Materialele ceramice piezoelectrice sunt materiale funcționale care realizează conversia dintre energia mecanică și energia electrică (1)

Materialele piezoelectrice sunt materiale funcționale care realizează conversia dintre energia mecanică și energia electrică. Dezvoltarea sa are o istorie lungă. De la descoperirea efectului piezoelectric asupra cristalelor de cuarț de către frații CURIE în anii 1880, materialele piezoelectrice au atras atenția pe scară largă. Odată cu aprofundarea cercetării, un număr mare de materiale piezoelectrice, cum ar fi materiale ceramice funcționale piezoelectrice, film piezoelectric, materiale compozite piezoelectrice etc. Aceste materiale au o gamă foarte largă de utilizări și joacă un rol important în dispozitivele de conversie funcțională, cum ar fi electricitatea, magnetismul, sunetul, lumina, căldura, umiditatea, gazul și forța.

Film piezoelectric PVDF
Film piezoelectric PVDF este un film piezoelectric din fluorură de poliviniliden. În 1969, japonezii au descoperit materialul polimeric fluorură de poliviniliden (polimer de fluorură de poliviniliden) denumit PVDF, care are un efect piezoelectric foarte puternic. Filmul PVDF are în principal două tipuri de cristale piezo, și anume tipul α și tipul β. Cristalul piezo de tip α nu are piezoelectricitate, dar după ce filmul PVDF este rulat și întins, cristalul original de tip α din film devine o structură cristalină de tip β. Atunci când filmul PVDF întins și polarizat este supus unei forțe externe sau deformări într-o anumită direcție, suprafața polarizată a traductor de nivel ultrasonic va genera o anumită sarcină electrică, adică efectul piezoelectric.

În comparație cu ceramica piezoelectrică și cristalele piezoelectrice, filmele piezoelectrice au următoarele avantaje:

(1) Greutate ușoară, densitatea sa este doar un sfert din ceramica piezoelectrică utilizată în mod obișnuit PZT, lipită pe obiectul de măsurat nu are aproape niciun efect asupra structurii originale, flexibilitate elastică ridicată, poate fi procesată într-o formă specifică Suprafața de măsurare este complet montată, cu rezistență mecanică ridicată și rezistență la impact;
(2) Ieșire de înaltă tensiune, în aceleași condiții de stres, tensiunea de ieșire este de 10 ori mai mare decât ceramica piezoelectrică;
(3) Rigiditate dielectrică ridicată, care poate rezista la efectul unui câmp electric puternic (75V / um), în acest moment majoritatea ceramicii piezoelectrice au fost depolarizate;
(4) Impedanța acustică este scăzută, doar o zecime din PZT ceramică piezoelectrică, aproape de apă, țesut uman și corp vâscos;
(5) Răspunsul în frecvență este larg, iar efectul electromecanic poate fi convertit de la 10-3Hz la 109, iar modul de vibrație este simplu.

Proprietățile filmului piezoelectric
1. Constanta dielectrică
Deși filmul piezoelectric este o peliculă monocristalină sau o peliculă policristalină cu orientare preferată, ambalajul atomic din acesta nu este la fel de dens și ordonat ca în cristal, astfel încât valoarea constantei dielectrice a filmului piezoelectric este diferită de valoarea cristalului. În plus față de aceasta, există adesea tensiuni interne reziduale mari în film și motivele măsurării, care fac, de asemenea, ca valoarea constantei dielectrice a filmului să fie diferită de valoarea corespunzătoare a cristalului.
Studiile existente au arătat că constanta dielectrică a filmului piezoelectric nu este legată doar de orientarea cristalului, ci depinde și de condițiile de testare. Constanta dielectrică a peliculei piezoelectrice are o dispersie considerabilă. În plus față de diferența dintre stresul intern și condițiile de testare, diferența dintre raportul compoziției chimice și grosimea filmului din compoziția filmului se crede în general că scade odată cu grosimea filmului. Subțire și mic. În plus, constanta dielectrică a peliculei subțiri piezoelectrice se va schimba semnificativ cu temperatura și frecvența.

2. Rezistivitate de volum
Din perspectiva reducerii pierderii dielectrice și a frecvenței de relaxare a peliculei piezoelectrice, este de așteptat ca acesta să aibă o rezistivitate foarte mare, cel puțin ρv≥108Ω • cm. Rezistența filmului AlN este de 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, ceea ce este mult mai mare decât 108Ω · cm, așa că, în acest sens, AlN este un film foarte excelent. În plus, modificarea conductibilității electrice a filmelor piezoelectrice AlN cu temperatură urmează, de asemenea, legea 1nσ∝1 / T. Niciunul dintre cristalele cu efect piezoelectric nu are un centru de simetrie, astfel încât mobilitatea electronilor lor este, de asemenea, anizotropă, iar conductivitatea lor electrică este, de asemenea, diferită. Conductivitatea filmului piezoelectric de AlN de-a lungul direcției axei C este diferită de direcția perpendiculară pe axa C. Primul este cu aproximativ 1 până la 2 ordine de mărime mai mic.

