Bahan seramik piezoelektrik adalah bahan berfungsi yang merealisasikan penukaran antara tenaga mekanikal dan tenaga elektrik (1)

Bahan piezoelektrik adalah bahan berfungsi yang merealisasikan penukaran antara tenaga mekanikal dan tenaga elektrik. Perkembangannya mempunyai sejarah yang panjang. Sejak penemuan kesan piezoelektrik pada kristal kuarza oleh saudara CURIE pada tahun 1880-an, bahan piezoelektrik telah menarik perhatian yang meluas. Dengan pendalaman penyelidikan, sejumlah besar bahan piezoelektrik, seperti bahan seramik berfungsi piezoelektrik, filem Piezo, bahan komposit piezoelektrik, dll. Bahan ini mempunyai julat kegunaan yang sangat luas, dan memainkan peranan penting dalam peranti penukaran berfungsi seperti elektrik, kemagnetan, bunyi, cahaya, haba, kelembapan, gas dan daya.

Filem piezoelektrik PVDF
Filem piezoelektrik PVDF ialah filem piezoelektrik fluorida polivinilidena. Pada tahun 1969, orang Jepun menemui bahan polimer polyvinylidene fluoride (polimer polyvinylidene fluoride) yang dirujuk sebagai PVDF, yang mempunyai kesan piezoelektrik yang sangat kuat. Filem PVDF terutamanya mempunyai dua jenis kristal piezo, iaitu jenis α dan jenis β. Kristal piezo jenis α tidak mempunyai piezoelektrik, tetapi selepas filem PVDF digulung dan diregangkan, kristal jenis α asal dalam filem menjadi struktur kristal jenis β. Apabila filem PVDF yang diregangkan dan terpolarisasi tertakluk kepada daya luaran atau ubah bentuk dalam arah tertentu, permukaan terkutub transduser tahap ultrasonik akan menghasilkan cas elektrik tertentu, iaitu kesan piezoelektrik.

Berbanding dengan seramik piezoelektrik dan kristal piezoelektrik, filem piezoelektrik mempunyai kelebihan berikut:

(1) Berat ringan, ketumpatannya hanya satu perempat daripada PZT seramik piezoelektrik yang biasa digunakan, ditampal pada objek pengukur hampir tidak memberi kesan pada struktur asal, fleksibiliti elastik yang tinggi, boleh diproses menjadi bentuk tertentu Permukaan pengukur dipasang sepenuhnya, dengan kekuatan mekanikal yang tinggi dan rintangan hentaman;
(2) Keluaran voltan tinggi, di bawah keadaan tegasan yang sama, voltan keluaran adalah 10 kali lebih tinggi daripada seramik piezoelektrik;
(3) Kekuatan dielektrik tinggi yang boleh menahan kesan medan elektrik yang kuat (75V / um), pada masa ini kebanyakan seramik piezoelektrik telah dinyahkutub;
(4) Impedans akustik adalah rendah, hanya satu persepuluh daripada PZT seramik piezoelektrik, dekat dengan air, tisu manusia dan badan likat;
(5) Tindak balas frekuensi adalah luas, dan kesan elektromekanikal boleh ditukar dari 10-3Hz kepada 109, dan mod getaran adalah mudah.

Sifat filem Piezo
1. Pemalar dielektrik
Walaupun filem piezoelektrik adalah filem kristal tunggal atau filem polihablur dengan orientasi pilihan, pembungkusan atom di dalamnya tidak padat dan teratur seperti dalam kristal, jadi nilai pemalar dielektrik filem piezoelektrik adalah berbeza daripada nilai kristal . Di samping itu, selalunya terdapat tekanan dalaman baki yang besar dalam filem dan sebab-sebab pengukuran, yang juga menyebabkan nilai pemalar dielektrik filem berbeza daripada nilai kristal yang sepadan.
Kajian sedia ada menunjukkan bahawa pemalar dielektrik filem piezoelektrik bukan sahaja berkaitan dengan orientasi kristal, tetapi juga bergantung kepada keadaan ujian. Pemalar dielektrik filem piezoelektrik mempunyai serakan yang agak besar. Sebagai tambahan kepada perbezaan tekanan dalaman dan keadaan ujian, perbezaan antara nisbah komposisi kimia dan ketebalan filem komposisi filem secara amnya dipercayai berkurangan dengan ketebalan filem. Nipis dan kecil. Di samping itu, pemalar dielektrik filem nipis piezoelektrik juga akan berubah dengan ketara dengan suhu dan kekerapan.

