I materiali piezoelettrici sono materiali funzionali che realizzano la conversione tra energia meccanica ed energia elettrica(1)

I materiali piezoelettrici sono materiali funzionali che realizzano la conversione tra energia meccanica ed energia elettrica. Il suo sviluppo ha una lunga storia. Dalla scoperta dell'effetto piezoelettrico sui cristalli di quarzo da parte dei fratelli CURIE nel 1880, i materiali piezoelettrici hanno cominciato ad attirare l'attenzione diffusa. Con l'approfondimento della ricerca, è emerso continuamente un gran numero di materiali piezoelettrici, come materiali ceramici funzionali piezoelettrici, film piezoelettrici, materiali compositi piezoelettrici, ecc. Questi materiali I dischi piezo-ceramici hanno una gamma molto ampia di usi e svolgono un ruolo importante nei dispositivi di conversione funzionale come elettricità, magnetismo, suono, luce, calore, umidità, gas e forza.

Pellicola piezoelettrica in PVDF

La pellicola piezoelettrica PVDF è una pellicola piezoelettrica di fluoruro di polivinilidene. Nel 1969, i giapponesi scoprirono il materiale polimerico polivinilidene fluoruro (polimero di polivinilidene fluoruro) denominato PVDF, che ha un effetto piezoelettrico molto forte. Il film PVDF ha principalmente due tipi di cristalli, vale a dire il tipo α e il tipo β. Il cristallo di tipo α non ha piezoelettricità, ma dopo che la pellicola di PVDF è stata arrotolata e stirata, il cristallo di tipo α originale nella pellicola diventa una struttura cristallina di tipo β. Quando il film di PVDF stirato e polarizzato è sottoposto a forza esterna o deformazione in una certa direzione, la superficie polarizzata del materiale genererà una certa carica elettrica, vale a dire l'effetto piezoelettrico cristallo piezoelettrico del disco ceramico.

Rispetto alle ceramiche piezoelettriche e ai cristalli piezoelettrici, le pellicole piezoelettriche presentano i seguenti vantaggi:

(1) Leggero, la sua densità è solo un quarto del PZT ceramico piezoelettrico comunemente usato, incollato sull'oggetto di misura non ha quasi alcun effetto sulla struttura originale, elevata flessibilità elastica, può essere trasformato in una forma specifica può essere qualsiasi superficie di misura è completamente adattata, con elevata resistenza meccanica e resistenza agli urti;

(2) Uscita ad alta tensione, nelle stesse condizioni di stress, la tensione di uscita è 10 volte superiore rispetto alla ceramica piezoelettrica;

(3) L'elevata rigidità dielettrica può resistere all'effetto di un forte campo elettrico (75 V/um), in questo momento la maggior parte delle ceramiche piezoelettriche sono state depolarizzate;

(4) L'impedenza acustica è bassa, solo un decimo del PZT ceramico piezoelettrico, vicino all'acqua, ai tessuti umani e al corpo viscoso;

(5) La risposta in frequenza è ampia e l'effetto elettromeccanico può essere convertito da 10-3 Hz a 109 e la modalità di vibrazione è semplice.

Pertanto, stress e deformazione possono essere misurati in meccanica, accelerometri e sensori modali di vibrazione possono essere realizzati in vibrazione, sensori modali di radiazione acustica e trasduttori ultrasonici possono essere realizzati acusticamente e utilizzati nel controllo attivo e possono essere utilizzati nella ricerca sui robot Utilizzato come sensore tattile, ha anche applicazioni nella misurazione medica e del peso dei veicoli,

Allo stato attuale, la ricerca sui materiali a film sottile si sta sviluppando in varie direzioni, alte prestazioni, nuovi processi, ecc., E la sua ricerca di base è profonda anche a livello molecolare, atomico, nanometrico, struttura mesoscopica, ecc., quindi la ricerca di materiali funzionali a film sottile è di grande importanza.

