Bahan piezoelektrik ialah 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 mula menarik perhatian yang meluas. Dengan penyelidikan yang mendalam, sejumlah besar bahan piezoelektrik telah terus muncul, seperti bahan seramik berfungsi piezoelektrik, filem piezo, bahan komposit piezoelektrik, dll. Bahan ini cakera seramik piezo mempunyai pelbagai 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 polivinilidena fluorida. 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, iaitu jenis α dan jenis β. Kristal 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 bahan akan menghasilkan cas elektrik tertentu, iaitu kesan piezoelektrik. kristal cakera seramik piezo.

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 mempunyai kesan ke atas struktur asal, fleksibiliti elastik yang tinggi, boleh diproses menjadi bentuk tertentu boleh menjadi mana-mana 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 yang tinggi 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.

Oleh itu, tekanan dan terikan boleh diukur dalam mekanik, pecutan dan penderia modal getaran boleh dibuat dalam getaran, penderia modal sinaran akustik dan transduser ultrasonik boleh dibuat secara akustik dan digunakan dalam kawalan aktif, dan boleh digunakan dalam penyelidikan robot Digunakan sebagai penderia sentuhan, juga mempunyai aplikasi dalam pengukuran berat badan perubatan dan kenderaan,

Pada masa ini, penyelidikan mengenai bahan filem nipis sedang berkembang dalam pelbagai arah, prestasi tinggi, proses baru, dan lain-lain, dan penyelidikan asasnya juga mendalam dalam tahap molekul, tahap atom, tahap nano, struktur mesoskopik, dan lain-lain, jadi penyelidikan bahan filem nipis berfungsi adalah sangat penting.

Sifat filem Piezo

1. Pemalar dielektrik

Walaupun filem piezoelektrik adalah filem kristal tunggal atau filem polihabluran dengan orientasi pilihan, pembungkusan atom di dalamnya tidak ketat dan teratur seperti dalam kristal, jadi nilai pemalar dielektrik filem piezoelektrik adalah berbeza daripada nilai kristal . Di samping itu, terdapat juga tekanan dalaman baki yang besar yang sering dijumpai dalam filem nipis dan sebab untuk pengukuran, yang juga menyebabkan nilai pemalar dielektrik filem nipis 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 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. Di samping itu, pemalar dielektrik filem piezoelektrik juga akan berubah dengan ketara dengan perubahan suhu dan kekerapan.

2. Kerintangan isipadu

Dari perspektif mengurangkan kehilangan dielektrik dan kekerapan kelonggaran filem piezoelektrik, dijangkakan ia mempunyai kerintangan yang tinggi, sekurang-kurangnya ρv≥108Ω•cm. Kerintangan 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 elektrik 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. Sudut kehilangan tangen

Tangen kehilangan dielektrik bagi 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 dan peningkatan kelembapan. Di samping itu, apabila ketebalan filem berkurangan, tan δ cenderung meningkat. Jelas sekali, peningkatan tanδ dengan suhu adalah disebabkan oleh peningkatan dalam konduktans dan peningkatan dalam relaxors. Ia meningkat dengan kekerapan kerana bilangan masa relaksasi dalam masa meningkat.

4. Kekuatan pecahan

Kerana kekuatan medan pecahan dielektrik adalah parameter kekuatan, dan pelbagai kecacatan transduser hemisfera piezoelektrik tidak dapat dielakkan dalam filem, kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik agak tersebar; teori pecahan dielektrik, untuk filem yang lengkap dan utuh, 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. Sebagai tambahan kepada punca filem itu sendiri, kekuatan medan pecahan filem juga dipengaruhi oleh 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 pecahannya 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 adalah lebih tinggi daripada arah serenjang. Kekuatan medan pecahan adalah lebih rendah.

Seperti filem dielektrik lain, kekuatan medan pecahan filem piezoelektrik juga bergantung kepada 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 pekali gandingan elektromekanikal adalah sangat ketat. 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 piezo tunggal yang baik, 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 medium piezoelektrik, amplitud anjakan zarahnya melemahkan dengan cepat apabila jarak dari permukaan medium meningkat, jadi tenaga gelombang akustik permukaan tertumpu terutamanya pada dua panjang gelombang seterusnya pada permukaan.

Prestasi gelombang akustik permukaan bahan filem nipis boleh dinyatakan sebagai formula berfungsi berikut: prestasi gelombang akustik permukaan = F (bahan mentah, substrat, struktur filem, mod gelombang, arah perambatan, bentuk elektrod interdigitated, produk nombor gelombang ketebalan)

Oleh itu, sebarang parameter prestasi gelombang akustik permukaan filem piezoelektrik 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.