2. Kerintangan isipadu
Daripada perspektif mengurangkan kehilangan dielektrik dan kekerapan kelonggaran filem piezoelektrik, adalah dijangkakan ia mempunyai kerintangan yang sangat tinggi, sekurang-kurangnya ρv≥108Ω • cm. Rintangan filem AlN ialah 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, yang jauh lebih tinggi daripada 108Ω · cm, jadi dalam hal ini, AlN ialah filem yang sangat baik. Di samping itu, perubahan dalam kekonduksian elektrik filem piezoelektrik AlN dengan suhu juga mengikut undang-undang 1nσ∝1 / T. Tiada kristal dengan kesan piezoelektrik mempunyai pusat simetri, jadi mobiliti elektronnya juga anisotropik dan kekonduksian elektriknya juga berbeza. Kekonduksian filem piezoelektrik AlN sepanjang arah paksi C adalah berbeza daripada arah berserenjang dengan paksi C. Yang pertama adalah kira-kira 1 hingga 2 pesanan magnitud lebih kecil.

3. Tangen sudut kehilangan
Tangen kehilangan dielektrik filem piezoelektrik AlN ialah tanδ = 0.003 ～ 0.005, dan tanδ bagi filem ZnO adalah lebih besar, iaitu 0.005 ～ 0.01. Sebab mengapa tanδ filem-filem ini begitu besar ialah sebagai tambahan kepada proses konduktans, filem ini juga mempunyai fenomena kelonggaran yang ketara. Sama seperti filem nipis dielektrik, tan δ filem tebal piezoelektrik meningkat secara beransur-ansur dengan peningkatan suhu dan kekerapan serta peningkatan kelembapan. Di samping itu, apabila ketebalan filem berkurangan, tan δ cenderung meningkat. Jelas sekali, peningkatan tan δ dengan suhu adalah disebabkan oleh peningkatan dalam konduktans dan peningkatan dalam relaxor. Ia meningkat dengan kekerapan kerana bilangan masa relaksasi dalam masa meningkat.

4. Kekuatan pecahan
Kerana kekuatan medan pecahan dielektrik tergolong dalam parameter kekuatan, dan pelbagai kecacatan tidak dapat dielakkan dalam filem, kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik mempunyai penyebaran yang besar; teori pecahan dielektrik .Kekuatan medan pecahan harus beransur-ansur meningkat apabila ketebalan filem berkurangan. Tetapi sebenarnya, kerana filem itu mengandungi banyak kecacatan, kesan kecacatan itu lebih ketara kerana ketebalannya lebih kecil, jadi apabila ketebalan dikurangkan kepada nilai tertentu, kekuatan medan pecahan filem menjadi lebih kecil secara mendadak. Kekuatan medan pecahan filem, sebagai tambahan kepada sebab filem itu sendiri, juga mempunyai pengaruh pinggir elektrod semasa ujian. Oleh kerana semakin tebal filem itu, semakin tidak sekata medan elektrik di pinggir elektrod, jadi apabila ketebalan filem meningkat, kekuatan medan pecahannya semakin berkurangan. Sebagai tambahan kepada faktor di atas, kekuatan medan pecahan filem dielektrik juga bergantung kepada struktur filem. Untuk filem piezoelektrik, kekuatan medan pecahan juga bergantung pada arah medan elektrik, iaitu, ia juga anisotropik dalam kekuatan medan pecahan. Oleh kerana kewujudan sempadan bijian dalam filem polihabluran, kekuatan medan pecahannya lebih rendah daripada filem amorf; atas sebab yang sama, kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik berorientasikan keutamaan dalam arah orientasi butiran adalah lebih tinggi daripada arah serenjang. Kekuatan medan pecahan adalah lebih rendah.

