Piëzo-elektrische materialen zijn functionele materialen die de omzetting tussen mechanische energie en elektrische energie realiseren(1)

Piëzo-elektrische materialen zijn functionele materialen die de omzetting tussen mechanische energie en elektrische energie realiseren. De ontwikkeling ervan kent een lange geschiedenis. Sinds de ontdekking van het piëzo-elektrische effect op kwartskristallen door de gebroeders CURIE in de jaren tachtig van de negentiende eeuw beginnen piëzo-elektrische materialen wijdverbreide aandacht te trekken. Met de verdieping van het onderzoek is er voortdurend een groot aantal piëzo-elektrische materialen ontstaan, zoals piëzo-elektrische functionele keramische materialen, piëzofilm, piëzo-elektrische composietmaterialen, enz. Deze materialen piëzo-keramische schijven hebben een zeer breed scala aan toepassingen en spelen een belangrijke rol bij functionele conversie-apparaten zoals elektriciteit, magnetisme, geluid, licht, hitte, vochtigheid, gas en kracht.

PVDF piëzo-elektrische film

PVDF piëzo-elektrische film is polyvinylideenfluoride piëzo-elektrische film. In 1969 ontdekten de Japanners het polymeermateriaal polyvinylideenfluoride (polyvinylideenfluoridepolymeer), ook wel PVDF genoemd, dat een zeer sterk piëzo-elektrisch effect heeft. De PVDF-film heeft hoofdzakelijk twee kristaltypen, namelijk het α-type en het β-type. Het α-type kristal heeft geen piëzo-elektriciteit, maar nadat de PVDF-film is gerold en uitgerekt, wordt het oorspronkelijke α-type kristal in de film een ​​β-type kristalstructuur. Wanneer de uitgerekte en gepolariseerde PVDF-film wordt onderworpen aan externe kracht of vervorming in een bepaalde richting, zal het gepolariseerde oppervlak van het materiaal een bepaalde elektrische lading genereren, namelijk het piëzo-elektrische effect piëzo-keramisch schijfkristal.

Vergeleken met piëzo-elektrische keramiek en piëzo-elektrische kristallen hebben piëzo-elektrische films de volgende voordelen:

(1) Licht van gewicht, de dichtheid is slechts een kwart van de veelgebruikte piëzo-elektrische keramische PZT, geplakt op het meetobject heeft bijna geen effect op de oorspronkelijke structuur, hoge elastische flexibiliteit, kan in een specifieke vorm worden verwerkt, elk meetoppervlak is volledig gemonteerd, met hoge mechanische sterkte en slagvastheid;

(2) Hoogspanningsuitgang, onder dezelfde spanningsomstandigheden is de uitgangsspanning 10 keer hoger dan bij piëzo-elektrische keramiek;

(3) Hoge diëlektrische sterkte is bestand tegen het effect van een sterk elektrisch veld (75V/um). Op dit moment zijn de meeste piëzo-elektrische keramieken gedepolariseerd;

(4) De akoestische impedantie is laag, slechts een tiende van de piëzo-elektrische keramische PZT, dichtbij water, menselijk weefsel en stroperig lichaam;

(5) De frequentierespons is breed en het elektromechanische effect kan worden omgezet van 10-3 Hz naar 109, en de trillingsmodus is eenvoudig.

Daarom kunnen spanning en spanning worden gemeten in de mechanica, versnellingsmeters en trillingsmodale sensoren kunnen worden gemaakt in trillingen, akoestische stralingsmodale sensoren en ultrasone transducers kunnen akoestisch worden gemaakt en gebruikt bij actieve controle, en kunnen worden gebruikt in robotonderzoek. Gebruikt als tactiele sensor, heeft ook toepassingen in medische en voertuiggewichtmetingen.

Momenteel ontwikkelt het onderzoek naar dunne-filmmaterialen zich in verschillende richtingen, hoge prestaties, nieuwe processen, enz., en het fundamentele onderzoek ervan bevindt zich ook diep op moleculair niveau, atomair niveau, nanoniveau, mesoscopische structuur, enz., dus het onderzoek naar functionele dunne-filmmaterialen is van groot belang.

