Is ábhair fheidhmiúla iad ábhair criadóireachta piezoelectric a réadaíonn an comhshó idir fuinneamh meicniúil agus fuinneamh leictreach (1)

Is ábhair fheidhmiúla iad ábhair piezoelectric a thuigeann an comhshó idir fuinneamh meicniúil agus fuinneamh leictreach. Tá stair fhada ag a fhorbairt. Ó d'aimsigh na deartháireacha CURIE an éifeacht piezoelectric ar chriostail Grianchloch sna 1880í, tá aird fhorleathan tarraingthe ar ábhair piezoelectric. Le doimhniú an taighde, tá líon mór ábhar piezoelectric, mar shampla ábhair ceirmeacha feidhmiúla piezoelectric, scannán Piezo, ábhair ilchodacha piezoelectric, srl.

Scannán piezoelectric PVDF
Is scannán piezoelectric fluairíd polaivinileideine é scannán piezoelectric PVDF. I 1969, d'aimsigh na Seapáine an t-ábhar polaiméire fluairíd polaivinilidene (polaiméir fluairíd polaiviniledéine) dá ngairtear PVDF, a bhfuil éifeacht piezoelectric an-láidir aige. Tá dhá chineál criostail piezo den chuid is mó ag an scannán PVDF, eadhon, cineál α agus cineál β. Níl piezoelectricity ag an criostail cineál α piezo, ach tar éis an scannán PVDF a rolladh agus a shíneadh, déantar an criostail cineál α bunaidh sa scannán ina struchtúr criostail cineál β. Nuair a bhíonn an scannán PVDF sínte agus polaraithe faoi réir fórsa seachtrach nó dífhoirmiúchán i dtreo áirithe, trasducer leibhéal ultrasonaic ginfidh dromchla polaraithe an luchta leictreachais áirithe, is é sin, an éifeacht piezoelectric.

I gcomparáid le criadóireacht piezoelectric agus criostail piezoelectric, tá na buntáistí seo a leanas ag scannáin piezoelectric:

(1) Meáchan éadrom, níl a dhlús ach an ceathrú cuid den PZT ceirmeach piezoelectric a úsáidtear go coitianta, pasted ar an réad tomhais beagnach aon éifeacht ar an struchtúr bunaidh, solúbthacht ard leaisteach, is féidir a phróiseáil i cruth ar leith Tá an dromchla tomhais feistithe go hiomlán, le neart meicniúil ard agus friotaíocht tionchair;
(2) Aschur ardvoltais, faoi na coinníollacha strus céanna, tá an voltas aschuir 10 n-uaire níos airde ná criadóireacht piezoelectric;
(3) Ard-neart tréleictreach is féidir a sheasamh ar an éifeacht réimse leictrigh láidir (75V / um), ag an am seo tá an chuid is mó criadóireacht piezoelectric dípolarized;
(4) Tá an impedance fuaimiúil íseal, ach an deichiú cuid den PZT ceirmeach piezoelectric, gar d'uisce, fíochán daonna agus comhlacht slaodach;
(5) Tá an freagra minicíochta leathan, agus is féidir an éifeacht leictrimheicniúla a thiontú ó 10-3Hz go 109, agus tá an modh creathadh simplí.

Airíonna scannán piezo
1. Tairiseach tréleictreach
Cé go bhfuil an scannán piezoelectric ina scannán criostail aonair nó scannán polycrystalline le treoshuíomh is fearr, níl an pacáil adamhach ann chomh dlúth agus ordaithe mar atá sa chriostail, agus mar sin tá luach tairiseach tréleictreach an scannáin piezoelectric difriúil ó luach na criostail. Ina theannta sin, is minic a bhíonn strusanna inmheánacha iarmharacha móra sa scannán agus na cúiseanna atá leis an tomhas, rud a fhágann go bhfuil luach tairiseach tréleictreach an scannáin difriúil ó luach comhfhreagrach na criostail.
Tá staidéir atá ann cheana féin tar éis a thaispeáint nach mbaineann tairiseach tréleictreach an scannáin piezoelectric ní hamháin leis an treoshuíomh criostail, ach braitheann sé freisin ar na coinníollacha tástála. Tá scaipeadh suntasach ag tairiseach tréleictreach an scannáin piezoelectric. Chomh maith leis an difríocht i strus inmheánach agus coinníollacha tástála, creidtear go ginearálta go laghdóidh an difríocht idir an cóimheas comhdhéanamh ceimiceach agus tiús scannán an chomhdhéanamh scannáin le tiús an scannáin. Tanaí agus beag. Ina theannta sin, athróidh tairiseach tréleictreach an scannáin tanaí piezoelectric go mór freisin le teocht agus minicíocht.