Seperti filem dielektrik lain, kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik juga bergantung pada beberapa faktor luaran, seperti bentuk gelombang voltan, frekuensi, suhu dan elektrod. Oleh kerana kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik berkaitan dengan banyak faktor, untuk filem yang sama, nilai kekuatan medan pecahan yang dilaporkan dalam kesusasteraan yang berkaitan selalunya tidak konsisten, malah sangat berbeza. Sebagai contoh, kekuatan medan pecahan filem ZnO ialah 0.01 ~ 0.4MV / cm, filem AlN ialah 0.5 ~ 6.0MV / cm.

5. Prestasi gelombang akustik pukal
Parameter ciri yang paling penting bagi transduser piezoelektrik gelombang akustik pukal ialah frekuensi resonans f0, impedans akustik Za dan pekali gandingan elektromekanikal K, jadi halaju bunyi υ dan pekali suhu filem piezoelektrik, galangan akustik dan gandingan elektromekanikal adalah terutamanya. Ciri-ciri filem ini bukan sahaja bergantung kepada keanjalan, dielektrik, piezoelektrik dan sifat haba butiran kristal dalam filem, tetapi juga berkait rapat dengan struktur filem piezoelektrik seperti tahap kekompakan butiran dan tahap orientasi pilihan. Dalam filem piezoelektrik, disebabkan oleh kecacatan dan ketegangan butiran kristal, ia bukanlah kristal tunggal yang sempurna, jadi pemalar fizikal filem itu sedikit berbeza daripada nilai kristal. Oleh kerana struktur filem piezoelektrik berkait rapat dengan proses penyediaan, walaupun untuk filem piezoelektrik yang sama, nilai prestasi yang dilaporkan dalam pelbagai literatur sering tidak konsisten. Di antara semua filem piezoelektrik bukan ferus bukan organik, filem AlN mempunyai pemalar anjal yang besar, tetapi ketumpatan rendah, dan halaju bunyi tertinggi. Oleh itu, filem ini paling sesuai untuk peranti UHF dan gelombang mikro.

6. Prestasi gelombang akustik permukaan
Apabila gelombang akustik permukaan merambat dalam transduser silinder piezoelektrik , amplitud anjakan zarahnya melemahkan dengan cepat apabila jarak dari permukaan medium meningkat, jadi tenaga gelombang akustik permukaan terutamanya tertumpu pada dua panjang gelombang seterusnya pada permukaan. Prestasi gelombang akustik permukaan bahan filem boleh dinyatakan sebagai formula berfungsi berikut: prestasi gelombang akustik permukaan = F (bahan mentah, substrat, struktur filem, mod gelombang, arah perambatan, bentuk elektrod interdigital, produk nombor gelombang ketebalan) Jadual parameter prestasi gelombang bunyi tidak boleh diwakili oleh satu nilai. Satu lagi sifat gelombang akustik filem piezoelektrik ialah kehilangan penghantaran. Oleh kerana filem piezoelektrik sering digunakan sebagai media penghantaran akustik dalam peranti gelombang permukaan, punca kehilangan penghantaran terutamanya adalah penyebaran gelombang akustik dalam filem piezoelektrik dan substrat.

Kaedah untuk menyediakan filem piezoelektrik
Kaedah penyediaan filem nipis piezoelektrik terutamanya termasuk kaedah salutan vakum tradisional, termasuk salutan penyejatan vakum, salutan sputter, dan salutan pemendapan wap kimia dengan ketebalan 0-18 μm, dan kaedah sol-gel baharu, kaedah hidroterma, dan kaedah pemendapan elektroforetik ～ 10 μm bahan pizoelektrik tebal 10 μm.
Filem piezoelektrik tebal biasanya merujuk kepada filem piezoelektrik dengan ketebalan 10 hingga 100 μm. Berbanding dengan filem nipis, sifat piezoelektrik dan feroelektriknya kurang dipengaruhi oleh antara muka dan permukaan; kerana ketebalannya yang agak besar, bahan PZT jenis ini juga boleh menjana daya penggerak yang besar, dan mempunyai frekuensi operasi yang lebih luas; berbanding dengan bahan pukal, voltan operasinya rendah, kekerapan penggunaannya tinggi, dan ia serasi dengan proses semikonduktor.

