Piezoelektrični materijali su funkcionalni materijali koji ostvaruju pretvorbu između mehaničke energije i električne energije(1)

Piezoelektrični materijali su funkcionalni materijali koji ostvaruju pretvorbu između mehaničke energije i električne energije. Njegov razvoj ima dugu povijest. Od otkrića piezoelektričnog učinka na kvarcnim kristalima od strane braće CURIE 1880-ih, piezoelektrični materijali počeli su privlačiti široku pozornost. S produbljivanjem istraživanja kontinuirano se pojavljuje veliki broj piezoelektričnih materijala, kao što su piezoelektrični funkcionalni keramički materijali, piezo film, piezoelektrični kompozitni materijali itd. Ovi materijali piezo keramički disk ima vrlo širok raspon upotrebe i igra važnu ulogu u funkcionalnim uređajima za pretvorbu kao što su električna energija, magnetizam, zvuk, svjetlost, toplina, vlaga, plin i sila.

PVDF piezoelektrični film

PVDF piezoelektrični film je poliviniliden fluoridni piezoelektrični film. Japanci su 1969. godine otkrili polimerni materijal poliviniliden fluorid (polyvinyliden fluoride polymer) nazvan PVDF, koji ima vrlo jak piezoelektrični učinak. PVDF film uglavnom ima dvije vrste kristala, naime, tip α i tip β. Kristal tipa α nema piezoelektricitet, ali nakon što se PVDF film smota i razvuče, originalni kristal tipa α u filmu postaje kristalna struktura tipa β. Kada se rastegnuti i polarizirani PVDF film podvrgne vanjskoj sili ili deformaciji u određenom smjeru, polarizirana površina materijala će generirati određeni električni naboj, odnosno piezoelektrični učinak piezo keramički disk kristal.

U usporedbi s piezoelektričnom keramikom i piezoelektričnim kristalima, piezoelektrični filmovi imaju sljedeće prednosti:

(1) Mala težina, njegova gustoća je samo četvrtina uobičajeno korištene piezoelektrične keramike PZT, zalijepljena na mjerni objekt nema gotovo nikakvog utjecaja na izvornu strukturu, visoka elastična fleksibilnost, može se obraditi u određeni oblik bilo koja mjerna površina može biti potpuno opremljena, s visokom mehaničkom čvrstoćom i otpornošću na udarce;

(2) Izlaz visokog napona, pod istim uvjetima naprezanja, izlazni napon je 10 puta veći od piezoelektrične keramike;

(3) Visoka dielektrična čvrstoća može izdržati učinak jakog električnog polja (75 V/um), u ovom trenutku većina piezoelektrične keramike je depolarizirana;

(4) akustična impedancija je niska, samo jedna desetina piezoelektrične keramike PZT, blizu vode, ljudskog tkiva i viskoznog tijela;

(5) Frekvencijski odziv je širok, a elektromehanički učinak može se pretvoriti s 10-3Hz na 109, a način vibracije je jednostavan.

Stoga se naprezanje i naprezanje mogu mjeriti u mehanici, akcelerometri i vibracijski modalni senzori mogu se izraditi u vibraciji, modalni senzori akustičnog zračenja i ultrazvučni pretvornici mogu se izraditi akustički i koristiti u aktivnoj kontroli, a mogu se koristiti u istraživanju robota. Koristi se kao taktilni senzor, također ima primjenu u medicini i mjerenju težine vozila,

Trenutačno se istraživanje tankoslojnih materijala razvija u različitim smjerovima, visoke performanse, novi procesi itd., a njegova osnovna istraživanja su također duboko na molekularnoj razini, atomskoj razini, nano razini, mezoskopskoj strukturi itd., tako da je istraživanje funkcionalnih tankoslojnih materijala od velikog značaja.

Svojstva piezo filma

1. Dielektrična konstanta

Iako je piezoelektrični film monokristalni film ili polikristalni film s preferiranom orijentacijom, atomsko pakiranje u njemu nije tako čvrsto i uređeno kao u kristalu, tako da se vrijednost dielektrične konstante piezoelektričnog filma razlikuje od vrijednosti kristala. Osim toga, postoje i velika zaostala unutarnja naprezanja koja se često nalaze u tankim filmovima i razlozi za mjerenje, koji također uzrokuju da se vrijednost dielektrične konstante tankog filma razlikuje od odgovarajuće vrijednosti kristala.

Postojeća istraživanja su pokazala da dielektrična konstanta piezoelektričnog filma nije povezana samo s orijentacijom kristala, već ovisi i o uvjetima ispitivanja. Dielektrična konstanta piezoelektričnog filma ima znatnu disperziju. Osim razlike u unutarnjem naprezanju i uvjetima ispitivanja, općenito se vjeruje da se razlika između omjera kemijskog sastava i debljine filma sastava filma smanjuje s debljinom filma. Osim toga, dielektrična konstanta piezoelektričnog filma također će se značajno promijeniti s promjenom temperature i frekvencije.

2. Volumni otpor

Iz perspektive smanjenja dielektričnog gubitka i frekvencije opuštanja piezoelektričnog filma, očekuje se da ima visoku otpornost, najmanje ρv≥108Ω•cm. Otpornost AlN filma je 2×1014~1×1015Ω·cm, što je puno više od 108Ω·cm, tako da je u tom pogledu AlN vrlo izvrstan film. Osim toga, promjena električne vodljivosti AlN piezoelektričnih filmova s ​​temperaturom također slijedi zakon 1nσ∝1/T. Niti jedan od kristala s piezoelektričnim učinkom nema središte simetrije, pa je njihova pokretljivost elektrona također anizotropna, a električna vodljivost također različita. Električna vodljivost AlN piezoelektričnog filma duž smjera C-osi razlikuje se od smjera okomitog na C-os. Prvi je otprilike 1 do 2 reda veličine manji.

