पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री कार्यात्मक सामग्री हैं जो यांत्रिक ऊर्जा और विद्युत ऊर्जा के बीच रूपांतरण का एहसास कराती हैं(1)

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियां कार्यात्मक सामग्रियां हैं जो यांत्रिक ऊर्जा और विद्युत ऊर्जा के बीच रूपांतरण का एहसास कराती हैं। इसके विकास का एक लंबा इतिहास है। 1880 के दशक में क्यूरी बंधुओं द्वारा क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज के बाद से, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियों ने व्यापक ध्यान आकर्षित करना शुरू कर दिया है। अनुसंधान के गहन होने के साथ, बड़ी संख्या में पीजोइलेक्ट्रिक सामग्रियां लगातार सामने आई हैं, जैसे पीजोइलेक्ट्रिक कार्यात्मक सिरेमिक सामग्री, पीजो फिल्म, पीजोइलेक्ट्रिक मिश्रित सामग्री, आदि। ये सामग्रियां पीजो सिरेमिक डिस्क के उपयोग की एक विस्तृत श्रृंखला है, और बिजली, चुंबकत्व, ध्वनि, प्रकाश, गर्मी, आर्द्रता, गैस और बल जैसे कार्यात्मक रूपांतरण उपकरणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

पीवीडीएफ पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म

पीवीडीएफ पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म है। 1969 में, जापानियों ने पॉलिमर सामग्री पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड पॉलिमर) की खोज की, जिसे पीवीडीएफ कहा जाता है, जिसका बहुत मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है। पीवीडीएफ फिल्म में मुख्य रूप से दो क्रिस्टल प्रकार होते हैं, अर्थात् α प्रकार और β प्रकार। α प्रकार के क्रिस्टल में पीजोइलेक्ट्रिसिटी नहीं होती है, लेकिन PVDF फिल्म को रोल करने और खींचने के बाद, फिल्म में मूल α प्रकार का क्रिस्टल β प्रकार की क्रिस्टल संरचना बन जाता है। जब खिंची हुई और ध्रुवीकृत पीवीडीएफ फिल्म एक निश्चित दिशा में बाहरी बल या विरूपण के अधीन होती है, तो सामग्री की ध्रुवीकृत सतह एक निश्चित विद्युत आवेश, अर्थात् पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव उत्पन्न करेगी। पीजो सिरेमिक डिस्क क्रिस्टल.

पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की तुलना में, पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों के निम्नलिखित फायदे हैं:

(1) हल्का वजन, इसका घनत्व आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पीजेडटी का केवल एक चौथाई है, मापने वाली वस्तु पर चिपकाए जाने से मूल संरचना पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, उच्च लोचदार लचीलापन, किसी भी मापने वाली सतह को एक विशिष्ट आकार में संसाधित किया जा सकता है, उच्च यांत्रिक शक्ति और प्रभाव प्रतिरोध के साथ पूरी तरह से फिट होता है;

(2) उच्च वोल्टेज आउटपुट, समान तनाव स्थितियों के तहत, आउटपुट वोल्टेज पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक से 10 गुना अधिक है;

(3) उच्च ढांकता हुआ ताकत मजबूत विद्युत क्षेत्र (75V/um) के प्रभाव का सामना कर सकती है, इस समय अधिकांश पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को विध्रुवित किया गया है;

(4) ध्वनिक प्रतिबाधा कम है, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पीजेडटी का केवल दसवां हिस्सा, पानी, मानव ऊतक और चिपचिपे शरीर के करीब;

(5) आवृत्ति प्रतिक्रिया व्यापक है, और इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रभाव को 10-3 हर्ट्ज से 109 में परिवर्तित किया जा सकता है, और कंपन मोड सरल है।

इसलिए, तनाव और तनाव को यांत्रिकी में मापा जा सकता है, एक्सेलेरोमीटर और कंपन मोडल सेंसर को कंपन में बनाया जा सकता है, ध्वनिक विकिरण मोडल सेंसर और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर को ध्वनिक रूप से बनाया जा सकता है और सक्रिय नियंत्रण में उपयोग किया जा सकता है, और रोबोट अनुसंधान में उपयोग किया जा सकता है एक स्पर्श सेंसर के रूप में उपयोग किया जाता है, चिकित्सा और वाहन वजन माप में भी अनुप्रयोग होता है,

वर्तमान में, पतली फिल्म सामग्री पर अनुसंधान विभिन्न दिशाओं, उच्च प्रदर्शन, नई प्रक्रियाओं आदि में विकसित हो रहा है, और इसका मूल अनुसंधान आणविक स्तर, परमाणु स्तर, नैनो स्तर, मेसोस्कोपिक संरचना आदि में भी गहरा है, इसलिए कार्यात्मक पतली फिल्म सामग्री का अनुसंधान बहुत महत्वपूर्ण है।

