Pietsosähköiset materiaalit ovat toiminnallisia materiaaleja, jotka muuttavat mekaanista energiaa sähköenergiaksi(1)

Pietsosähköiset materiaalit ovat toiminnallisia materiaaleja, jotka toteuttavat konversion mekaanisen energian ja sähköenergian välillä. Sen kehityksellä on pitkä historia. Sen jälkeen kun CURIE-veljekset löysivät pietsosähköisen vaikutuksen kvartsikiteisiin 1880-luvulla, pietsosähköiset materiaalit ovat alkaneet herättää laajaa huomiota. Tutkimuksen syventyessä on jatkuvasti ilmaantunut suuri määrä pietsosähköisiä materiaaleja, kuten pietsosähköisiä toiminnallisia keraamisia materiaaleja, pietsosähköisiä kalvoja, pietsosähköisiä komposiittimateriaaleja jne. Nämä materiaalit Pietsokeraamisilla levyillä on erittäin laaja käyttöalue, ja niillä on tärkeä rooli toiminnallisissa muunnoslaitteissa, kuten sähkö, magnetismi, ääni, valo, lämpö, ​​kosteus, kaasu ja voima.

PVDF pietsosähköinen kalvo

PVDF-pietsosähköinen kalvo on polyvinylideenifluoridipietsosähköinen kalvo. Vuonna 1969 japanilaiset löysivät polymeerimateriaalin polyvinylideenifluoridin (polyvinylideenifluoridipolymeeri), jota kutsutaan nimellä PVDF, jolla on erittäin voimakas pietsosähköinen vaikutus. PVDF-kalvolla on pääasiassa kaksi kidetyyppiä, nimittäin α-tyyppi ja β-tyyppi. α-tyypin kiteellä ei ole pietsosähköisyyttä, mutta kun PVDF-kalvo on rullattu ja venytetty, kalvossa olevasta alkuperäisestä α-tyypin kiteestä tulee β-tyyppinen kiderakenne. Kun venytetty ja polarisoitu PVDF-kalvo altistetaan ulkoiselle voimalle tai muodonmuutokselle tietyssä suunnassa, materiaalin polarisoitu pinta synnyttää tietyn sähkövarauksen, nimittäin pietsosähköisen vaikutuksen. piezo keraaminen levykristalli.

Pietsosähköiseen keramiikkaan ja pietsosähköisiin kiteisiin verrattuna pietsosähköisillä kalvoilla on seuraavat edut:

(1) Kevyt, sen tiheys on vain neljäsosa yleisesti käytetystä pietsosähköisestä keraamisesta PZT:stä, liimattu mittauskohteeseen ei juuri vaikuta alkuperäiseen rakenteeseen, korkea elastinen joustavuus, voidaan käsitellä tiettyyn muotoon voi olla mikä tahansa mittauspinta on täysin asennettu, korkea mekaaninen lujuus ja iskunkestävyys;

(2) Korkean jännitteen lähtö, samoissa jännitysolosuhteissa, lähtöjännite on 10 kertaa suurempi kuin pietsosähköinen keramiikka;

(3) Suuri dielektrinen lujuus kestää voimakkaan sähkökentän vaikutuksen (75 V/um), tällä hetkellä useimmat pietsosähköiset keramiikka on depolarisoituneet;

(4) Akustinen impedanssi on alhainen, vain yksi kymmenesosa pietsosähköisestä keraamisesta PZT:stä, lähellä vettä, ihmiskudosta ja viskoosia kehoa;

(5) Taajuusvaste on laaja, ja sähkömekaaninen vaikutus voidaan muuntaa 10-3 Hz: stä 109: ksi, ja tärinätila on yksinkertainen.

Siksi jännitystä ja rasitusta voidaan mitata mekaniikassa, kiihtyvyysmittareita ja värähtelymodaaliantureita voidaan tehdä värähtelyssä, akustisen säteilyn modaaliantureita ja ultraäänimuuntimia voidaan tehdä akustisesti ja käyttää aktiivisessa ohjauksessa ja niitä voidaan käyttää robottitutkimuksessa. Käytetään kosketusanturina, on sovelluksia myös lääketieteellisissä ja ajoneuvojen painonmittauksissa,

Tällä hetkellä ohutkalvomateriaalien tutkimus kehittyy eri suuntiin, korkea suorituskyky, uudet prosessit jne., ja sen perustutkimus on myös syvällä molekyylitasolla, atomitasolla, nanotasolla, mesoskooppisella rakenteella jne., joten toiminnallisten ohutkalvomateriaalien tutkimuksella on suuri merkitys.