1. Salutan penyejatan vakum
Salutan penyejatan vakum adalah untuk menyejat bahan dengan memanaskan dan mendepositkannya pada permukaan pepejal, yang dipanggil salutan penyejatan. Kaedah ini pertama kali dicadangkan oleh M. Faraday pada tahun 1857, dan pemodenan telah menjadi salah satu teknologi salutan yang biasa digunakan.
Salutan penyejatan vakum merangkumi tiga proses asas berikut:
(1) Proses pemanasan dan penyejatan, termasuk proses tepi yang berubah daripada fasa pekat kepada fasa gas (fasa pepejal atau fasa cecair → fasa gas). Setiap bahan penyejat mempunyai tekanan wap tepu yang berbeza pada suhu yang berbeza. Apabila menyejat sebatian, komponennya bertindak balas, dan sebahagian daripadanya memasuki ruang penyejatan dalam keadaan gas atau wap.
(2) Pengangkutan atom atau molekul terwap antara sumber penyejatan dan substrat, dan proses penerbangan contoh-contoh ini dalam atmosfera ambien. Bilangan perlanggaran dengan molekul gas sisa dalam kebuk vakum semasa penerbangan bergantung pada laluan bebas purata atom yang tersejat dan jarak dari sumber penyejatan ke substrat, sering dipanggil jarak sumber-bes.
(3) Proses pemendakan atom atau molekul yang tersejat pada permukaan substrat, dan pemeluwapan wap, nukleasi, pertumbuhan nuklear, dan pembentukan filem berterusan. Oleh kerana suhu substrat adalah jauh lebih rendah daripada suhu sumber penyejatan, proses peralihan fasa molekul mendapan pada permukaan substrat akan berlaku terus dari fasa gas ke fasa pepejal.
Apabila bahan menyejat, adalah penting untuk mengetahui tekanan wap tepu, kadar penyejatan, dan laluan bebas purata molekul yang tersejat. Terdapat tiga jenis sumber penyejatan.

2. Salutan sputtering vakum
Contoh dengan tenaga kinetik lebih daripada beberapa ratus volt elektron atau rasuk ion mengebom permukaan pepejal, supaya atom yang dekat dengan permukaan pepejal memperoleh sebahagian daripada tenaga zarah kejadian dan meninggalkan pepejal untuk memasuki vakum. Fenomena ini dipanggil sputtering. Fenomena sputtering melibatkan proses serakan yang kompleks dan disertai dengan pelbagai mekanisme pemindahan tenaga. Secara amnya dipercayai bahawa proses ini terutamanya dipanggil proses lata perlanggaran, iaitu, ion kejadian berlanggar secara elastik dengan atom sasaran, supaya atom sasaran memperoleh tenaga yang mencukupi untuk mengatasi halangan berpotensi yang dibentuk oleh atom sekeliling dan meninggalkan kedudukan asal, dan seterusnya dan berdekatan Atom berlanggar. Apabila lata perlanggaran ini sampai ke permukaan atom sasaran supaya atom memperoleh tenaga lebih tinggi daripada tenaga pengikat permukaan, atom ini akan meninggalkan permukaan atom sasaran dan memasuki vakum. Kini lebih banyak penyelidikan mengenai salutan sputter adalah salutan sputter magnetron. Sputtering magnetron adalah untuk melakukan sputtering berkelajuan tinggi di bawah tekanan rendah, dan ia adalah perlu untuk meningkatkan kadar pengionan gas dengan berkesan. Dengan memperkenalkan medan magnet pada permukaan katod sasaran, medan magnet digunakan untuk menahan zarah bercas untuk meningkatkan ketumpatan plasma untuk meningkatkan kadar sputtering. Gunakan medan magnet luaran untuk menangkap elektron, memanjangkan dan mengekang laluan pergerakan elektron, meningkatkan kadar pengionan dan meningkatkan kadar salutan.