पीजो फिल्म गुण

1. ढांकता हुआ स्थिरांक

यद्यपि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म एक एकल क्रिस्टल फिल्म या पसंदीदा अभिविन्यास वाली पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्म है, लेकिन इसमें परमाणु पैकिंग क्रिस्टल की तरह कड़ी और व्यवस्थित नहीं होती है, इसलिए पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म का ढांकता हुआ निरंतर मूल्य क्रिस्टल के मूल्य से भिन्न होता है। इसके अलावा, पतली फिल्मों में अक्सर पाए जाने वाले बड़े अवशिष्ट आंतरिक तनाव और माप के कारण भी होते हैं, जिसके कारण पतली फिल्म का ढांकता हुआ निरंतर मूल्य क्रिस्टल के संबंधित मूल्य से भिन्न होता है।

मौजूदा अध्ययनों से पता चला है कि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म का ढांकता हुआ स्थिरांक न केवल क्रिस्टल अभिविन्यास से संबंधित है, बल्कि परीक्षण स्थितियों पर भी निर्भर करता है। पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म के ढांकता हुआ स्थिरांक में काफी फैलाव होता है। आंतरिक तनाव और परीक्षण स्थितियों में अंतर के अलावा, आमतौर पर माना जाता है कि फिल्म की मोटाई के साथ रासायनिक संरचना अनुपात और फिल्म संरचना की मोटाई के बीच का अंतर कम हो जाता है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म का ढांकता हुआ स्थिरांक भी तापमान और आवृत्ति के परिवर्तन के साथ महत्वपूर्ण रूप से बदल जाएगा।

2. वॉल्यूम प्रतिरोधकता

पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की ढांकता हुआ हानि और विश्राम आवृत्ति को कम करने के दृष्टिकोण से, यह उम्मीद की जाती है कि इसमें उच्च प्रतिरोधकता हो, कम से कम ρv≥108Ω•cm। AlN फिल्म की प्रतिरोधकता 2×1014~1×1015Ω·cm है, जो 108Ω·cm से काफी अधिक है, इसलिए इस संबंध में AlN एक बहुत ही उत्कृष्ट फिल्म है। इसके अलावा, तापमान के साथ AlN पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों की विद्युत चालकता में परिवर्तन भी 1nσ∝1/T नियम का पालन करता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले किसी भी क्रिस्टल में समरूपता का केंद्र नहीं होता है, इसलिए उनकी इलेक्ट्रॉन गतिशीलता भी अनिसोट्रोपिक होती है और उनकी विद्युत चालकता भी भिन्न होती है। सी-अक्ष दिशा के साथ एएलएन पीज़ोइलेक्ट्रिक फिल्म की विद्युत चालकता सी-अक्ष की लंबवत दिशा से भिन्न होती है। पहला परिमाण लगभग 1 से 2 ऑर्डर छोटा है।

3. हानि कोण स्पर्शरेखा

AlN पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म का ढांकता हुआ नुकसान स्पर्शरेखा tanδ=0.003～0.005 है, और ZnO फिल्म का tanδ बड़ा है, जो 0.005～0.01 है। इन फिल्मों का टैनδ इतना बड़ा होने का कारण यह है कि संचालन प्रक्रिया के अलावा, इन फिल्मों में महत्वपूर्ण विश्राम घटनाएँ भी होती हैं। ढांकता हुआ पतली फिल्म के समान, पीजोइलेक्ट्रिक मोटी फिल्म का टैन δ तापमान और आवृत्ति में वृद्धि और आर्द्रता में वृद्धि के साथ धीरे-धीरे बढ़ता है। इसके अलावा, जैसे-जैसे फिल्म की मोटाई घटती है, टैन δ बढ़ने लगता है। जाहिर है, तापमान के साथ tanδ में वृद्धि चालन में वृद्धि और आराम करने वालों में वृद्धि के कारण होती है। यह आवृत्ति के साथ बढ़ता है क्योंकि समय में विश्राम के समय की संख्या बढ़ती है।

4. टूटने की ताकत

क्योंकि ढांकता हुआ ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत एक ताकत पैरामीटर है, और विभिन्न दोष हैं पीजोइलेक्ट्रिक गोलार्ध ट्रांसड्यूसर फिल्म में अपरिहार्य हैं, पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की ब्रेकडाउन फील्ड ताकत काफी फैलावदार है; एक पूर्ण और अक्षुण्ण फिल्म के लिए, डाइलेक्ट्रिक्स का ब्रेकडाउन सिद्धांत, फिल्म की मोटाई कम होने के साथ ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत धीरे-धीरे बढ़नी चाहिए। लेकिन वास्तव में, क्योंकि फिल्म में कई दोष हैं, दोष का प्रभाव अधिक महत्वपूर्ण है क्योंकि मोटाई छोटी है, इसलिए जब मोटाई एक निश्चित मूल्य तक कम हो जाती है, तो फिल्म की ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत तेजी से छोटी हो जाती है। फिल्म के अपने कारण के अलावा, फिल्म की ब्रेकडाउन फील्ड ताकत भी परीक्षण के दौरान इलेक्ट्रोड के किनारे से प्रभावित होती है। चूंकि फिल्म जितनी मोटी होगी, इलेक्ट्रोड के किनारे पर विद्युत क्षेत्र उतना ही अधिक असमान होगा, इसलिए जैसे-जैसे फिल्म की मोटाई बढ़ती है, इसकी ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत धीरे-धीरे कम होती जाती है।