Proprietà del film piezoelettrico

1. Costante dielettrica

Sebbene il film piezoelettrico sia un film a cristallo singolo o un film policristallino con orientamento preferito, l'impaccamento atomico in esso non è così stretto e ordinato come in un cristallo, quindi il valore della costante dielettrica del film piezoelettrico è diverso dal valore del cristallo. In aggiunta a ciò, ci sono anche grandi tensioni interne residue spesso presenti nei film sottili e ragioni per la misurazione, che fanno sì che il valore della costante dielettrica del film sottile sia diverso dal valore corrispondente del cristallo.

Gli studi esistenti hanno dimostrato che la costante dielettrica del film piezoelettrico non è solo correlata all'orientamento del cristallo, ma dipende anche dalle condizioni di prova. La costante dielettrica del film piezoelettrico ha una notevole dispersione. Oltre alla differenza nello stress interno e nelle condizioni di prova, si ritiene generalmente che la differenza tra il rapporto di composizione chimica e lo spessore della pellicola della composizione della pellicola diminuisca con lo spessore della pellicola. Inoltre, anche la costante dielettrica del film piezoelettrico cambierà in modo significativo con il cambiamento di temperatura e frequenza.

2. Resistività del volume

Dal punto di vista della riduzione della perdita dielettrica e della frequenza di rilassamento del film piezoelettrico, si prevede che abbia un'elevata resistività, almeno ρv≥108Ω•cm. La resistività della pellicola AlN è 2×1014~1×1015Ω·cm, che è molto superiore a 108Ω·cm, quindi sotto questo aspetto AlN è una pellicola davvero eccellente. Inoltre, anche la variazione della conduttività elettrica dei film piezoelettrici AlN con la temperatura segue la legge 1nσ∝1/T. Nessuno dei cristalli con effetto piezoelettrico ha un centro di simmetria, quindi anche la loro mobilità elettronica è anisotropa e anche la loro conduttività elettrica è diversa. La conduttività elettrica del film piezoelettrico AlN lungo la direzione dell'asse C è diversa dalla direzione perpendicolare all'asse C. Il primo è circa 1 o 2 ordini di grandezza più piccolo.

3. Tangente dell'angolo di perdita

La tangente di perdita dielettrica del film piezoelettrico AlN è tanδ=0,003～0,005 e il tanδ del film ZnO è maggiore, ovvero 0,005～0,01. Il motivo per cui il tanδ di questi film è così grande è che oltre al processo di conduttanza, questi film presentano anche significativi fenomeni di rilassamento. Similmente al film sottile dielettrico, il tan δ del film spesso piezoelettrico aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura, della frequenza e dell'umidità. Inoltre, al diminuire dello spessore del film, il tan δ tende ad aumentare. Ovviamente l'aumento del tanδ con la temperatura è dovuto all'aumento della conduttanza e all'aumento dei rilassanti. Aumenta con la frequenza perché aumenta il numero dei tempi di rilassamento nel tempo.

4. Resistenza alla rottura

Poiché l'intensità del campo di rottura dielettrica è un parametro di intensità e vari difetti i trasduttori piezoelettrici dell'emisfero sono inevitabili nel film, l'intensità del campo di rottura del film piezoelettrico è piuttosto dispersiva; la teoria della rottura dei dielettrici, per un film completo e intatto, l'intensità del campo di rottura dovrebbe aumentare gradualmente al diminuire dello spessore del film. Ma in realtà, poiché la pellicola contiene molti difetti, l'effetto del difetto è tanto più significativo quanto più lo spessore è minore, quindi quando lo spessore viene ridotto a un certo valore, l'intensità del campo di rottura della pellicola diventa nettamente inferiore. Durante il test, oltre alla causa propria della pellicola, l'intensità del campo di rottura della pellicola viene influenzata anche dal bordo dell'elettrodo. Poiché quanto più spesso è il film, tanto più irregolare è il campo elettrico sul bordo dell'elettrodo, quindi all'aumentare dello spessore del film, la sua intensità del campo di rottura diminuisce gradualmente.