Eigenschappen van piëzofilms

1. Diëlektrische constante

Hoewel de piëzo-elektrische film een ​​monokristallijne film of een polykristallijne film is met een voorkeursoriëntatie, is de atomaire pakking daarin niet zo strak en geordend als in een kristal, dus de diëlektrische constantewaarde van de piëzo-elektrische film verschilt van de waarde van het kristal. Daarnaast zijn er ook grote interne restspanningen die vaak worden aangetroffen in dunne films en redenen voor metingen, die er ook voor zorgen dat de diëlektrische constantewaarde van de dunne film verschilt van de overeenkomstige waarde van het kristal.

Bestaande onderzoeken hebben aangetoond dat de diëlektrische constante van de piëzo-elektrische film niet alleen verband houdt met de kristaloriëntatie, maar ook afhangt van de testomstandigheden. De diëlektrische constante van de piëzo-elektrische film heeft een aanzienlijke spreiding. Naast het verschil in interne spanning en testomstandigheden wordt algemeen aangenomen dat het verschil tussen de chemische samenstellingsverhouding en de filmdikte van de filmsamenstelling afneemt met de dikte van de film. Bovendien zal de diëlektrische constante van de piëzo-elektrische film ook aanzienlijk veranderen met de verandering van temperatuur en frequentie.

2. Volumeweerstand

Vanuit het perspectief van het verminderen van het diëlektrische verlies en de relaxatiefrequentie van de piëzo-elektrische film wordt verwacht dat deze een hoge soortelijke weerstand heeft, ten minste ρv≥108Ω·cm. De soortelijke weerstand van AlN-film is 2×1014~1×1015Ω·cm, wat veel hoger is dan 108Ω·cm, dus in dit opzicht is AlN een zeer uitstekende film. Bovendien volgt de verandering in elektrische geleidbaarheid van AlN-piëzo-elektrische films met temperatuur ook de 1nσ∝1/T-wet. Geen van de kristallen met piëzo-elektrisch effect heeft een symmetriecentrum, dus hun elektronenmobiliteit is ook anisotroop en hun elektrische geleidbaarheid is ook anders. De elektrische geleidbaarheid van de AlN-piëzo-elektrische film langs de C-asrichting verschilt van de richting loodrecht op de C-as. De eerste is ongeveer 1 tot 2 ordes van grootte kleiner.

3. Raaklijn van de verlieshoek

De diëlektrische verliestangens van de AlN-piëzo-elektrische film is tanδ=0,003~0,005, en de tanδ van de ZnO-film is groter, namelijk 0,005~0,01. De reden waarom de tanδ van deze films zo groot is, is dat deze films naast het geleidingsproces ook aanzienlijke relaxatieverschijnselen vertonen. Net als bij de diëlektrische dunne film neemt de tan δ van de piëzo-elektrische dikke film geleidelijk toe met de toename van de temperatuur en frequentie en de toename van de vochtigheid. Bovendien heeft tan 8 de neiging toe te nemen naarmate de filmdikte afneemt. Het is duidelijk dat de toename van tanδ met de temperatuur te wijten is aan de toename van de geleiding en de toename van het aantal relaxoren. Het neemt toe met de frequentie omdat het aantal relaxatietijden in de tijd toeneemt.

4. Defectsterkte

Omdat de diëlektrische doorslagveldsterkte een sterkteparameter is, en verschillende defecten piëzo-elektrische halfrondtransducers zijn onvermijdelijk in de film, de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film is behoorlijk verspreid; de doorslagtheorie van diëlektrica, voor een complete en intacte film. De doorslagveldsterkte moet geleidelijk toenemen naarmate de filmdikte afneemt. Maar omdat de film veel defecten bevat, is het effect van het defect groter naarmate de dikte kleiner is. Wanneer de dikte dus tot een bepaalde waarde wordt teruggebracht, wordt de doorslagveldsterkte van de film scherp kleiner. Naast de oorzaak van de film zelf, wordt de doorslagveldsterkte van de film tijdens de test ook beïnvloed door de rand van de elektrode. Omdat hoe dikker de film is, des te ongelijkmatiger het elektrische veld aan de rand van de elektrode is, zodat naarmate de filmdikte toeneemt, de doorslagveldsterkte ervan geleidelijk afneemt.