उपरोक्त कारकों के अलावा, ढांकता हुआ फिल्म की ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत भी फिल्म संरचना पर निर्भर करती है। पीज़ोइलेक्ट्रिक फिल्म के लिए, इसकी ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत विद्युत क्षेत्र की दिशा पर भी निर्भर करती है, यानी ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत में यह अनिसोट्रोपिक भी है। पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्म में अनाज की सीमाओं के अस्तित्व के कारण, इसकी टूटने की क्षेत्र की ताकत अनाकार फिल्म की तुलना में कम है; समान कारणों से, अभिविन्यास दिशा में अधिमान्य रूप से उन्मुख पीज़ोइलेक्ट्रिक फिल्म की ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत लंबवत दिशा की तुलना में अधिक है। ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत कम है।

अन्य ढांकता हुआ फिल्मों की तरह, पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत भी कुछ बाहरी कारकों पर निर्भर करती है, जैसे वोल्टेज तरंग, आवृत्ति, तापमान और इलेक्ट्रोड। क्योंकि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की ब्रेकडाउन फील्ड ताकत कई कारकों से संबंधित है, एक ही फिल्म के लिए, संबंधित साहित्य में बताए गए ब्रेकडाउन फील्ड ताकत मान अक्सर असंगत होते हैं, और यहां तक ​​कि काफी भिन्न भी होते हैं। उदाहरण के लिए, ZnO फिल्म की ब्रेकडाउन फील्ड ताकत 0.01 ~0.4MV/cm है, AlN फिल्म 0.5~6.0MV/cm है।

5. थोक ध्वनिक तरंग प्रदर्शन

बल्क ध्वनिक तरंग पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर के सबसे महत्वपूर्ण विशेषता पैरामीटर अनुनाद आवृत्ति f0, ध्वनिक प्रतिबाधा Za और इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक K हैं, इसलिए ध्वनि वेग υ और पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म का तापमान गुणांक, ध्वनिक प्रतिबाधा और इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक विशेष रूप से सख्त हैं। फिल्म के ये गुण न केवल फिल्म में क्रिस्टल अनाज की लोच, ढांकता हुआ, पीजोइलेक्ट्रिक और थर्मल गुणों पर निर्भर करते हैं, बल्कि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की संरचना से भी निकटता से संबंधित हैं जैसे कि अनाज की कॉम्पैक्टनेस की डिग्री और पसंदीदा अभिविन्यास की डिग्री। पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म में, क्रिस्टल अनाज के दोषों और तनाव के कारण, यह एक अच्छा एकल पीजो क्रिस्टल नहीं है, इसलिए फिल्म का भौतिक स्थिरांक क्रिस्टल मूल्य से थोड़ा अलग है।

क्योंकि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म की संरचना तैयारी प्रक्रिया से निकटता से संबंधित है, यहां तक ​​कि एक ही पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म के लिए भी, विभिन्न साहित्य में रिपोर्ट किए गए प्रदर्शन मूल्य अक्सर असंगत होते हैं। सभी अकार्बनिक अलौह पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों में, AlN फिल्म में एक बड़ा लोचदार स्थिरांक होता है, लेकिन कम घनत्व और उच्चतम ध्वनि वेग होता है। इसलिए, फिल्म यूएचएफ और माइक्रोवेव उपकरणों के लिए सबसे उपयुक्त है।

6. सतह ध्वनिक तरंग प्रदर्शन

जब सतह ध्वनिक तरंग पीजोइलेक्ट्रिक माध्यम में फैलती है, तो माध्यम की सतह से दूरी बढ़ने के साथ कण विस्थापन का आयाम तेजी से क्षीण हो जाता है, इसलिए सतह ध्वनिक तरंग ऊर्जा मुख्य रूप से सतह पर अगले दो तरंग दैर्ध्य में केंद्रित होती है।

पतली फिल्म सामग्री की सतह ध्वनिक तरंग प्रदर्शन को निम्नलिखित कार्यात्मक सूत्र के रूप में व्यक्त किया जा सकता है: सतह ध्वनिक तरंग प्रदर्शन = एफ (कच्चा माल, सब्सट्रेट, फिल्म संरचना, तरंग मोड, प्रसार दिशा, इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड फॉर्म, मोटाई तरंग संख्या उत्पाद)

इसलिए, पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म के किसी भी सतह ध्वनिक तरंग प्रदर्शन पैरामीटर को एकल मान द्वारा प्रदर्शित नहीं किया जा सकता है। पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों की एक अन्य ध्वनिक तरंग संपत्ति ट्रांसमिशन हानि है। क्योंकि पीजोइलेक्ट्रिक फिल्मों को अक्सर सतह तरंग उपकरणों में ध्वनिक ट्रांसमिशन मीडिया के रूप में उपयोग किया जाता है, ट्रांसमिशन हानि का स्रोत मुख्य रूप से पीजोइलेक्ट्रिक फिल्म और सब्सट्रेट में ध्वनिक तरंगों का बिखराव है।