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圧電材料は、変換を実現する機能性材料です。 機械エネルギーと電気エネルギーのその開発には長い歴史があります。 1880 年代にキュリー兄弟が水晶の圧電効果を発見して以来、圧電材料は広く注目を集めてきました。研究の深まりにより、圧電機能性セラミックス材料、圧電フィルム、圧電複合材料などの圧電材料が数多く開発され、その用途は非常に幅広く、電気、磁気、音、光、熱、湿度、ガス、力などの機能変換デバイスとして重要な役割を果たしています。
PVDF 圧電フィルム
PVDF 圧電フィルムは、ポリフッ化ビニリデンの圧電フィルムです。 1969 年に日本人は、非常に強い圧電効果を持つ PVDF と呼ばれるポリマー材料ポリフッ化ビニリデン (ポリフッ化ビニリデンポリマー) を発見しました。 PVDFフィルムには主にα型とβ型の2種類のピエゾ結晶型があります。 α型ピエゾ結晶は圧電性を持ちませんが、PVDFフィルムを圧延、延伸するとフィルム中の元々のα型結晶がβ型の結晶構造になります。延伸・分極された PVDF フィルムに外力や一定方向の変形が加わると、その分極面に 超音波レベルトランスデューサー 一定の電荷、すなわち圧電効果が発生します。
圧電セラミックスや圧電結晶と比較して、圧電フィルムには次のような利点があります。
(1) 軽量で、その密度は一般的に使用されている圧電セラミックス PZT のわずか 4 分の 1 であり、測定対象物に貼り付けると元の構造にほとんど影響を与えず、弾性柔軟性が高く、特定の形状に加工できます。測定面は完全にフィットし、高い機械的強度と耐衝撃性を備えています。
(2) 高電圧出力。同じ応力条件下で、出力電圧は圧電セラミックの 10 倍です。
(3) 強い電界 (75V/um) の影響に耐えることができる高い絶縁耐力。現時点では、ほとんどの圧電セラミックスは分極が解消されています。
(4) 音響インピーダンスが低く、圧電セラミックス PZT のわずか 10 分の 1 であり、水、人体組織、粘性体に近い。
(5) 周波数応答が広く、電気機械効果は 10-3Hz から 109 まで変換でき、振動モードは単純です。
圧電膜の特性
1. 誘電率
圧電膜は単結晶膜または優先配向した多結晶膜ですが、原子の充填が結晶ほど緻密で規則的ではないため、圧電膜の誘電率の値は結晶の値とは異なります。これに加えて、膜には大きな残留内部応力が存在することが多く、その測定の理由により、膜の誘電率値が結晶の対応する値と異なることもあります。
既存の研究では、圧電膜の誘電率が結晶配向に関係するだけでなく、試験条件にも依存することが示されています。圧電膜の誘電率には大きなばらつきがあります。内部応力や試験条件の違いに加えて、膜組成の化学組成比と膜厚の差は、一般に膜厚が増すにつれて小さくなると考えられている。薄くて小さい。さらに、圧電薄膜の誘電率も温度と周波数によって大きく変化します。
2. 体積抵抗率
圧電体膜の誘電損失や緩和周波数の低減の観点から、ρv≧108Ω・cm以上の非常に高い抵抗率を有することが期待されます。 AlN膜の抵抗値は2×1014～1×1015Ω・cmであり、108Ω・cmよりもはるかに高く、この点においてAlNは非常に優れた膜である。さらに、AlN 圧電膜の電気伝導率の温度変化も 1nσ∝1 / T の法則に従います。圧電効果を有する結晶には対称中心がないため、電子の移動度も異方性があり、電気伝導率も異なります。 ＡｌＮ圧電体膜の導電率は、Ｃ軸方向とＣ軸に垂直な方向とで異なる。前者は約 1 ～ 2 桁小さいです。
3. 損失角正接
AlN 圧電膜の誘電正接は Tanδ = 0.003 ～ 0.005 ですが、ZnO 膜の Tanδ はさらに大きく 0.005 ～ 0.01 です。これらの膜のtanδが非常に大きい理由は、これらの膜がコンダクタンス過程に加えて、顕著な緩和現象も有するためである。誘電体薄膜と同様に、圧電厚膜のtanδは、温度、周波数の上昇、湿度の上昇とともに徐々に増加します。また、膜厚が薄くなるにつれてtanδは増加する傾向にある。明らかに、温度によるtanδの増加は、コンダクタンスの増加とリラクサーの増加によるものです。時間内の緩和回数が増加するため、周波数が増加するにつれて増加します。
4.