2. Friotaíocht toirte
Ó thaobh caillteanas tréleictreach agus minicíocht scíthe an scannáin piezoelectric a laghdú, táthar ag súil go bhfuil friotachas an-ard aige, ar a laghad ρv≥108Ω • cm. Is é friotaíocht scannán AlN 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, atá i bhfad níos airde ná 108Ω · cm, mar sin maidir leis seo, is scannán an-mhaith é AlN. Ina theannta sin, leanann an t-athrú ar sheoltacht leictreach scannán piezoelectric AlN le teocht an dlí 1nσ∝1 / T freisin. Níl lárionad siméadrachta ag aon cheann de na criostail a bhfuil éifeacht piezoelectric acu, mar sin tá a soghluaisteacht leictreon anisotrópach freisin agus tá a seoltacht leictreach difriúil freisin. Tá seoltacht an scannáin piezoelectric AlN feadh an treo C-ais difriúil ón treo ingearach leis an ais C. Tá an chéad cheann thart ar 1 go 2 ordú méide níos lú.

3. Tadhlaí uillinn caillteanais
Is é an tadhlaí caillteanas tréleictreach den scannán piezoelectric AlN tanδ = 0.003 ～ 0.005, agus tá tanδ an scannáin ZnO níos mó, atá 0.005 ～ 0.01. Is é an fáth go bhfuil tanδ na scannán seo chomh mór ná go bhfuil feiniméin shuntasacha scíthe ag na scannáin seo chomh maith leis an bpróiseas seoltachta. Cosúil leis an scannán tanaí tréleictreach, méadaíonn an tan δ den scannán tiubh piezoelectric de réir a chéile le méadú ar theocht agus minicíocht agus méadú ar thaise. Ina theannta sin, de réir mar a laghdaíonn tiús an scannáin, is gnách go dtiocfaidh méadú ar tan δ. Ar ndóigh, tá an méadú ar tan δ le teocht mar gheall ar an méadú ar sheoltacht agus ar an méadú ar scíthe. Méadaíonn sé go minic mar go méadaíonn líon na n-amanna scíthe in am.

4. Neart miondealaithe
Toisc go mbaineann neart an réimse miondealaithe tréleictreach leis an bparaiméadar neart, agus nach féidir lochtanna éagsúla a sheachaint sa scannán, tá scaipeadh suntasach ag neart réimse miondealaithe an scannáin piezoelectric; an teoiric miondealú tréleictreach .Ba chóir go n-ardódh neart an réimse miondealaithe de réir a chéile de réir mar a laghdaíonn tiús an scannáin. Ach go deimhin, toisc go bhfuil go leor lochtanna sa scannán, tá éifeacht an locht níos suntasaí toisc go bhfuil an tiús níos lú, agus mar sin nuair a laghdaítear an tiús go luach áirithe, éiríonn neart réimse miondealaithe an scannáin go géar níos lú. Tá neart réimse miondealaithe an scannáin, chomh maith le cúiseanna an scannáin féin, freisin faoi thionchar imeall an leictreoid le linn na tástála. Ós rud é an thicker an scannán, an níos míchothrom an réimse leictrigh ar imeall an leictreoid, mar sin de réir mar a mhéadaíonn an tiús scannán, a neart réimse miondealú laghduithe de réir a chéile. Chomh maith leis na fachtóirí thuas, braitheann neart réimse miondealaithe an scannáin thréleictreach freisin ar struchtúr an scannáin. Maidir leis an scannán piezoelectric, braitheann neart an réimse miondealaithe freisin ar threo an réimse leictrigh, is é sin, tá sé anisotrópach freisin i neart an réimse miondealaithe. Mar gheall ar theorainneacha gráin a bheith sa scannán polycrystalline, tá a neart réimse miondealaithe níos ísle ná an scannán éagruthach; ar chúiseanna comhchosúla, tá neart réimse miondealú an scannáin piezoelectric tosaíochta sa treo treoshuíomh gráin níos airde ná sin sa treo ingearach. Tá neart an réimse miondealaithe níos ísle.