Pietsokalvon ominaisuudet

1. Dielektrisyysvakio

Vaikka pietsosähköinen kalvo on yksikidekalvo tai monikiteinen kalvo, jolla on edullinen suunta, sen atomipakkaus ei ole yhtä tiukka ja järjestetty kuin kiteessä, joten pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakioarvo on erilainen kuin kiteen arvo. Tämän lisäksi ohuissa kalvoissa usein esiintyy suuria sisäisiä jäännösjännityksiä ja mittaussyitä, jotka myös aiheuttavat ohuen kalvon dielektrisyysvakion arvon poikkeavan kiteen vastaavasta arvosta.

Olemassa olevat tutkimukset ovat osoittaneet, että pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakio ei liity vain kiteen orientaatioon, vaan riippuu myös testiolosuhteista. Pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakiolla on huomattava dispersio. Sisäisen jännityksen ja testiolosuhteiden eron lisäksi kemiallisen koostumuksen suhteen ja kalvokoostumuksen kalvon paksuuden välisen eron uskotaan yleensä pienenevän kalvon paksuuden myötä. Lisäksi pietsosähköisen kalvon dielektrisyysvakio muuttuu myös merkittävästi lämpötilan ja taajuuden muuttuessa.

2. Tilavuusvastus

Pietsosähköisen kalvon dielektrisen häviön ja relaksaatiotaajuuden vähentämisen näkökulmasta sen odotetaan olevan korkea, vähintään ρv≥108Ω•cm. AlN-kalvon ominaisvastus on 2×1014~1×1015Ω·cm, mikä on paljon suurempi kuin 108Ω·cm, joten tässä suhteessa AlN on erittäin erinomainen kalvo. Lisäksi AlN pietsosähköisten kalvojen sähkönjohtavuuden muutos lämpötilan myötä noudattaa myös 1nσ∝1/T-lakia. Yhdelläkään pietsosähköisellä kiteellä ei ole symmetriakeskusta, joten niiden elektronien liikkuvuus on myös anisotrooppista ja sähkönjohtavuus on myös erilainen. AlN-pietsosähköisen kalvon sähkönjohtavuus C-akselin suunnassa on erilainen kuin C-akselia vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa. Edellinen on noin 1-2 suuruusluokkaa pienempi.

3. Häviökulmatangentti

AlN-pietsosähköisen kalvon dielektrisen häviön tangentti on tanδ=0,003～0,005 ja ZnO-kalvon tanδ on suurempi, mikä on 0,005～0,01. Syy siihen, miksi näiden kalvojen tanδ on niin suuri, on se, että johtavuusprosessin lisäksi näillä kalvoilla on myös merkittäviä relaksaatioilmiöitä. Dielektrisen ohuen kalvon tapaan pietsosähköisen paksukalvon tan δ kasvaa vähitellen lämpötilan ja taajuuden noustessa ja kosteuden kasvaessa. Lisäksi kun kalvon paksuus pienenee, tan δ pyrkii kasvamaan. Ilmeisesti tan8:n nousu lämpötilan myötä johtuu konduktanssin lisääntymisestä ja relaksoijien lisääntymisestä. Se kasvaa taajuuden kasvaessa, koska rentoutumiskertojen määrä ajassa kasvaa.

4. Jakovoima

Koska dielektrinen hajoaminen kentänvoimakkuus on vahvuus parametri, ja erilaisia ​​vikoja pietsosähköinen puolipallomuunnin ovat väistämättömiä kalvossa, pietsosähköisen kalvon hajoamiskentänvoimakkuus on melko hajaantunut; eristeiden rikkoutumisteoria täydelliselle ja ehjälle kalvolle. Hajoamiskentän voimakkuuden tulisi vähitellen kasvaa kalvon paksuuden pienentyessä. Mutta itse asiassa, koska kalvossa on monia vikoja, vian vaikutus on suurempi, koska paksuus on pienempi, joten kun paksuus pienennetään tiettyyn arvoon, kalvon hajoamiskentän voimakkuus pienenee jyrkästi. Kalvon oman syyn lisäksi kalvon läpilyöntikentän voimakkuuteen vaikuttaa testin aikana myös elektrodin reuna. Mitä paksumpi kalvo, sitä epätasaisempi sähkökenttä elektrodin reunassa, joten kalvon paksuuden kasvaessa sen läpilyöntikentän voimakkuus pienenee vähitellen.

Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi dielektrisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös kalvon rakenteesta. Pietsosähköisellä kalvolla sen läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös sähkökentän suunnasta, eli se on myös anisotrooppinen läpilyöntikentän voimakkuudessa. Koska monikiteisessä kalvossa on raerajaja, sen läpimurtokentän voimakkuus on pienempi kuin amorfisen kalvon; vastaavista syistä ensisijaisesti orientoidun pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus orientaatiosuunnassa on suurempi kuin kohtisuorassa suunnassa. Hajotuskentän voimakkuus on pienempi.

Kuten muidenkin dielektristen kalvojen, pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus riippuu myös joistakin ulkoisista tekijöistä, kuten jännitteen aaltomuodosta, taajuudesta, lämpötilasta ja elektrodeista. Koska pietsosähköisen kalvon läpilyöntikentän voimakkuus liittyy moniin tekijöihin, saman kalvon läpimurtokentän voimakkuusarvot, jotka on raportoitu asiaankuuluvassa kirjallisuudessa, ovat usein epäjohdonmukaisia ​​ja jopa vaihtelevat suuresti. Esimerkiksi ZnO-kalvon hajoamiskentänvoimakkuus on 0,01-0,4 MV/cm, AlN-kalvo on 0,5-6,0 MV/cm.

5. Bulkkiakustisen aallon suorituskyky

Akustisten bulkkiaaltojen pietsosähköisten muuntimien tärkeimmät ominaisparametrit ovat resonanssitaajuus f0, akustinen impedanssi Za ja sähkömekaaninen kytkentäkerroin K, joten pietsosähköisen kalvon äänen nopeus υ ja lämpötilakerroin, akustinen impedanssi ja sähkömekaaninen kytkentäkerroin ovat erityisen tiukat. Nämä kalvon ominaisuudet eivät riipu vain kalvossa olevien kiderakeiden elastisuudesta, dielektrisistä, pietsosähköisistä ja lämpöominaisuuksista, vaan ne liittyvät myös läheisesti pietsosähköisen kalvon rakenteeseen, kuten rakeiden tiiviysasteeseen ja edulliseen orientaatioon. Pietsosähköisessä kalvossa kiderakeen vioista ja jännityksestä johtuen se ei ole hyvä yksittäinen pietsokide, joten kalvon fysikaalinen vakio eroaa hieman kidearvosta.

Koska pietsosähköisen kalvon rakenne liittyy läheisesti valmistusprosessiin, jopa samalle pietsosähköiselle kalvolle, eri kirjallisuuksissa raportoidut suorituskykyarvot ovat usein epäjohdonmukaisia. Kaikista epäorgaanisista ei-rautapitoisista pietsosähköisistä kalvoista AlN-kalvolla on suuri kimmovakio, mutta alhainen tiheys ja suurin äänen nopeus. Siksi kalvo sopii parhaiten UHF- ja mikroaaltouunilaitteisiin.

6. Pinta-akustisten aaltojen suorituskyky

Kun akustinen pinta-aalto etenee pietsosähköisessä väliaineessa, sen hiukkassiirtymän amplitudi vaimenee nopeasti etäisyyden kasvaessa väliaineen pinnasta, joten pinta-akustinen aaltoenergia keskittyy pääasiassa kahdelle seuraavalle aallonpituudelle pinnalla.

Ohutkalvomateriaalien akustinen pinta-aaltokyky voidaan ilmaista seuraavalla toiminnallisella kaavalla: pinta-akustinen aaltoteho = F (raaka-aine, substraatti, kalvon rakenne, aaltomuoto, etenemissuunta, interdigitoitu elektrodimuoto, paksuusaallon lukutulo)

Siksi mitään pietsosähköisen kalvon pinta-akustisen aallon suorituskykyparametria ei voida esittää yhdellä arvolla. Toinen pietsosähköisten kalvojen akustinen aaltoominaisuus on siirtohäviö. Koska pietsosähköisiä kalvoja käytetään usein akustisena väliaineena pinta-aaltolaitteissa, siirtohäviön lähde on pääasiassa akustisten aaltojen sironta pietsosähköisessä kalvossa ja alustassa.