絶縁破壊電界強度 絶縁破壊電界強度は強度パラメータに属し、膜にはさまざまな欠陥が避けられないため、圧電膜の絶縁破壊電界強度には大きなばらつきがあります。絶縁破壊理論。膜厚が減少するにつれて、破壊電界強度は徐々に増加するはずです。しかし、実際には膜には多くの欠陥が含まれているため、膜厚が薄いほど欠陥の影響が大きくなり、ある膜厚を超えると膜の破壊電界強度は急激に小さくなります。フィルムの絶縁破壊電界強度は、フィルム自体の理由に加えて、試験中の電極のエッジの影響も受けます。膜厚が厚くなると電極端の電界が不均一になるため、膜厚が厚くなると破壊電界強度は徐々に低下します。上記の要因に加えて、誘電体膜の破壊電界強度は膜構造にも依存します。圧電膜の場合、破壊電界強度は電界の方向にも依存します。つまり、破壊電界強度にも異方性があります。多結晶膜には粒界が存在するため、その破壊電界強度はアモルファス膜の破壊電界強度よりも低くなります。同様の理由で、優先配向した圧電膜の結晶粒配向方向の破壊電界強度は、垂直方向の破壊電界強度よりも高くなります。
他の誘電体フィルムと同様に、圧電体フィルムの絶縁破壊電界強度も、電圧波形、周波数、温度、電極などの外部要因に依存します。圧電膜の破壊電界強度は多くの要因に関連しているため、同じ膜の場合、関連文献で報告されている破壊電界強度の値はしばしば一貫性がなく、場合によっては大きく異なります。例えば、ZnO膜の破壊電界強度は0.01～0.4MV/cm、AlN膜の破壊電界強度は0.5～6.0MV/cmです。
5. バルク弾性波性能
バルク弾性波圧電トランスデューサの最も重要な特性パラメータは、共振周波数 f0、音響インピーダンス Za、電気機械結合係数 K であり、圧電膜の音速 υ と温度係数、音響インピーダンス、電気機械結合係数は特に厳密です。膜のこれらの特性は、膜中の結晶粒子の弾性、誘電性、圧電性、および熱特性に依存するだけでなく、粒子の緻密さの程度や優先配向の程度などの圧電膜の構造とも密接に関係しています。圧電体膜は結晶粒の欠陥や歪みにより完全な単結晶ではないため、膜の物理定数は結晶値と若干異なります。圧電膜の構造は製造プロセスと密接に関係しているため、同じ圧電膜であっても、さまざまな文献で報告されている性能値が一貫していないことがよくあります。すべての無機非鉄圧電膜の中で、AlN 膜は大きな弾性定数を持ちますが、密度が低く、最も高い音速を持っています。したがって、このフィルムはUHFおよびマイクロ波機器に最適です。
6. 弾性表面波の性能
弾性表面波が内部を伝播するとき 圧電円筒トランスデューサでは、その粒子変位振幅は媒体の表面からの距離が増加するにつれて急速に減衰するため、表面弾性波エネルギーは主に表面上の次の 2 つの波長に集中します。フィルム材料の弾性表面波性能は、次のような関数式で表すことができます。 弾性表面波性能 = F (原材料、基板、フィルム構造、波モード、伝播方向、くし形電極形状、厚み波数積) 音波性能パラメータの表は、単一の値で表すことはできません。圧電フィルムのもう 1 つの音響波特性は、伝送損失です。圧電フィルムは表面波デバイスの音響伝送媒体としてよく使用されるため、伝送損失の主な原因は圧電フィルムと基板内での音響波の散乱です。
圧電体薄膜の作製方法
圧電体薄膜の作製方法には、主に厚さ0～18μmの真空蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法などの従来の真空成膜法と、新しいゾルゲル法、水熱法、電気泳動蒸着法による10～100μmの圧電厚膜材料があります。
圧電膜厚膜とは、通常、厚さ１０～１００μｍの圧電膜を指す。薄膜と比較して、その圧電特性と強誘電特性は界面や表面の影響をあまり受けません。この種の PZT 材料は厚みが比較的大きいため、大きな駆動力を生成することができ、動作周波数が広くなります。バルク材に比べて動作電圧が低く、使用頻度が高く、半導体プロセスとの親和性が高い。
1. 真空蒸着塗装
真空蒸着塗装とは、加熱により物質を蒸発させ、固体表面に蒸着させることを蒸着塗装といいます。この方法は 1857 年に M. ファラデーによって初めて提案され、現代化により一般的に使用されるコーティング技術の 1 つになりました。
真空蒸着の基本プロセスは以下の3つです。
(1) 加熱・蒸発プロセス。凝縮相から気相（固相または液相→気相）に変化させるエッジングプロセスを含みます。各蒸発物質は、温度が異なると飽和蒸気圧が異なります。化合物を蒸発させると、その成分が反応し、その一部が気体または蒸気の状態で蒸発空間に入ります。
