圧電材料は、機械エネルギーと電気エネルギーの変換を実現する機能性材料です(1)。

圧電材料は、機械エネルギーと電気エネルギーの変換を実現する機能性材料です。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、圧電材料が広く注目を集め始めました。研究の深化に伴い、圧電機能性セラミック材料、圧電フィルム、圧電複合材料など、数多くの圧電材料が次々と誕生してきました。 ピエゾセラミックディスクは 非常に幅広い用途があり、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 圧電膜はポリフッ化ビニリデンの圧電膜です。 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つの結晶型がある。 α型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。延伸および分極された PVDF フィルムが外力または特定の方向の変形を受けると、材料の分極された表面に特定の電荷、つまり圧電効果が発生します。 ピエゾセラミックディスククリスタル.

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、その密度は一般的に使用される圧電セラミック PZT のわずか 4 分の 1、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、あらゆる測定面に完全にフィットし、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) 高い絶縁耐力は、強い電界 (75V/um) の影響に耐えることができます。現時点では、ほとんどの圧電セラミックは分極を解消しています。

(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。

したがって、応力と歪みは力学で測定でき、加速度計と振動モーダル センサーは振動で作成でき、音響放射モーダル センサーと超音波トランスデューサーは音響的に作成してアクティブ制御で使用でき、ロボット研究で使用できます。触覚センサーとして使用され、医療や車両の重量測定にも応用できます。

現在、薄膜材料の研究は、高性能化、新プロセスなど多方面に発展しており、その基礎研究も分子レベル、原子レベル、ナノレベル、メゾスコピック構造などに深く及んでいるため、機能性薄膜材料の研究は大きな意義を持っています。

ピエゾフィルムの特性

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、原子の充填は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、薄膜には大きな残留内部応力がよく見られ、測定の理由もあり、これも薄膜の誘電率値を結晶の対応する値と異なるものにします。

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。さらに、圧電膜の誘電率も温度や周波数の変化によって大きく変化します。

2.体積抵抗率

圧電膜の誘電損失や緩和周波数の低減の観点からは、ρv≧108Ω・cm以上の高い比抵抗を有することが期待される。 AlN膜の比抵抗は2×1014～1×1015Ω・cmであり、108Ω・cmを大きく上回っており、この点においても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Ｃ軸方向の導電率は、Ｃ軸に垂直な方向と異なる。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であり、ZnO膜のtanδは0.005～0.01とさらに大きくなります。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、温度とともにtanδが増加するのは、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.破壊強度

絶縁破壊電界強度は強度パラメータであるため、さまざまな欠陥が発生します。 圧電半球トランスデューサは フィルム内で避けられず、圧電フィルムの破壊電界強度はかなり分散します。誘電体の破壊理論、完全で無傷の膜の場合、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。フィルム自体の原因に加えて、フィルムの破壊電界強度は試験中の電極のエッジにも影響されます。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、その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. バルク音波性能

バルク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、特に圧電膜の音速 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。圧電膜は結晶粒の欠陥や歪みにより良好な圧電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。

圧電膜の構造は作製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致し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、音速が最も高くなります。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. 弾性表面波性能

弾性表面波が圧電媒体中を伝播するとき、粒子変位の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、表面弾性波の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。

薄膜材料の弾性表面波性能は、次の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、膜構造、波モード、伝播方向、櫛形電極形状、厚み波数積)

したがって、圧電膜の弾性表面波性能パラメータは単一の値で表すことができません。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。