Piezoelektriske materialer er funktionelle materialer, der realiserer omdannelsen mellem mekanisk energi og elektrisk energi(1)

Piezoelektriske materialer er funktionelle materialer, der realiserer omdannelsen mellem mekanisk energi og elektrisk energi. Dens udvikling har en lang historie. Siden CURIE-brødrenes opdagelse af den piezoelektriske effekt på kvartskrystaller i 1880'erne, er piezoelektriske materialer begyndt at tiltrække udbredt opmærksomhed. Med uddybningen af ​​forskningen er der løbende opstået et stort antal piezoelektriske materialer, såsom piezoelektriske funktionelle keramiske materialer, piezofilm, piezoelektriske kompositmaterialer osv. Disse materialer piezo keramiske skiver har en meget bred vifte af anvendelser og spiller en vigtig rolle i funktionelle konverteringsanordninger som elektricitet, magnetisme, lyd, lys, varme, fugtighed, gas og kraft.

PVDF piezoelektrisk film

PVDF piezoelektrisk film er polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. I 1969 opdagede japanerne polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) omtalt som PVDF, som har en meget stærk piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har hovedsageligt to krystaltyper, nemlig α-type og β-type. Krystallen af ​​α-typen har ikke piezoelektricitet, men efter at PVDF-filmen er rullet og strakt, bliver den originale α-type krystal i filmen en β-type krystalstruktur. Når den strakte og polariserede PVDF-film udsættes for ekstern kraft eller deformation i en bestemt retning, vil den polariserede overflade af materialet generere en bestemt elektrisk ladning, nemlig den piezoelektriske effekt piezo keramisk skive krystal.

Sammenlignet med piezoelektrisk keramik og piezoelektriske krystaller har piezoelektriske film følgende fordele:

(1) Letvægts, dens tæthed er kun en fjerdedel af den almindeligt anvendte piezoelektriske keramiske PZT, klistret på måleobjektet har næsten ingen effekt på den originale struktur, høj elastisk fleksibilitet, kan behandles til en bestemt form kan være enhver måleoverflade er helt monteret, med høj mekanisk styrke og slagfasthed;

(2) Højspændingsoutput, under de samme stressforhold, er udgangsspændingen 10 gange højere end piezoelektrisk keramik;

(3) Høj dielektrisk styrke kan modstå virkningen af ​​et stærkt elektrisk felt (75V/um), på dette tidspunkt er de fleste piezoelektriske keramik blevet depolariseret;

(4) Den akustiske impedans er lav, kun en tiendedel af den piezoelektriske keramiske PZT, tæt på vand, menneskeligt væv og viskøs krop;

(5) Frekvensresponsen er bred, og den elektromekaniske effekt kan konverteres fra 10-3Hz til 109, og vibrationstilstanden er enkel.

Derfor kan stress og belastning måles i mekanik, accelerometre og vibrationsmodale sensorer kan laves i vibration, akustiske strålingsmodale sensorer og ultralydstransducere kan laves akustisk og bruges i aktiv kontrol, og kan bruges i robotforskning. Bruges som en taktil sensor, har også applikationer i medicinsk og køretøjsvægtmåling,

På nuværende tidspunkt udvikler forskningen i tyndfilmsmaterialer sig i forskellige retninger, høj ydeevne, nye processer osv., og dens grundforskning er også dybt i det molekylære niveau, atomniveau, nanoniveau, mesoskopisk struktur osv., så forskningen i funktionelle tyndfilmsmaterialer er af stor betydning.

Piezo film egenskaber

1. Dielektrisk konstant

Selvom den piezoelektriske film er en enkeltkrystalfilm eller en polykrystallinsk film med foretrukken orientering, er atompakningen i den ikke så tæt og ordnet som i en krystal, så den dielektriske konstantværdi af den piezoelektriske film er forskellig fra værdien af ​​krystallen. Ud over dette er der også store interne restspændinger, der ofte findes i tyndfilm og årsager til måling, som også bevirker, at den tynde films dielektriske konstantværdi er forskellig fra den tilsvarende værdi af krystallen.

Eksisterende undersøgelser har vist, at den dielektriske konstant af den piezoelektriske film ikke kun er relateret til krystalorienteringen, men også afhænger af testbetingelserne. Den piezoelektriske films dielektriske konstant har betydelig spredning. Ud over forskellen i indre spænding og testbetingelser antages forskellen mellem det kemiske sammensætningsforhold og filmtykkelsen af ​​filmsammensætningen generelt at falde med filmens tykkelse. Derudover vil den dielektriske konstant for den piezoelektriske film også ændre sig væsentligt med ændringen af ​​temperatur og frekvens.

2. Volumenresistivitet

Fra perspektivet med at reducere det dielektriske tab og afslapningsfrekvensen af ​​den piezoelektriske film forventes det, at den har en høj resistivitet, mindst ρv≥108Ω•cm. Resistiviteten af ​​AlN-film er 2×1014~1×1015Ω·cm, hvilket er meget højere end 108Ω·cm, så i denne henseende er AlN en meget fremragende film. Derudover følger ændringen i elektrisk ledningsevne af AlN piezoelektriske film med temperatur også 1nσ∝1/T-loven. Ingen af ​​krystallerne med piezoelektrisk effekt har et symmetricenter, så deres elektronmobilitet er også anisotropisk, og deres elektriske ledningsevne er også anderledes. Den elektriske ledningsevne af den AlN piezoelektriske film langs C-aksens retning er forskellig fra retningen vinkelret på C-aksen. Førstnævnte er omkring 1 til 2 størrelsesordener mindre.