3. Tangenta unghiului de pierdere
Tangenta de pierdere dielectrică a peliculei piezoelectrice de AlN este tanδ = 0,003 ～ 0,005, iar tanδ a peliculei de ZnO este mai mare, care este 0,005 ～ 0,01. Motivul pentru care tanδ acestor filme este atât de mare este că, pe lângă procesul de conductanță, aceste filme au și fenomene semnificative de relaxare. Similar filmului subțire dielectric, tan δ a peliculei groase piezoelectrice crește treptat odată cu creșterea temperaturii și frecvenței și cu creșterea umidității. În plus, pe măsură ce grosimea filmului scade, tan δ tinde să crească. Evident, creșterea tan δ cu temperatura se datorează creșterii conductanței și creșterii relaxanților. Creste cu frecventa deoarece numarul timpilor de relaxare in timp creste.

4. Puterea de defalcare
Deoarece intensitatea câmpului de defalcare dielectrică aparține parametrului de rezistență, iar diferitele defecte sunt inevitabile în film, puterea câmpului de defalcare a filmului piezoelectric are o dispersie considerabilă; teoria defalcării dielectrice .Intensitatea câmpului de defalcare ar trebui să crească treptat pe măsură ce grosimea filmului scade. Dar, de fapt, deoarece filmul conține multe defecte, efectul defectului este mai semnificativ cu cât grosimea este mai mică, astfel încât atunci când grosimea este redusă la o anumită valoare, puterea câmpului de defalcare a filmului devine mult mai mică. Intensitatea câmpului de defalcare a filmului, pe lângă motivele filmului în sine, are și influența marginii electrodului în timpul testului. Deoarece cu cât filmul este mai gros, cu atât câmpul electric de la marginea electrodului este mai neuniform, astfel încât, pe măsură ce grosimea filmului crește, puterea câmpului de descompunere scade treptat. Pe lângă factorii de mai sus, intensitatea câmpului de defalcare a filmului dielectric depinde și de structura filmului. Pentru filmul piezoelectric, intensitatea câmpului de defalcare depinde și de direcția câmpului electric, adică este, de asemenea, anizotropă în intensitatea câmpului de defalcare. Datorită existenței limitelor de granule în pelicula policristalină, intensitatea câmpului său de descompunere este mai mică decât cea a filmului amorf; din motive similare, intensitatea câmpului de defalcare a peliculei piezoelectrice orientate preferenţial în direcţia de orientare a cerealelor este mai mare decât cea în direcţia perpendiculară. Intensitatea câmpului de defalcare este mai mică.

Ca și alte filme dielectrice, intensitatea câmpului de defalcare a filmului piezoelectric depinde și de unii factori externi, cum ar fi forma de undă a tensiunii, frecvența, temperatura și electrozii. Deoarece intensitatea câmpului de defalcare a filmului piezoelectric este legată de mulți factori, pentru același film, valorile intensității câmpului de defalcare raportate în literatura de specialitate sunt adesea inconsecvente și chiar variază foarte mult. De exemplu, puterea câmpului de defalcare a filmului ZnO este de 0,01 ~ 0,4MV / cm, filmul AlN este de 0,5 ~ 6,0MV / cm.

5. Performanța undelor acustice în vrac
Cei mai importanți parametri caracteristici ai traductoarelor piezoelectrice cu undă acustică în vrac sunt frecvența de rezonanță f0, impedanța acustică Za și coeficientul de cuplare electromecanic K, astfel încât viteza sunetului υ și coeficientul de temperatură al filmului piezoelectric, impedanța acustică și coeficientul de cuplare electromecanic sunt deosebit de stricte. Aceste proprietăți ale filmului nu depind numai de elasticitatea, proprietățile dielectrice, piezoelectrice și termice ale granulelor de cristal din film, dar sunt strâns legate de structura filmului piezoelectric, cum ar fi gradul de compactitate al granulelor și gradul de orientare preferată. În filmul piezoelectric, din cauza defectelor și tensiunii granulului de cristal, nu este un singur cristal perfect, astfel încât constanta fizică a filmului este ușor diferită de valoarea cristalului. Deoarece structura peliculei piezoelectrice este strâns legată de procesul de preparare, chiar și pentru aceeași peliculă piezoelectrică, valorile de performanță raportate în diferitele literaturi sunt adesea inconsecvente. Dintre toate filmele piezoelectrice anorganice neferoase, filmul AlN are o constantă elastică mare, dar o densitate scăzută și cea mai mare viteză a sunetului. Prin urmare, filmul este cel mai potrivit pentru dispozitive UHF și cu microunde.