(2) 蒸発源と基板の間の蒸発した原子または分子の輸送、およびこれらの例の大気中での飛行過程。飛行中に真空チャンバー内で残留ガス分子と衝突する回数は、蒸発した原子の平均自由行程と、蒸発源から基板までの距離 (ソースベース間距離と呼ばれることが多い) に依存します。
(3) 蒸発した原子や分子が基板表面に析出し、蒸気が凝縮、核生成、核成長し、連続膜が形成される過程。基板の温度は蒸発源の温度よりもはるかに低いため、基板表面上の堆積物分子の相転移プロセスは気相から固相へ直接起こります。
物質が蒸発するときは、蒸発した分子の飽和蒸気圧、蒸発速度、平均自由行程を知ることが重要です。蒸発源は3種類あります。
2. 真空スパッタリングコーティング
数百電子ボルトを超える運動エネルギーまたはイオンビームを固体表面に衝突させる例で、固体表面に近い原子が入射粒子のエネルギーの一部を獲得し、固体から離れて真空に入ります。この現象をスパッタリングといいます。スパッタリング現象には複雑な散乱プロセスが含まれ、さまざまなエネルギー伝達メカニズムが伴います。一般に、このプロセスは主にいわゆる衝突カスケードプロセスであると考えられています。つまり、入射イオンがターゲット原子に弾性的に衝突し、ターゲット原子が周囲の原子によって形成されたポテンシャル障壁を乗り越えて元の位置を離れるのに十分なエネルギーを獲得し、さらに近くの原子が衝突します。この衝突カスケードがターゲット原子の表面に到達し、原子が表面結合エネルギーよりも高いエネルギーを獲得すると、これらの原子はターゲット原子の表面を離れて真空に入ります。現在、スパッタ コーティングに関するさらなる研究は、マグネトロン スパッタ コーティングです。マグネトロンスパッタリングは、低圧力下で高速スパッタリングを行うものであり、ガスのイオン化率を効果的に高める必要がある。ターゲット陰極の表面に磁場を導入することにより、磁場を利用して荷電粒子を拘束し、プラズマ密度を高めてスパッタリング率を高めます。外部磁場を使用して電子を捕捉し、電子の移動経路を延長および制限し、イオン化率を高め、コーティング率を高めます。
3. 化学気相成長コーティング
化学気相成長とは、CVD (Chemical Vapor Deposition) 技術と呼ばれる化学気相成長法です。この方法では、薄膜要素を構成する1つまたは複数の化合物を含む元素ガスを基板に供給し、加熱、プラズマ、紫外光、さらにはレーザー光などのエネルギー源を使用して、基板表面での気相反応または化学反応によって必要な薄膜を形成します。 CVD法は、さまざまなガス反応を利用して薄膜を作製するため、薄膜の組成を任意に制御することができ、多くの新しい膜材料を作製することができます。 CVD法で薄膜を作製する場合、その成長温度は薄膜構成材料の融点よりも大幅に低く、得られる膜層は均一性が良く、段差被覆性があり、複雑な形状の基板にも適しています。化学気相成長法は、成膜速度が速い、ピンホールが少ない、純度が高い、緻密である、結晶形成欠陥が少ないなどの利点があるため、その応用範囲は非常に広いです。 CVD法により、厚さ0～18μmの緻密で平滑な表面を有する優れた性能の圧電厚膜材料を作製できます。したがって、圧電厚膜の作製において、CVD 法は急速に発展し、多くの研究者によって採用されています。
4. 新しい溶液ゲル法
新しいゾルゲル法は、調製した粉末（ゾルと同じ組成）をゾルに加え、次に特定の有機溶媒を分散剤として溶液に加え、他の有機溶媒を加えて溶液の粘度とpHを調整し、最後に連続的な超音波振動を行わずにナノ粉末を溶液中に分散させ、最終的に均一な粉末溶液を得る方法です。必要な膜はゾルゲル法によって基板上に堆積されます。この堆積プロセスでは、粉末粒子が種結晶として機能します。
このようにして、厚さ数十ミクロンの厚いフィルムを製造することができます。これにより、従来のゾルゲル法で作成された厚い膜によって引き起こされる亀裂や膜の脱落の問題が回避されます。調製された厚膜成分は均一に混合され高純度であり、高温焼結を必要とせず、得られた厚膜は半導体製造プロセスに適合します。また、設備が簡単でコストが安く、膜組成の制御も可能なため、現在ではこの方法が多く使われています。
5. 水熱法
水熱法とは、特製の密閉反応容器（オートクレーブ）内で反応媒体として水溶液を使用する方法を指します。反応容器を加熱することにより、高温高圧の反応環境を作り出し、通常は不溶性または不溶性の物質を溶解、再結晶させます。この方法で製造される厚膜は、製造される厚膜成分中のいくつかの化合物を化学量論的に混合して、特定のアルカリ性媒体中の飽和溶液にし、PH値を調整するものである。その後、溶液をオートクレーブに移し、一定の反応時間後に基板上に一定の厚さを成長させることができます。