Cosúil le scannáin tréleictreach eile, braitheann neart réimse miondealaithe an scannáin piezoelectric freisin ar roinnt fachtóirí seachtracha, mar shampla tonnform voltas, minicíocht, teocht agus leictreoidí. Toisc go bhfuil baint ag neart réimse miondealaithe an scannáin piezoelectric le go leor fachtóirí, don scannán céanna, is minic go mbíonn na luachanna neart réimse miondealaithe a thuairiscítear sa litríocht ábhartha neamhréireach, agus fiú athraíonn siad go mór. Mar shampla, is é 0.01 ~ 0.4MV / cm neart réimse miondealaithe scannán ZnO, is é 0.5 ~ 6.0MV / cm scannán AlN.

5. Feidhmíocht tonn fuaime mórchóir
Is iad na paraiméadair tréithiúla is tábhachtaí de thrasduchtóirí piezoelectric tonn fuaimiúla mórchóir minicíocht athshondais f0, impedance fuaimiúil Za agus comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla K, mar sin tá an treoluas fuaime υ agus comhéifeacht teocht an scannáin piezoelectric, impedance fuaimiúil agus comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla go háirithe. Ní hamháin go bhfuil airíonna an scannáin seo ag brath ar leaisteachas, tréleictreach, piezoelectric agus airíonna teirmeacha na ngrán criostail sa scannán, ach tá dlúthbhaint acu freisin le struchtúr an scannáin piezoelectric ar nós méid dlúthachta na ngrán agus méid an treoshuímh is fearr. Sa scannán piezoelectric, mar gheall ar lochtanna agus brú na gráin criostail, ní criostail aonair foirfe é, agus mar sin tá tairiseach fisiceach an scannáin beagán difriúil ón luach criostail. Toisc go bhfuil dlúthbhaint ag struchtúr an scannáin piezoelectric leis an bpróiseas ullmhúcháin, fiú don scannán piezoelectric céanna, is minic a bhíonn na luachanna feidhmíochta a thuairiscítear sna litríochtaí éagsúla neamhréireach. I measc na scannáin piezoelectric neamhorgánacha go léir, tá tairiseach mór leaisteach ag an scannán AlN, ach dlús íseal, agus an treoluas fuaime is airde. Dá bhrí sin, tá an scannán is oiriúnaí le haghaidh feistí UHF agus micreathonn.

6. Feidhmíocht tonn fuaimiúil dromchla
Nuair a iomadaíonn an tonn fuaimiúil dromchla sa trasducer sorcóir piezoelectric , maolaíonn a aimplitiúid díláithrithe na gcáithníní go tapa de réir mar a mhéadaíonn an fad ó dhromchla an mheán, agus mar sin tá an fuinneamh tonn fuaime dromchla comhchruinnithe go príomha sa dá thonnfhad eile ar an dromchla. Is féidir feidhmíocht tonn fuaimiúil dromchla an ábhair scannáin a chur in iúl mar an fhoirmle feidhme seo a leanas: feidhmíocht tonn fuaimiúil dromchla = F (amhábhar, foshraith, struchtúr scannáin, modh tonn, treo iomadaithe, foirm leictreoid idirdhigiteach, tiús táirge uimhir tonn) Ní féidir tábla paraiméadair feidhmíochta tonn fuaime a léiriú le luach amháin. Maoin tonn fuaimiúil eile de chuid scannáin piezoelectric ná caillteanas tarchurtha. Toisc go n-úsáidtear scannáin piezoelectric go minic mar mheáin tarchurtha fuaimiúla i bhfeistí tonn dromchla, is é foinse an chaillteanais tarchurtha go príomha scaipeadh tonnta fuaimiúla sa scannán piezoelectric agus an tsubstráit.

Modh chun scannán piezoelectric a ullmhú
Áirítear le modhanna ullmhúcháin scannáin tanaí piezoelectric go príomha modhanna traidisiúnta sciath bhfolús, lena n-áirítear sciath galú bhfolús, sciath sputter, agus sciath ceimiceach gaile le tiús 0-18 μm, agus modh nua sol-ghlóthach, modh hidrothermal, agus modh taisce electrophoretic 10 ～ 100μm ábhar scannán tiubh piezo.
Tagraíonn scannán piezoelectric tiubh de ghnáth do scannán piezoelectric le tiús 10 go 100 μm. I gcomparáid leis an scannán tanaí, tá tionchar níos lú ag an gcomhéadan agus an dromchla ar a n-airíonna piezoelectric agus ferroelectric; mar gheall ar a thiús réasúnta mór, is féidir leis an gcineál seo ábhar PZT fórsa tiomána mór a ghiniúint freisin, agus tá minicíocht oibriúcháin níos leithne aige; i gcomparáid leis an mórchóir ábhar, tá a voltas oibriúcháin íseal, tá an minicíocht úsáide ard, agus tá sé ag luí leis na próisis leathsheoltóra.

