Bahan piezoelektrik merupakan bahan fungsional yang mewujudkan konversi antara energi mekanik dan energi listrik(1)

Bahan piezoelektrik merupakan bahan fungsional yang mewujudkan konversi antara energi mekanik dan energi listrik. Perkembangannya mempunyai sejarah yang panjang. Sejak ditemukannya efek piezoelektrik pada kristal kuarsa oleh CURIE bersaudara pada tahun 1880an, bahan piezoelektrik mulai menarik perhatian luas. Dengan pendalaman penelitian, sejumlah besar material piezoelektrik terus bermunculan, seperti material keramik fungsional piezoelektrik, film piezo, material komposit piezoelektrik, dll. Cakram keramik piezo memiliki kegunaan yang sangat luas, dan berperan penting dalam perangkat konversi fungsional seperti listrik, magnet, suara, cahaya, panas, kelembapan, gas, dan gaya.

Film piezoelektrik PVDF

Film piezoelektrik PVDF adalah film piezoelektrik polivinilidena fluorida. Pada tahun 1969, orang Jepang menemukan bahan polimer polivinilidena fluorida (polivinilidena fluorida polimer) yang disebut PVDF, yang memiliki efek piezoelektrik yang sangat kuat. Film PVDF terutama memiliki dua tipe kristal, yaitu tipe α dan tipe β. Kristal tipe α tidak memiliki piezoelektrik, tetapi setelah film PVDF digulung dan diregangkan, kristal tipe α asli dalam film tersebut menjadi struktur kristal tipe β. Ketika film PVDF yang diregangkan dan terpolarisasi terkena gaya luar atau deformasi dalam arah tertentu, maka permukaan material yang terpolarisasi akan menghasilkan muatan listrik tertentu, yaitu efek piezoelektrik. kristal cakram keramik piezo.

Dibandingkan dengan keramik piezoelektrik dan kristal piezoelektrik, film piezoelektrik memiliki keunggulan sebagai berikut:

(1) Ringan, kepadatannya hanya seperempat dari PZT keramik piezoelektrik yang biasa digunakan, ditempelkan pada benda ukur hampir tidak berpengaruh pada struktur aslinya, fleksibilitas elastis tinggi, dapat diolah menjadi bentuk tertentu dapat berupa permukaan pengukuran yang dipasang sepenuhnya, dengan kekuatan mekanik yang tinggi dan ketahanan benturan;

(2) Keluaran tegangan tinggi, dalam kondisi tegangan yang sama, tegangan keluaran 10 kali lebih tinggi dari keramik piezoelektrik;

(3) Kekuatan dielektrik yang tinggi dapat menahan pengaruh medan listrik yang kuat (75V/um), saat ini sebagian besar keramik piezoelektrik telah terdepolarisasi;

(4) Impedansi akustiknya rendah, hanya sepersepuluh dari PZT keramik piezoelektrik, dekat dengan air, jaringan manusia, dan tubuh kental;

(5) Respon frekuensinya lebar, dan efek elektromekanis dapat diubah dari 10-3Hz menjadi 109, dan mode getarannya sederhana.

Oleh karena itu, tegangan dan regangan dapat diukur secara mekanik, akselerometer dan sensor modal getaran dapat dibuat dalam getaran, sensor modal radiasi akustik dan transduser ultrasonik dapat dibuat secara akustik dan digunakan dalam kontrol aktif, dan dapat digunakan dalam penelitian robot. Digunakan sebagai sensor taktil, juga memiliki aplikasi dalam pengukuran berat medis dan kendaraan,

Saat ini, penelitian tentang bahan film tipis sedang berkembang ke berbagai arah, kinerja tinggi, proses baru, dll., dan penelitian dasarnya juga mendalam pada tingkat molekuler, tingkat atom, tingkat nano, struktur mesoskopik, dll., sehingga penelitian bahan film tipis fungsional sangat penting.