6. Performanța undelor acustice de suprafață
Când unda acustică de suprafață se propagă în Traductor cilindric piezoelectric , amplitudinea sa de deplasare a particulelor se atenuează rapid pe măsură ce distanța de la suprafața mediului crește, astfel încât energia undelor acustice de suprafață este concentrată în principal în următoarele două lungimi de undă de pe suprafață. Performanța undei acustice de suprafață a materialului film poate fi exprimată ca următoarea formulă funcțională: performanța undei acustice de suprafață = F (materia primă, substrat, structura filmului, modul de undă, direcția de propagare, forma electrodului interdigital, produsul numărului de undă de grosime) Un tabel cu parametrii de performanță a undelor sonore nu poate fi reprezentat printr-o singură valoare. O altă proprietate a undei acustice a filmelor piezoelectrice este pierderea de transmisie. Deoarece filmele piezoelectrice sunt adesea folosite ca medii de transmisie acustică în dispozitivele cu unde de suprafață, sursa pierderii de transmisie este în principal împrăștierea undelor acustice în filmul piezoelectric și în substrat.

Metoda de preparare a peliculei piezoelectrice
Metodele de preparare a peliculelor subțiri piezoelectrice includ în principal metode tradiționale de acoperire în vid, inclusiv acoperirea prin evaporare în vid, acoperirea prin pulverizare și acoperirea prin depunere chimică în vapori cu o grosime de 0-18 μm și noua metodă sol-gel, metoda hidrotermală și metoda de depunere a filmului electroforetic piezoelectric ～ 100μm.
Filmul piezoelectric gros se referă de obicei la un film piezoelectric cu o grosime de 10 până la 100 μm. În comparație cu filmul subțire, proprietățile sale piezoelectrice și feroelectrice sunt mai puțin afectate de interfață și suprafață; din cauza grosimii sale relativ mari, acest tip de material PZT poate genera, de asemenea, o forță motrice mare și are o frecvență de operare mai largă; în comparație cu materialul în vrac, tensiunea de funcționare a acestuia este scăzută, frecvența de utilizare este mare și este compatibil cu procesele semiconductoare.

1. Acoperire prin evaporare în vid
Acoperirea prin evaporare în vid este de a evapora o substanță prin încălzire și de a o depune pe o suprafață solidă, care se numește acoperire de evaporare. Această metodă a fost propusă pentru prima dată de M. Faraday în 1857, iar modernizarea a devenit una dintre tehnologiile de acoperire utilizate în mod obișnuit.
Acoperirea prin evaporare în vid include următoarele trei procese de bază:
(1) Procesul de încălzire și evaporare, inclusiv procesul de margine de trecere de la faza condensată la faza gazoasă (fază solidă sau fază lichidă → fază gazoasă). Fiecare substanță care se evaporă are o presiune diferită a vaporilor saturați la diferite temperaturi. La evaporarea unui compus, componentele acestuia reacţionează, iar unele dintre ele intră în spaţiul de evaporare în stare gazoasă sau vapori.
(2) Transportul atomilor sau moleculelor vaporizate între sursa de evaporare și substrat și procesul de zbor al acestor exemple în atmosfera ambiantă. Numărul de ciocniri cu moleculele de gaz rezidual din camera de vid în timpul zborului depinde de calea liberă medie a atomilor evaporați și de distanța de la sursa de evaporare la substrat, numită adesea distanța sursă-bază.
(3) Procesul de precipitare a atomilor sau moleculelor evaporate pe suprafața substratului și condensarea vaporilor, nuclearea, creșterea nucleară și formarea unui film continuu. Deoarece temperatura substratului este mult mai mică decât temperatura sursei de evaporare, procesul de tranziție de fază a moleculelor de depozit pe suprafața substratului va avea loc direct de la faza gazoasă la faza solidă.
Când o substanță se evaporă, este important să se cunoască presiunea vaporilor saturați, viteza de evaporare și calea liberă medie a moleculelor evaporate. Există trei tipuri de surse de evaporare.

