Piezoelektriske materialer er funksjonelle materialer som realiserer konverteringen mellom mekanisk energi og elektrisk energi(1)

Piezoelektriske materialer er funksjonelle materialer som realiserer konverteringen mellom mekanisk energi og elektrisk energi. Utviklingen har en lang historie. Siden oppdagelsen av den piezoelektriske effekten på kvartskrystaller av CURIE-brødrene på 1880-tallet, har piezoelektriske materialer begynt å tiltrekke seg stor oppmerksomhet. Med fordypningen av forskningen har det kontinuerlig dukket opp et stort antall piezoelektriske materialer, slik som piezoelektriske funksjonelle keramiske materialer, piezofilm, piezoelektriske komposittmaterialer osv. Disse materialene piezo keramiske skiver har et veldig bredt spekter av bruksområder, og spiller en viktig rolle i funksjonelle konverteringsenheter som elektrisitet, magnetisme, lyd, lys, varme, fuktighet, gass og kraft.

PVDF piezoelektrisk film

PVDF piezoelektrisk film er polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. I 1969 oppdaget japanerne polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) referert til som PVDF, som har en veldig sterk piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har hovedsakelig to krystalltyper, nemlig α-type og β-type. Krystallen av α-typen har ikke piezoelektrisitet, men etter at PVDF-filmen er rullet og strukket, blir den originale krystallen av α-typen i filmen en krystallstruktur av β-typen. Når den strakte og polariserte PVDF-filmen utsettes for ekstern kraft eller deformasjon i en bestemt retning, vil den polariserte overflaten av materialet generere en viss elektrisk ladning, nemlig den piezoelektriske effekten piezo keramisk skivekrystall.

Sammenlignet med piezoelektrisk keramikk og piezoelektriske krystaller har piezoelektriske filmer følgende fordeler:

(1) Lett vekt, dens tetthet er bare en fjerdedel av den vanlige piezoelektriske keramiske PZT, limt på måleobjektet har nesten ingen effekt på den opprinnelige strukturen, høy elastisk fleksibilitet, kan behandles til en bestemt form kan være hvilken som helst måleoverflate er helt utstyrt, med høy mekanisk styrke og slagmotstand;

(2) Høyspenningsutgang, under de samme stressforholdene, er utgangsspenningen 10 ganger høyere enn piezoelektrisk keramikk;

(3) Høy dielektrisk styrke kan motstå effekten av sterkt elektrisk felt (75V/um), på dette tidspunktet har de fleste piezoelektriske keramikk blitt depolarisert;

(4) Den akustiske impedansen er lav, bare en tiendedel av den piezoelektriske keramiske PZT, nær vann, menneskelig vev og viskøs kropp;

(5) Frekvensresponsen er bred, og den elektromekaniske effekten kan konverteres fra 10-3Hz til 109, og vibrasjonsmodusen er enkel.

Derfor kan stress og belastning måles i mekanikk, akselerometre og vibrasjonsmodale sensorer kan lages i vibrasjon, akustiske strålingsmodale sensorer og ultralydtransdusere kan lages akustisk og brukes i aktiv kontroll, og kan brukes i robotforskning. Brukes som en taktil sensor, har også applikasjoner innen medisinsk og kjøretøyvektmåling,

For tiden utvikler forskningen på tynnfilmmaterialer seg i forskjellige retninger, høy ytelse, nye prosesser, etc., og dens grunnleggende forskning er også dypt i molekylnivå, atomnivå, nanonivå, mesoskopisk struktur, etc., så forskningen av funksjonelle tynnfilmmaterialer er av stor betydning.

Piezofilmegenskaper

1. Dielektrisk konstant

Selv om den piezoelektriske filmen er en enkeltkrystallfilm eller en polykrystallinsk film med foretrukket orientering, er atompakningen i den ikke så tett og ordnet som i en krystall, så den dielektriske konstantverdien til den piezoelektriske filmen er forskjellig fra verdien til krystallen. I tillegg til dette er det også store interne restspenninger som ofte finnes i tynne filmer og årsaker til måling, som også gjør at den dielektriske konstantverdien til den tynne filmen er forskjellig fra den tilsvarende verdien til krystallen.

Eksisterende studier har vist at den dielektriske konstanten til den piezoelektriske filmen ikke bare er relatert til krystallorienteringen, men også avhenger av testforholdene. Den dielektriske konstanten til den piezoelektriske filmen har betydelig spredning. I tillegg til forskjellen i indre spenninger og testbetingelser, antas forskjellen mellom det kjemiske sammensetningsforholdet og filmtykkelsen til filmsammensetningen generelt å avta med filmens tykkelse. I tillegg vil den dielektriske konstanten til den piezoelektriske filmen også endre seg betydelig med endring av temperatur og frekvens.

2. Volumresistivitet

Fra perspektivet om å redusere det dielektriske tapet og relaksasjonsfrekvensen til den piezoelektriske filmen, forventes det at den har en høy resistivitet, minst ρv≥108Ω•cm. Resistiviteten til AlN-film er 2×1014~1×1015Ω·cm, som er mye høyere enn 108Ω·cm, så i denne forbindelse er AlN en veldig utmerket film. I tillegg følger endringen i elektrisk ledningsevne til AlN piezoelektriske filmer med temperatur også 1nσ∝1/T-loven. Ingen av krystallene med piezoelektrisk effekt har et symmetrisenter, så deres elektronmobilitet er også anisotropisk og deres elektriske ledningsevne er også forskjellig. Den elektriske ledningsevnen til den AlN piezoelektriske filmen langs C-aksens retning er forskjellig fra retningen vinkelrett på C-aksen. Førstnevnte er omtrent 1 til 2 størrelsesordener mindre.