Oltre ai fattori sopra menzionati, l'intensità del campo di rottura del film dielettrico dipende anche dalla struttura del film. Per il film piezoelettrico, l'intensità del campo di rottura dipende anche dalla direzione del campo elettrico, cioè è anche anisotropa nell'intensità del campo di rottura. A causa dell'esistenza dei bordi dei grani nel film policristallino, la sua intensità del campo di rottura è inferiore a quella del film amorfo; per ragioni simili, l'intensità del campo di rottura della pellicola piezoelettrica orientata preferenzialmente nella direzione di orientamento è maggiore di quella nella direzione perpendicolare. L'intensità del campo di rottura è inferiore.

Come altri film dielettrici, l'intensità del campo di rottura del film piezoelettrico dipende anche da alcuni fattori esterni, come la forma d'onda della tensione, la frequenza, la temperatura e gli elettrodi. Poiché l'intensità del campo di rottura del film piezoelettrico è correlata a molti fattori, per lo stesso film i valori dell'intensità del campo di rottura riportati nella letteratura pertinente sono spesso incoerenti e variano anche notevolmente. Ad esempio, l'intensità del campo di rottura della pellicola di ZnO è 0,01 ~ 0,4 MV/cm, la pellicola di AlN è 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Prestazioni di onde acustiche in serie

I parametri caratteristici più importanti dei trasduttori piezoelettrici di onde acustiche sfuse sono la frequenza di risonanza f0, l'impedenza acustica Za e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K, quindi la velocità del suono υ e il coefficiente di temperatura del film piezoelettrico, l'impedenza acustica e il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico sono particolarmente severi. Queste proprietà del film non dipendono solo dall'elasticità, dalle proprietà dielettriche, piezoelettriche e termiche dei grani di cristallo nel film, ma sono anche strettamente correlate alla struttura del film piezoelettrico come il grado di compattezza dei grani e il grado di orientamento preferito. Nel film piezoelettrico, a causa dei difetti e della tensione della grana del cristallo, non è un buon cristallo piezoelettrico singolo, quindi la costante fisica del film è leggermente diversa dal valore del cristallo.

Poiché la struttura del film piezoelettrico è strettamente correlata al processo di preparazione, anche per lo stesso film piezoelettrico, i valori prestazionali riportati nelle varie letterature sono spesso incoerenti. Tra tutti i film piezoelettrici inorganici non ferrosi, il film AlN ha una grande costante elastica, ma una bassa densità e la massima velocità del suono. Pertanto, la pellicola è più adatta per dispositivi UHF e a microonde.

6. Prestazioni delle onde acustiche superficiali

Quando l'onda acustica superficiale si propaga nel mezzo piezoelettrico, la sua ampiezza di spostamento delle particelle si attenua rapidamente all'aumentare della distanza dalla superficie del mezzo, quindi l'energia dell'onda acustica superficiale è concentrata principalmente nelle due lunghezze d'onda successive sulla superficie.

Le prestazioni delle onde acustiche superficiali dei materiali a film sottile possono essere espresse come la seguente formula funzionale: prestazioni delle onde acustiche superficiali = F (materia prima, substrato, struttura del film, modalità d'onda, direzione di propagazione, forma dell'elettrodo interdigitato, prodotto del numero d'onda dello spessore)

Pertanto, qualsiasi parametro relativo alle prestazioni delle onde acustiche superficiali del film piezoelettrico non può essere rappresentato da un singolo valore. Un'altra proprietà delle onde acustiche delle pellicole piezoelettriche è la perdita di trasmissione. Poiché le pellicole piezoelettriche vengono spesso utilizzate come mezzo di trasmissione acustica nei dispositivi a onde superficiali, la fonte della perdita di trasmissione è principalmente la dispersione delle onde acustiche nella pellicola piezoelettrica e nel substrato.