1. Sciath galú folúis
Is éard is sciath galú folúis ann substaint a ghalú trí théamh agus í a thaisceadh ar dhromchla soladach, ar a dtugtar sciath galú. Mhol M. Faraday an modh seo den chéad uair i 1857, agus tá nuachóiriú anois ar cheann de na teicneolaíochtaí brataithe a úsáidtear go coitianta.
Áirítear le sciath galú folúis na trí phróiseas bunúsacha seo a leanas:
(1) Próiseas téimh agus galú, lena n-áirítear an próiseas imeall a athrú ó chéim chomhdhlúite go céim gáis (céim soladach nó céim leachtach → céim gáis). Tá brú gaile sáithithe éagsúil ag teochtaí difriúla ag gach substaint galú. Nuair a bhíonn comhdhúil á galú, imoibríonn a chuid comhpháirteanna, agus téann cuid acu isteach sa spás galú i stát gásach nó gal.
(2) Iompar na n-adamh nó na móilíní vaporized idir an fhoinse galú agus an tsubstráit, agus próiseas eitilte na samplaí seo san atmaisféar comhthimpeallach. Braitheann líon na n-imbhuailtí le móilíní gáis iarmharacha sa seomra folúis le linn eitilte ar ghnáthchosán saor na n-adamh galaithe agus an fad ón bhfoinse galú go dtí an tsubstráit, ar a dtugtar go minic an t-achar foinse-bun.
(3) Próiseas deascadh na n-adamh nó na móilíní galaithe ar dhromchla an tsubstráit, agus an comhdhlúthú gaile, núiclithe, fás núicléach, agus foirmiú scannán leanúnach. Ós rud é go bhfuil teocht an tsubstráit i bhfad níos ísle ná teocht an fhoinse galú, tarlóidh an próiseas aistrithe céim de na móilíní taisce ar dhromchla an tsubstráit go díreach ón gcéim gáis go dtí an chéim soladach.
Nuair a ghalaíonn substaint, tá sé tábhachtach go mbeadh a fhios agat an brú gaile sáithithe, an ráta galú, agus meánchosán saor na móilíní galaithe. Tá trí chineál foinsí galú ann.

2. Sciath sputtering folúis
Sampla le fuinneamh cinéiteach de níos mó ná cúpla céad volta leictreon nó bhíoma ian bombards an dromchla soladach, ionas go mbeidh na adamh in aice leis an dromchla soladach cuid d'fhuinneamh na gcáithníní teagmhais a fháil agus an soladach a fhágáil chun dul isteach sa bhfolús. Tugtar sputtering ar an bhfeiniméan seo. Baineann an feiniméan sputtering le próiseas scaipthe casta agus tá meicníochtaí aistrithe fuinnimh éagsúla ag gabháil leis. Creidtear go ginearálta gurb é an próiseas seo den chuid is mó an próiseas cascáide imbhuailte mar a thugtar air, is é sin, imbhuaileann na hiain teagmhais go leaisteacha leis na sprioc-adamh, ionas go bhfaighidh na sprioc-adaimh fuinneamh leordhóthanach chun an bacainn féideartha a chruthaíonn na hadaimh máguaird a shárú agus an suíomh bunaidh a fhágáil, agus imbhuaileann Adaimh eile agus in aice láimhe. Nuair a shroicheann an cascáid imbhuailte seo dromchla an sprioc-adamh ionas go bhfaighidh na hadaimh fuinneamh níos airde ná an fuinneamh ceangailteach dromchla, fágfaidh na hadaimh seo dromchla an sprioc-adamh agus cuirfidh siad isteach i bhfolús. Anois tá níos mó taighde ar bhratú sputter ná sciath sputter magnetron. Is é Magnetron sputtering ná sputtering ardluais a dhéanamh faoi bhrú íseal, agus is gá ráta ianaithe an gháis a mhéadú go héifeachtach. Trí réimse maighnéadach a thabhairt isteach ar dhromchla an sprioc-chatóide, úsáidtear an réimse maighnéadach chun na cáithníní luchtaithe a shrianadh chun an dlús plasma a mhéadú chun an ráta sputtering a mhéadú. Bain úsáid as réimse maighnéadach seachtrach chun leictreoin a ghabháil, cosán gluaiseachta na leictreon a leathnú agus a shrianadh, an ráta ianúcháin a mhéadú, agus an ráta sciath a mhéadú.