3. Tapsvinkeltangens

Den dielektriske tapstangensen til den AlN piezoelektriske filmen er tanδ=0,003–0,005, og tanδ til ZnO-filmen er større, som er 0,005–0,01. Grunnen til at tanδ til disse filmene er så stor er at i tillegg til konduktansprosessen, har disse filmene også betydelige avspenningsfenomener. I likhet med den dielektriske tynnfilmen, øker tan δ til den piezoelektriske tykke filmen gradvis med økningen av temperatur og frekvens og økning i fuktighet. I tillegg, når filmtykkelsen avtar, har tan δ en tendens til å øke. Økningen i tanδ med temperaturen skyldes åpenbart økningen i konduktans og økningen i relaxorer. Den øker med frekvensen fordi antall avslapningstider over tid øker.

4. Nedbrytningsstyrke

Fordi den dielektriske nedbrytningsfeltstyrken er en styrkeparameter, og ulike defekter av piezoelektriske halvkule-transdusere er uunngåelige i filmen, nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen er ganske dispersiv; nedbrytningsteorien for dielektrikum, for en komplett og intakt film. Nedbrytningsfeltstyrken bør gradvis øke ettersom filmtykkelsen avtar. Men faktisk, fordi filmen inneholder mange defekter, er effekten av defekten mer betydelig ettersom tykkelsen er mindre, så når tykkelsen reduseres til en viss verdi, blir nedbrytningsfeltstyrken til filmen kraftig mindre. I tillegg til filmens egen årsak, påvirkes også filmens nedbrytningsfeltstyrke av kanten på elektroden under testen. Siden jo tykkere filmen er, desto mer ujevn er det elektriske feltet ved kanten av elektroden, slik at etter hvert som filmtykkelsen øker, avtar dens nedbrytningsfeltstyrke gradvis.

I tillegg til de ovennevnte faktorene, avhenger nedbrytningsfeltstyrken til den dielektriske filmen også av filmstrukturen. For den piezoelektriske filmen avhenger dens nedbrytningsfeltstyrke også av retningen til det elektriske feltet, det vil si at den også er anisotropisk i nedbrytningsfeltstyrken. På grunn av eksistensen av korngrenser i den polykrystallinske filmen, er dens nedbrytningsfeltstyrke lavere enn den for den amorfe filmen; av lignende grunner er nedbrytningsfeltstyrken til den fortrinnsvis orienterte piezoelektriske filmen i orienteringsretningen høyere enn den i vinkelrett retning. Nedbrytningsfeltstyrken er lavere.

Som andre dielektriske filmer, avhenger nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen også av noen eksterne faktorer, som spenningsbølgeform, frekvens, temperatur og elektroder. Fordi nedbrytningsfeltstyrken til den piezoelektriske filmen er relatert til mange faktorer, for den samme filmen, er nedbrytningsfeltstyrkeverdiene rapportert i den relevante litteraturen ofte inkonsekvente, og varierer til og med mye. For eksempel er nedbrytningsfeltstyrken til ZnO-filmen 0,01 ~0,4MV/cm, AlN-filmen er 0,5~6,0MV/cm.

5. Bulk akustisk bølgeytelse

De viktigste karakteristiske parametrene til bulk akustiske bølge piezoelektriske transdusere er resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za og elektromekanisk koblingskoeffisient K, så lydhastigheten υ og temperaturkoeffisienten til piezoelektrisk film, akustisk impedans og elektromekanisk koblingskoeffisient er spesielt strenge. Disse egenskapene til filmen avhenger ikke bare av elastisiteten, dielektriske, piezoelektriske og termiske egenskapene til krystallkornene i filmen, men er også nært knyttet til strukturen til den piezoelektriske filmen slik som graden av kompakthet til kornene og graden av foretrukket orientering. I den piezoelektriske filmen, på grunn av defektene og belastningen til krystallkornet, er det ikke en god enkelt piezokrystall, så den fysiske konstanten til filmen er litt forskjellig fra krystallverdien.

Fordi strukturen til den piezoelektriske filmen er nært knyttet til forberedelsesprosessen, selv for den samme piezoelektriske filmen, er ytelsesverdiene rapportert i ulike litteraturer ofte inkonsekvente. Blant alle uorganiske ikke-jernholdige piezoelektriske filmer har AlN-filmen stor elastisk konstant, men lav tetthet og høyest lydhastighet. Derfor er filmen mest egnet for UHF- og mikrobølgeapparater.

6. Overflate akustisk bølge ytelse

Når den akustiske overflatebølgen forplanter seg i det piezoelektriske mediet, dempes dens amplitude av partikkelforskyvning raskt når avstanden fra overflaten til mediet øker, slik at den akustiske overflatebølgeenergien hovedsakelig konsentreres i de neste to bølgelengdene på overflaten.

Den akustiske overflatebølgeytelsen til tynnfilmmaterialer kan uttrykkes som følgende funksjonelle formel: overflateakustisk bølgeytelse = F (råmateriale, substrat, filmstruktur, bølgemodus, forplantningsretning, interdigitert elektrodeform, tykkelsesbølgenummerprodukt)

Derfor kan ikke en hvilken som helst overflate-akustisk bølgeytelsesparameter for den piezoelektriske filmen representeres med en enkelt verdi. En annen akustisk bølgeegenskap til piezoelektriske filmer er overføringstap. Fordi piezoelektriske filmer ofte brukes som akustiske overføringsmedier i overflatebølgeenheter, er kilden til overføringstap hovedsakelig spredning av akustiske bølger i den piezoelektriske filmen og underlaget.