3. Tabsvinkeltangens

Den dielektriske tabstangent for den AlN piezoelektriske film er tanδ=0,003~0,005, og tanδ af ZnO-filmen er større, hvilket er 0,005~0,01. Grunden til, at tanδ af disse film er så stor, er, at ud over konduktansprocessen har disse film også betydelige afspændingsfænomener. I lighed med den dielektriske tyndfilm øges tan δ af den piezoelektriske tyk film gradvist med stigningen i temperatur og frekvens og stigning i fugtighed. Derudover, når filmtykkelsen falder, har tan δ en tendens til at stige. Det er klart, at stigningen i tanδ med temperaturen skyldes stigningen i konduktans og stigningen i relaxorer. Det stiger med frekvensen, fordi antallet af afslapningstider over tid stiger.

4. Nedbrydningsstyrke

Fordi den dielektriske nedbrydningsfeltstyrke er en styrkeparameter, og forskellige defekter af piezoelektriske halvkugletransducere er uundgåelige i filmen, nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film er ret dispersiv; nedbrydningsteorien for dielektrikum, for en komplet og intakt film. Nedbrydningsfeltstyrken bør gradvist stige, efterhånden som filmtykkelsen falder. Men faktisk, fordi filmen indeholder mange defekter, er virkningen af ​​defekten mere signifikant, da tykkelsen er mindre, så når tykkelsen reduceres til en vis værdi, bliver filmens nedbrydningsfeltstyrke kraftigt mindre. Udover filmens egen årsag påvirkes filmens nedbrydningsfeltstyrke også af kanten af ​​elektroden under testen. Da jo tykkere filmen er, jo mere ujævn er det elektriske felt ved kanten af ​​elektroden, så efterhånden som filmtykkelsen øges, falder dens nedbrydningsfeltstyrke gradvist.

Ud over de ovennævnte faktorer afhænger nedbrydningsfeltstyrken af ​​den dielektriske film også af filmstrukturen. For den piezoelektriske film afhænger dens nedbrydningsfeltstyrke også af retningen af ​​det elektriske felt, det vil sige, at den også er anisotropisk i nedbrydningsfeltstyrken. På grund af eksistensen af ​​korngrænser i den polykrystallinske film er dens nedbrydningsfeltstyrke lavere end den for den amorfe film; af lignende årsager er nedbrydningsfeltstyrken af ​​den fortrinsvis orienterede piezoelektriske film i orienteringsretningen højere end i den vinkelrette retning. Nedbrydningsfeltstyrken er lavere.

Ligesom andre dielektriske film afhænger nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film også af nogle eksterne faktorer, såsom spændingsbølgeform, frekvens, temperatur og elektroder. Fordi nedbrydningsfeltstyrken af ​​den piezoelektriske film er relateret til mange faktorer, for den samme film, er nedbrydningsfeltstyrkeværdierne rapporteret i den relevante litteratur ofte inkonsistente og varierer endda meget. For eksempel er nedbrydningsfeltstyrken af ​​ZnO-filmen 0,01 ~0,4MV/cm, AlN-film er 0,5~6,0MV/cm.

5. Bulk akustisk bølge ydeevne

De vigtigste karakteristiske parametre for bulk akustiske bølge piezoelektriske transducere er resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za og elektromekanisk koblingskoefficient K, så lydhastigheden υ og temperaturkoefficienten for piezoelektrisk film, akustisk impedans og elektromekanisk koblingskoefficient er særligt strenge. Disse egenskaber af filmen afhænger ikke kun af elasticiteten, dielektriske, piezoelektriske og termiske egenskaber af krystalkornene i filmen, men er også tæt forbundet med strukturen af ​​den piezoelektriske film, såsom graden af ​​kompakthed af kornene og graden af ​​foretrukken orientering. I den piezoelektriske film er det på grund af krystalkornets defekter og belastning ikke en god enkelt piezokrystal, så filmens fysiske konstant er lidt forskellig fra krystalværdien.

Fordi strukturen af ​​den piezoelektriske film er tæt forbundet med forberedelsesprocessen, selv for den samme piezoelektriske film, er ydeevneværdierne rapporteret i forskellige litteraturer ofte inkonsistente. Blandt alle uorganiske ikke-jernholdige piezoelektriske film har AlN-filmen en stor elastisk konstant, men en lav tæthed og den højeste lydhastighed. Derfor er filmen mest velegnet til UHF- og mikrobølgeapparater.

6. Overflade akustisk bølge ydeevne

Når den akustiske overfladebølge forplanter sig i det piezoelektriske medium, dæmpes dens amplitude af partikelforskydning hurtigt, når afstanden fra mediets overflade øges, så overfladens akustiske bølgeenergi er hovedsageligt koncentreret i de næste to bølgelængder på overfladen.

Den overfladeakustiske bølgeydelse af tyndfilmsmaterialer kan udtrykkes som følgende funktionelle formel: overfladeakustiske bølgeydelse = F (råmateriale, substrat, filmstruktur, bølgetilstand, udbredelsesretning, interdigiteret elektrodeform, tykkelsesbølgenummerprodukt)

Derfor kan en hvilken som helst overflade-akustisk bølgepræstationsparameter for den piezoelektriske film ikke repræsenteres af en enkelt værdi. En anden akustisk bølgeegenskab ved piezoelektriske film er transmissionstab. Fordi piezoelektriske film ofte bruges som akustiske transmissionsmedier i overfladebølgeanordninger, er kilden til transmissionstab hovedsageligt spredningen af ​​akustiske bølger i den piezoelektriske film og substratet.