3. Cumhdach sil-leagan ceimiceach gaile
Is modh fáis ceimiceach gaile é sil-leagan ceimiceach gaile, dá ngairtear teicneolaíocht CVD (Sistiúchán Gaile Ceimiceach). Sa mhodh seo, soláthraítear an gás eiliminteach ina bhfuil comhdhúile amháin nó níos mó arb é an eilimint scannán tanaí é don tsubstráit, agus déantar an scannán tanaí riachtanach a fhoirmiú trí chéim gáis nó imoibriú ceimiceach ar dhromchla an tsubstráit trí úsáid a bhaint as foinsí fuinnimh mar théamh, plasma, solas ultraivialait nó fiú solas léasair. Ós rud é go n-úsáideann an modh CVD imoibrithe gáis éagsúla chun an scannán tanaí a ullmhú, is féidir comhdhéanamh an scannáin tanaí a rialú go treallach, ionas gur féidir go leor ábhar scannáin nua a tháirgeadh. Nuair a úsáidtear an modh CVD chun scannán tanaí a ullmhú, tá a theocht fáis i bhfad níos ísle ná pointe leá an ábhair chomhábhar scannán tanaí, tá dea-aonfhoirmeacht ag an gciseal scannán mar thoradh air sin, tá clúdach céim aige, agus tá sé oiriúnach le haghaidh foshraitheanna le cruthanna casta. Mar gheall ar a buntáistí cosúil le ráta ard sil-leagan, cúpla poll bioráin, íonacht ard, dlúthacht, agus roinnt lochtanna foirmithe criostail, tá raon feidhme an taiscthe gaile ceimiceach an-leathan. Is féidir an modh CVD a úsáid chun ábhair scannáin tiubh piezoelectric a ullmhú le dromchla dlúth, réidh, tiús 0 ～ 18μm agus feidhmíocht den scoth. Dá bhrí sin, le linn scannáin tiubh piezoelectric a ullmhú, tá an modh CVD forbartha go tapa agus tá go leor taighdeoirí glactha aige.

4. Modh glóthach réitigh nua
Is é an modh nua sol-glóthach ná an púdar ullmhaithe (comhdhéanamh céanna leis an sol) a chur leis an sol, ansin tuaslagóir orgánach áirithe a chur leis an réiteach mar scaiptheoir, cuir tuaslagóirí orgánacha eile chun slaodacht agus pH an tuaslagáin a choigeartú, agus ar deireadh, ní scaipeann creathadh ultrasonaic leanúnach na nana-púdair sa réiteach, agus ar deireadh faigheann réiteach aonfhoirmeach púdar. Déantar an scannán riachtanach a thaisceadh ar an tsubstráit tríd an modh sol-ghlóthach. Sa phróiseas sil-leagan seo, gníomhaíonn na cáithníní púdair mar chriostail síl.
Ar an mbealach seo, is féidir scannán tiubh le tiús na mílte miocrón a tháirgeadh. Seachnaíonn sé an fhadhb a bhaineann le scoilteadh nó fiú doirteadh scannáin de bharr an scannáin tiubh a ullmhaítear leis an modh traidisiúnta sol-ghlóthach. Tá na comhpháirteanna scannáin tiubh ullmhaithe measctha go haonfhoirmeach agus ard íonachta, agus ní gá shintéiriú teocht ard a bheith acu, agus tá an scannán tiubh mar thoradh air ag luí leis an bpróiseas ullmhúcháin leathsheoltóra. Agus tá an trealamh simplí, tá an costas íseal, agus is féidir an comhdhéanamh membrane a rialú, mar sin úsáidtear an modh seo níos minice faoi láthair.

5. Modh hidrothermal
Tagraíonn an modh hidrothermal d'úsáid tuaslagán uiscí mar mheán imoibrithe i soitheach imoibrithe dúnta atá déanta go speisialta (autoclave). Trí théamh an tsoithigh imoibrithe, cruthaítear timpeallacht imoibrithe ardteochta, ardbhrú, ionas go ndéantar substaintí dothuaslagtha nó dothuaslagtha de ghnáth a thuaslagadh agus a athchriostalú. Is é an scannán tiubh a ullmhaítear leis an modh seo ná roinnt comhdhúile sa chomhpháirt scannán tiubh a mheascadh go stoichiometrically a ullmhú i dtuaslagán sáithithe i meán alcaileach áirithe agus an luach PH a choigeartú. Tar éis sin, aistrítear an réiteach isteach in autoclave, agus is féidir tiús áirithe a fhás ar an tsubstráit tar éis am imoibrithe áirithe.