3. Salutan pemendapan wap kimia
Pemendapan wap kimia ialah kaedah pertumbuhan wap kimia, dirujuk sebagai teknologi CVD (Chemical Vapor Deposition). Dalam kaedah ini, gas unsur yang mengandungi satu atau beberapa sebatian yang membentuk unsur filem nipis dibekalkan kepada substrat, dan filem nipis yang diperlukan dibentuk oleh fasa gas atau tindak balas kimia pada permukaan substrat dengan menggunakan sumber tenaga seperti pemanasan, plasma, cahaya ultraungu atau bahkan cahaya laser. Oleh kerana kaedah CVD menggunakan pelbagai tindak balas gas untuk menyediakan filem nipis, komposisi filem nipis boleh dikawal sewenang-wenangnya, supaya banyak bahan filem baru boleh dihasilkan. Apabila kaedah CVD digunakan untuk menyediakan filem nipis, suhu pertumbuhannya jauh lebih rendah daripada takat lebur bahan konstituen filem nipis, lapisan filem yang terhasil mempunyai keseragaman yang baik, mempunyai liputan langkah, dan sesuai untuk substrat dengan bentuk yang kompleks. Oleh kerana kelebihannya seperti kadar pemendapan yang tinggi, sedikit lubang jarum, ketulenan tinggi, kekompakan, dan sedikit kecacatan membentuk kristal, julat penggunaan pemendapan wap kimia adalah sangat luas. Kaedah CVD boleh digunakan untuk menyediakan bahan filem tebal piezoelektrik dengan permukaan padat, licin, ketebalan 0 ～ 18μm dan prestasi cemerlang. Oleh itu, dalam penyediaan filem tebal piezoelektrik, kaedah CVD telah berkembang pesat dan telah diterima pakai oleh ramai penyelidik.

4. Kaedah gel larutan baharu
Kaedah sol-gel baharu ialah menambah serbuk yang disediakan (komposisi yang sama dengan sol) kepada sol, kemudian menambah pelarut organik tertentu kepada larutan sebagai penyebar, tambah pelarut organik lain untuk melaraskan kelikatan dan pH larutan, dan akhirnya tidak getaran ultrasonik berterusan menyebarkan serbuk nano dalam larutan yang seragam, dan akhirnya memperoleh larutan serbuk yang seragam. Filem yang diperlukan didepositkan pada substrat dengan kaedah sol-gel. Dalam proses pemendapan ini, zarah serbuk bertindak sebagai kristal benih.
Dengan cara ini, filem tebal dengan ketebalan berpuluh-puluh mikron boleh dihasilkan. Ia mengelakkan masalah keretakan atau penumpahan filem yang disebabkan oleh filem tebal yang disediakan oleh kaedah sol-gel tradisional. Komponen filem tebal yang disediakan dicampur secara seragam dan tinggi ketulenan, dan tidak memerlukan pensinteran suhu tinggi, dan filem tebal yang terhasil adalah serasi dengan proses penyediaan semikonduktor. Dan peralatannya mudah, kosnya rendah, dan komposisi membran boleh dikawal, jadi kaedah ini kini digunakan lebih kerap.

5. Kaedah hidroterma
Kaedah hidroterma merujuk kepada penggunaan larutan akueus sebagai medium tindak balas dalam bekas tindak balas tertutup yang dibuat khas (autoklaf). Dengan memanaskan bekas tindak balas, persekitaran tindak balas suhu tinggi dan tekanan tinggi dicipta, supaya bahan yang biasanya tidak larut atau tidak larut dibubarkan dan dihablurkan semula. Filem tebal yang disediakan dengan kaedah ini adalah untuk mencampurkan secara stoikiometri beberapa sebatian dalam komponen filem tebal untuk disediakan ke dalam larutan tepu dalam medium alkali tertentu dan melaraskan nilai PH. Selepas itu, larutan dipindahkan ke dalam autoklaf, dan ketebalan tertentu boleh ditanam pada substrat selepas masa tindak balas tertentu.