Properti film piezo

1. Konstanta dielektrik

Meskipun film piezoelektrik adalah film kristal tunggal atau film polikristalin dengan orientasi yang disukai, namun kemasan atom di dalamnya tidak seketat dan teratur seperti pada kristal, sehingga nilai konstanta dielektrik film piezoelektrik berbeda dengan nilai kristal. Selain itu, terdapat juga tegangan internal sisa yang besar yang sering ditemukan pada film tipis dan alasan pengukurannya, yang juga menyebabkan nilai konstanta dielektrik film tipis berbeda dari nilai kristal yang sesuai.

Penelitian yang ada menunjukkan bahwa konstanta dielektrik film piezoelektrik tidak hanya berhubungan dengan orientasi kristal, tetapi juga tergantung pada kondisi pengujian. Konstanta dielektrik film piezoelektrik memiliki dispersi yang cukup besar. Selain perbedaan tegangan internal dan kondisi pengujian, perbedaan antara rasio komposisi kimia dan ketebalan film dari komposisi film umumnya diyakini menurun seiring dengan ketebalan film. Selain itu, konstanta dielektrik film piezoelektrik juga akan berubah secara signifikan seiring dengan perubahan suhu dan frekuensi.

2. Resistivitas volume

Dari segi pengurangan kerugian dielektrik dan frekuensi relaksasi film piezoelektrik, diharapkan memiliki resistivitas yang tinggi, setidaknya ρv≥108Ω•cm. Resistivitas film AlN adalah 2×1014~1×1015Ω·cm, yang jauh lebih tinggi dari 108Ω·cm, jadi dalam hal ini, AlN adalah film yang sangat unggul. Selain itu, perubahan konduktivitas listrik film piezoelektrik AlN terhadap suhu juga mengikuti hukum 1nσ∝1/T. Tidak ada satu pun kristal dengan efek piezoelektrik yang memiliki pusat simetri, sehingga mobilitas elektronnya juga anisotropik dan konduktivitas listriknya juga berbeda. Konduktivitas listrik film piezoelektrik AlN sepanjang arah sumbu C berbeda dengan arah tegak lurus sumbu C. Yang pertama berukuran sekitar 1 hingga 2 kali lipat lebih kecil.

3. Garis singgung sudut rugi

Tangen rugi-rugi dielektrik film piezoelektrik AlN adalah tanδ=0,003～0,005, dan tanδ film ZnO lebih besar yaitu 0,005～0,01. Alasan mengapa tanδ pada film-film ini begitu besar adalah karena selain proses konduktansi, film-film ini juga mempunyai fenomena relaksasi yang signifikan. Mirip dengan film tipis dielektrik, tan δ dari film tebal piezoelektrik meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan suhu dan frekuensi serta peningkatan kelembaban. Selain itu, seiring dengan berkurangnya ketebalan film, tan δ cenderung meningkat. Jelasnya, peningkatan tanδ seiring dengan suhu disebabkan oleh peningkatan konduktansi dan peningkatan relaksor. Ini meningkat seiring frekuensi karena jumlah waktu relaksasi seiring waktu meningkat.

4. Kekuatan kerusakan

Karena kuat medan tembus dielektrik merupakan parameter kekuatan, dan berbagai cacatnya transduser belahan piezoelektrik tidak dapat dihindari dalam film, kekuatan medan kerusakan film piezoelektrik cukup dispersif; teori kerusakan dielektrik, untuk film yang lengkap dan utuh, kekuatan medan kerusakan akan meningkat secara bertahap seiring dengan berkurangnya ketebalan film. Namun nyatanya, karena film mengandung banyak cacat, maka pengaruh cacat tersebut semakin besar seiring dengan semakin kecilnya ketebalan, sehingga ketika ketebalan dikurangi hingga nilai tertentu, kekuatan medan tembus film menjadi jauh lebih kecil. Selain penyebab film itu sendiri, kekuatan medan tembus film juga dipengaruhi oleh tepi elektroda selama pengujian. Karena semakin tebal film, semakin tidak merata medan listrik di tepi elektroda, sehingga dengan meningkatnya ketebalan film, kekuatan medan tembusnya secara bertahap menurun.