Naast de bovengenoemde factoren hangt de doorslagveldsterkte van de diëlektrische film ook af van de filmstructuur. Voor de piëzo-elektrische film hangt de doorslagveldsterkte ervan ook af van de richting van het elektrische veld, dat wil zeggen dat hij ook anisotroop is wat betreft de doorslagveldsterkte. Vanwege het bestaan ​​van korrelgrenzen in de polykristallijne film is de doorslagveldsterkte ervan lager dan die van de amorfe film; om soortgelijke redenen is de doorslagveldsterkte van de preferentieel georiënteerde piëzo-elektrische film in de oriëntatierichting hoger dan die in de loodrechte richting. De doorslagveldsterkte is lager.

Net als andere diëlektrische films hangt de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film ook af van enkele externe factoren, zoals spanningsgolfvorm, frequentie, temperatuur en elektroden. Omdat de doorslagveldsterkte van de piëzo-elektrische film met vele factoren verband houdt, zijn de in de relevante literatuur gerapporteerde doorslagveldsterktewaarden voor dezelfde film vaak inconsistent en variëren ze zelfs sterk. De doorslagveldsterkte van de ZnO-film is bijvoorbeeld 0,01 ~ 0,4 MV/cm, en de AlN-film is 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Bulk-akoestische golfprestaties

De belangrijkste karakteristieke parameters van piëzo-elektrische bulk-akoestische golftransducers zijn resonantiefrequentie f0, akoestische impedantie Za en elektromechanische koppelingscoëfficiënt K, dus de geluidssnelheid υ en temperatuurcoëfficiënt van piëzo-elektrische film, akoestische impedantie en elektromechanische koppelingscoëfficiënt zijn bijzonder streng. Deze eigenschappen van de film zijn niet alleen afhankelijk van de elasticiteit, diëlektrische, piëzo-elektrische en thermische eigenschappen van de kristalkorrels in de film, maar hangen ook nauw samen met de structuur van de piëzo-elektrische film, zoals de mate van compactheid van de korrels en de mate van voorkeursoriëntatie. In de piëzo-elektrische film is het vanwege de defecten en spanning van de kristalkorrel geen goed enkelvoudig piëzo-kristal, dus de fysieke constante van de film wijkt enigszins af van de kristalwaarde.

Omdat de structuur van de piëzo-elektrische film nauw verband houdt met het bereidingsproces, zijn de prestatiewaarden die in verschillende literatuur worden gerapporteerd, zelfs voor dezelfde piëzo-elektrische film, vaak inconsistent. Van alle anorganische non-ferro piëzo-elektrische films heeft de AlN-film een ​​grote elastische constante, maar een lage dichtheid en de hoogste geluidssnelheid. Daarom is de film het meest geschikt voor UHF- en magnetronapparaten.

6. Prestaties van oppervlakte-akoestische golven

Wanneer de akoestische oppervlaktegolf zich voortplant in het piëzo-elektrische medium, neemt de amplitude van de deeltjesverplaatsing snel af naarmate de afstand tot het oppervlak van het medium toeneemt, zodat de energie van de akoestische oppervlaktegolf voornamelijk geconcentreerd is in de volgende twee golflengten op het oppervlak.

De akoestische oppervlaktegolfprestaties van dunne-filmmaterialen kunnen worden uitgedrukt als de volgende functionele formule: oppervlakte-akoestische golfprestaties = F (grondstof, substraat, filmstructuur, golfmodus, voortplantingsrichting, interdigitaire elektrodevorm, dikte golfgetalproduct)

Daarom kan geen enkele prestatieparameter van de akoestische oppervlaktegolf van de piëzo-elektrische film worden weergegeven door een enkele waarde. Een andere akoestische golfeigenschap van piëzo-elektrische films is transmissieverlies. Omdat piëzo-elektrische films vaak worden gebruikt als akoestische transmissiemedia in oppervlaktegolfapparaten, is de bron van transmissieverlies voornamelijk de verstrooiing van akoestische golven in de piëzo-elektrische film en het substraat.