3. Tangens kuta gubitka

Tangens dielektričnog gubitka AlN piezoelektričnog filma je tanδ=0,003～0,005, a tanδ ZnO filma je veći, što je 0,005～0,01. Razlog zašto je tanδ ovih filmova tako velik je taj što osim procesa vodljivosti, ovi filmovi također imaju značajan fenomen relaksacije. Slično dielektričnom tankom filmu, tan δ piezoelektričnog debelog filma postupno raste s porastom temperature i frekvencije te porastom vlažnosti. Osim toga, kako se debljina filma smanjuje, tan δ ima tendenciju povećanja. Očito je povećanje tanδ s temperaturom posljedica povećanja vodljivosti i povećanja relaksora. Povećava se s učestalošću jer se povećava broj vremena opuštanja u vremenu.

4. Probojna čvrstoća

Budući da je jakost polja dielektričnog proboja parametar čvrstoće, a različiti nedostaci piezoelektrični pretvarač hemisfere neizbježan je u filmu, jakost polja proboja piezoelektričnog filma prilično je disperzivna; Teorija proboja dielektrika, za potpuni i netaknuti film, Snaga polja proboja trebala bi postupno rasti kako se debljina filma smanjuje. Ali zapravo, budući da film sadrži mnogo nedostataka, učinak nedostatka je značajniji što je debljina manja, pa kad se debljina smanji na određenu vrijednost, jakost polja proboja filma postaje naglo manja. Osim vlastitog uzroka filma, na jakost polja proboja filma također utječe rub elektrode tijekom ispitivanja. Budući da što je film deblji, električno polje na rubu elektrode je neravnomjernije, pa kako se debljina filma povećava, jakost njegovog probojnog polja postupno opada.

Uz gore navedene čimbenike, jakost probojnog polja dielektričnog filma također ovisi o strukturi filma. Za piezoelektrični film, njegova jakost probojnog polja također ovisi o smjeru električnog polja, odnosno također je anizotropna u jakosti probojnog polja. Zbog postojanja granica zrna u polikristalnom filmu, njegova jakost probojnog polja niža je nego kod amorfnog filma; iz sličnih razloga, jakost probojnog polja preferirano orijentiranog piezoelektričnog filma u smjeru orijentacije veća je od one u okomitom smjeru. Jakost probojnog polja je manja.

Poput drugih dielektričnih filmova, jakost probojnog polja piezoelektričnog filma također ovisi o nekim vanjskim čimbenicima, kao što su valni oblik napona, frekvencija, temperatura i elektrode. Budući da je jakost probojnog polja piezoelektričnog filma povezana s mnogim čimbenicima, za isti film, vrijednosti jakosti probojnog polja navedene u relevantnoj literaturi često su nedosljedne, pa čak i jako variraju. Na primjer, jakost polja proboja ZnO filma je 0,01 ~ 0,4 MV/cm, AlN filma je 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Izvedba masovnog akustičnog vala

Najvažniji karakteristični parametri piezoelektričnih pretvornika sa skupnim akustičnim valom su frekvencija rezonancije f0, akustična impedancija Za i koeficijent elektromehaničke sprege K, tako da su brzina zvuka υ i temperaturni koeficijent piezoelektričnog filma, akustična impedancija i koeficijent elektromehaničke sprege posebno strogi. Ova svojstva filma ne ovise samo o elastičnosti, dielektričnim, piezoelektričnim i toplinskim svojstvima kristalnih zrna u filmu, već su također usko povezana sa strukturom piezoelektričnog filma kao što je stupanj kompaktnosti zrna i stupanj željene orijentacije. U piezoelektričnom filmu, zbog nedostataka i napetosti kristalnog zrna, to nije dobar pojedinačni piezo kristal, tako da se fizička konstanta filma malo razlikuje od vrijednosti kristala.

Budući da je struktura piezoelektričnog filma usko povezana s procesom pripreme, čak i za isti piezoelektrični film, vrijednosti performansi navedene u različitim literaturama često su nedosljedne. Među svim anorganskim piezoelektričnim filmovima od obojenih metala, AlN film ima veliku konstantu elastičnosti, ali nisku gustoću i najveću brzinu zvuka. Stoga je film najprikladniji za UHF i mikrovalne uređaje.

6. Performanse površinskih akustičnih valova

Kada se površinski akustični val širi u piezoelektričnom mediju, njegova amplituda pomaka čestica brzo se smanjuje kako se udaljenost od površine medija povećava, tako da je energija površinskog akustičnog vala uglavnom koncentrirana u sljedeće dvije valne duljine na površini.

Izvedba površinskog akustičnog vala tankoslojnih materijala može se izraziti sljedećom funkcionalnom formulom: izvedba površinskog akustičnog vala = F (sirovina, podloga, struktura filma, način vala, smjer širenja, interdigitalni oblik elektrode, umnožak valnog broja debljine)

Stoga se bilo koji parametar performansi površinskog akustičnog vala piezoelektričnog filma ne može predstaviti jednom vrijednošću. Drugo svojstvo akustičnog vala piezoelektričnih filmova je gubitak prijenosa. Budući da se piezoelektrični filmovi često koriste kao mediji za akustični prijenos u uređajima s površinskim valovima, izvor gubitka prijenosa uglavnom je raspršenje akustičnih valova u piezoelektričnom filmu i supstratu.