Selain faktor-faktor di atas, kuat medan tembus film dielektrik juga bergantung pada struktur film. Untuk film piezoelektrik, kuat medan tembusnya juga bergantung pada arah medan listrik, yaitu kuat medan tembusnya juga anisotropik. Karena adanya batas butir pada film polikristalin, kekuatan medan pecahnya lebih rendah dibandingkan film amorf; untuk alasan yang sama, kuat medan tembus film piezoelektrik yang berorientasi preferensial pada arah orientasi lebih tinggi dibandingkan pada arah tegak lurus. Kuat medan tembusnya lebih rendah.

Seperti film dielektrik lainnya, kekuatan medan tembus film piezoelektrik juga bergantung pada beberapa faktor eksternal, seperti bentuk gelombang tegangan, frekuensi, suhu, dan elektroda. Karena kekuatan medan tembus film piezoelektrik berkaitan dengan banyak faktor, untuk film yang sama, nilai kekuatan medan tembus yang dilaporkan dalam literatur terkait seringkali tidak konsisten, dan bahkan sangat bervariasi. Misalnya, kekuatan medan tembus film ZnO adalah 0,01 ~0,4MV/cm, film AlN adalah 0,5~6,0MV/cm.

5. Kinerja gelombang akustik massal

Parameter karakteristik yang paling penting dari transduser piezoelektrik gelombang akustik massal adalah frekuensi resonansi f0, impedansi akustik Za, dan koefisien kopling elektromekanis K, sehingga kecepatan suara υ dan koefisien suhu film piezoelektrik, impedansi akustik, dan koefisien kopling elektromekanis sangat ketat. Sifat-sifat film ini tidak hanya bergantung pada sifat elastisitas, dielektrik, piezoelektrik, dan termal butiran kristal dalam film, tetapi juga berkaitan erat dengan struktur film piezoelektrik seperti derajat kekompakan butiran dan derajat orientasi yang disukai. Dalam film piezoelektrik, karena cacat dan regangan butiran kristal, ini bukan kristal piezo tunggal yang baik, sehingga konstanta fisik film sedikit berbeda dari nilai kristal.

Karena struktur film piezoelektrik berkaitan erat dengan proses persiapan, bahkan untuk film piezoelektrik yang sama, nilai kinerja yang dilaporkan dalam berbagai literatur seringkali tidak konsisten. Di antara semua film piezoelektrik non-ferrous anorganik, film AlN memiliki konstanta elastis yang besar, tetapi densitas rendah dan kecepatan suara tertinggi. Oleh karena itu, film ini paling cocok untuk perangkat UHF dan microwave.

6. Kinerja gelombang akustik permukaan

Ketika gelombang akustik permukaan merambat dalam media piezoelektrik, amplitudo perpindahan partikelnya melemah dengan cepat seiring bertambahnya jarak dari permukaan medium, sehingga energi gelombang akustik permukaan terutama terkonsentrasi pada dua panjang gelombang berikutnya di permukaan.

Kinerja gelombang akustik permukaan bahan film tipis dapat dinyatakan sebagai rumus fungsional berikut:kinerja gelombang akustik permukaan = F (bahan mentah, substrat, struktur film, mode gelombang, arah rambat, bentuk elektroda interdigitasi, produk nomor gelombang ketebalan)

Oleh karena itu, parameter kinerja gelombang akustik permukaan film piezoelektrik tidak dapat diwakili oleh nilai tunggal. Sifat gelombang akustik lain dari film piezoelektrik adalah kehilangan transmisi. Karena film piezoelektrik sering digunakan sebagai media transmisi akustik pada perangkat gelombang permukaan, sumber kehilangan transmisi terutama adalah hamburan gelombang akustik pada film piezoelektrik dan substrat.