrické kompozitní materiály atd. Tyto materiály Piezokeramické disky mají velmi širokou škálu použití a hrají důležitou roli ve funkčních konverzních zařízeních, 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 krystalů, a to typ α a typ β. Krystal typu a nemá piezoelektřinu, ale poté, co je PVDF fólie srolována a natažena, původní krystal typu a ve filmu se stane krystalovou strukturou typu β. Když je natažená a polarizovaná PVDF fólie vystavena vnější síle nebo deformaci v určitém směru, polarizovaný povrch materiálu vygeneruje určitý elektrický náboj, konkrétně piezoelektrický efekt. piezo keramický disk krystal.

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

(1) Nízká hmotnost, její hustota je pouze čtvrtina běžně používané piezoelektrické keramiky PZT, nalepená na měřeném předmětu nemá téměř žádný vliv na původní strukturu, vysoká elastická pružnost, lze zpracovat do konkrétního tvaru lze libovolnou měřicí plochu kompletně osadit, 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 odolá účinku silného elektrického pole (75V/um), v současné době je 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.

Proto je možné měřit napětí a deformaci v mechanice, akcelerometry a vibrační modální snímače lze vyrábět ve vibracích, modální snímače akustického záření a ultrazvukové měniče lze vyrobit akusticky a použít v aktivním řízení a lze je použít ve výzkumu robotů Používá se jako hmatový snímač, má také aplikace v lékařství a měření hmotnosti vozidel,

V současné době se výzkum tenkovrstvých materiálů rozvíjí různými směry, vysokým výkonem, novými procesy atd. a jeho základní výzkum je hluboko v molekulární úrovni, atomové úrovni, nano úrovni, mezoskopické struktuře atd., takže výzkum funkčních tenkovrstvých materiálů má velký význam.

Vlastnosti piezofilmu

1. Dielektrická konstanta

Ačkoli piezoelektrický film je monokrystalický film nebo polykrystalický film s preferovanou orientací, atomové balení v něm není tak těsné a uspořádané jako v krystalu, takže hodnota dielektrické konstanty piezoelektrického filmu se liší od hodnoty krystalu. Kromě toho existují také velká zbytková vnitřní napětí, která se často vyskytují v tenkých vrstvách a důvody pro měření, které také způsobují, že hodnota dielektrické konstanty tenké vrstvy 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. Kromě toho se dielektrická konstanta piezoelektrického filmu bude také výrazně měnit se změnou teploty a frekvence.

2. Objemový odpor

Z hlediska snížení dielektrických ztrát a relaxační frekvence piezoelektrického filmu se očekává, že má vysoký měrný odpor, alespoň ρv≥108Ω•cm. Rezistivita 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 se změna elektrické vodivosti AlN piezoelektrických filmů s teplotou také řídí zákonem 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. Elektrická 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. Ztrátový úhel tečna

Tangens dielektrických ztrát 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 tanδ s teplotou je způsobeno zvýšením vodivosti a zvýšením relaxorů. Zvyšuje se s frekvencí, protože se zvyšuje počet relaxačních časů v čase.

4. Průrazná síla

Protože síla dielektrického průrazného pole je parametr síly a různé vady piezoelektrické polokoule měniče jsou ve filmu nevyhnutelné, intenzita průrazného pole piezoelektrického filmu je značně disperzní; teorie průrazu dielektrik, pro úplný a neporušený film. Síla průrazného pole by se měla postupně zvyšovat s klesající 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. Kromě vlastní příčiny filmu je intenzita pole průrazu filmu během testu ovlivněna také okrajem elektrody. 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 jeho 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 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 0,01~0,4MV/cm, filmu AlN je 0,5~6,0MV/cm.

5. Výkon 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 piezoelektrického filmu, 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 kvůli defektům a deformaci krystalového zrna nejde o dobrý jednoduchý piezokrystal, 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 povrchových akustických vln

Když se povrchová akustická vlna šíří v piezoelektrickém prostředí, její amplituda posunu částic se s rostoucí vzdáleností od povrchu média rychle zeslabuje, takže energie povrchové akustické vlny se soustřeďuje hlavně na další dvě vlnové délky na povrchu.

Výkon povrchových akustických vln tenkovrstvých materiálů lze vyjádřit následujícím funkčním vzorcem: výkon povrchových akustických vln = F (surovina, substrát, struktura filmu, vlnový režim, směr šíření, tvar interdigitální elektrody, produkt tloušťkového vlnového čísla)

Proto žádný parametr výkonu povrchové akustické vlny piezoelektrické fólie nemůže být reprezentován 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.