2. Acoperire prin pulverizare în vid
Un exemplu cu o energie cinetică mai mare de câteva sute de electroni volți sau un fascicul de ioni bombardează suprafața solidă, astfel încât atomii apropiați de suprafața solidă obțin o parte din energia particulelor incidente și lasă solidul să intre în vid. Acest fenomen se numește pulverizare. Fenomenul sputtering implică un proces complex de împrăștiere și este însoțit de diverse mecanisme de transfer de energie. În general, se crede că acest proces este în principal așa-numitul proces în cascadă de coliziune, adică ionii incidenti se ciocnesc elastic cu atomii țintă, astfel încât atomii țintă să obțină suficientă energie pentru a depăși bariera potențială formată de atomii din jur și a părăsi poziția inițială, iar atomii mai departe și din apropiere se ciocnesc. Când această cascadă de coliziune ajunge la suprafața atomului țintă, astfel încât atomii să obțină energie mai mare decât energia de legare la suprafață, acești atomi vor părăsi suprafața atomului țintă și vor intra într-un vid. Acum, mai multe cercetări privind acoperirea prin pulverizare prin pulverizare sunt acoperirea prin pulverizare prin magnetron. Pulverizarea cu magnetron este să efectueze pulverizarea de mare viteză la presiune scăzută și este necesară creșterea eficientă a ratei de ionizare a gazului. Prin introducerea unui câmp magnetic pe suprafața catodului țintă, câmpul magnetic este utilizat pentru a reține particulele încărcate pentru a crește densitatea plasmei pentru a crește rata de pulverizare. Utilizați un câmp magnetic extern pentru a capta electroni, a extinde și a limita calea de mișcare a electronilor, a crește rata de ionizare și a crește rata de acoperire.

3. Acoperire prin depunere chimică în vapori
Depunerea chimică în vapori este o metodă de creștere a vaporilor chimici, denumită tehnologie CVD (Depunerea în vapori chimici). În această metodă, gazul elementar care conține unul sau mai mulți compuși care constituie elementul de film subțire este furnizat substratului, iar filmul subțire necesar este format prin fază gazoasă sau reacție chimică pe suprafața substratului prin utilizarea surselor de energie precum încălzirea, plasmă, lumina ultravioletă sau chiar lumina laser. Deoarece metoda CVD utilizează diferite reacții gazoase pentru a pregăti pelicula subțire, compoziția filmului subțire poate fi controlată în mod arbitrar, astfel încât să poată fi produse multe materiale noi de film. Când metoda CVD este utilizată pentru a pregăti un film subțire, temperatura de creștere a acestuia este semnificativ mai mică decât punctul de topire al materialului constitutiv al filmului subțire, stratul de film rezultat are o uniformitate bună, are acoperire în trepte și este potrivit pentru substraturi cu forme complexe. Datorită avantajelor sale, cum ar fi rata mare de depunere, puține găuri, puritate ridicată, compactitate și puține defecte de formare a cristalelor, domeniul de aplicare a depunerii chimice în vapori este foarte larg. Metoda CVD poate fi utilizată pentru a pregăti materiale piezoelectrice cu peliculă groasă cu suprafață densă, netedă, grosime de 0 ~ 18μm și performanță excelentă. Prin urmare, în prepararea filmelor groase piezoelectrice, metoda CVD s-a dezvoltat rapid și a fost adoptată de mulți cercetători.

4. Noua metodă de gel soluție
Noua metodă sol-gel este de a adăuga pulberea preparată (aceeași compoziție ca și sol) în sol, apoi adăugați un anumit solvent organic la soluție ca dispersant, adăugați alți solvenți organici pentru a regla vâscozitatea și pH-ul soluției și, în final, nu vibrația ultrasonică continuă dispersează nano-pulberile în soluție și, în final, pulberea obține o soluție uniformă. Filmul necesar se depune pe substrat prin metoda sol-gel. În acest proces de depunere, particulele de pulbere acționează ca cristale de semințe.
În acest fel, se poate produce o peliculă groasă cu o grosime de zeci de microni. Evită problema crăpăturii sau chiar a călcării peliculei cauzată de pelicula groasă preparată prin metoda tradițională sol-gel. Componentele de peliculă groasă pregătite sunt amestecate uniform și cu o puritate ridicată și nu necesită sinterizare la temperatură ridicată, iar pelicula groasă rezultată este compatibilă cu procesul de preparare a semiconductorilor. Și echipamentul este simplu, costul este scăzut și compoziția membranei poate fi controlată, astfel încât această metodă este utilizată în prezent mai des.

5. Metoda hidrotermală
Metoda hidrotermală se referă la utilizarea unei soluții apoase ca mediu de reacție într-un vas de reacție închis special (autoclavă). Prin încălzirea vasului de reacție, se creează un mediu de reacție la temperatură înaltă, de înaltă presiune, astfel încât substanțele în mod normal insolubile sau insolubile sunt dizolvate și recristalizate. Pelicula groasă preparată prin această metodă constă în amestecarea stoechiometrică a unor compuși din componenta film groasă care urmează să fie preparată într-o soluție saturată într-un anumit mediu alcalin și ajustarea valorii PH. După aceea, soluția este transferată într-o autoclavă și o anumită grosime poate fi crescută pe substrat după un anumit timp de reacție.