Materialele 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 început să atragă atenția pe scară largă. Odată cu aprofundarea cercetării, au apărut continuu un număr mare de materiale piezoelectrice, cum ar fi materiale ceramice funcționale piezoelectrice, film piezoelectric, materiale compozite piezoelectrice etc. Aceste materiale Discurile piezo ceramice au o gamă foarte largă de utilizări și joacă un rol important în dispozitivele de conversie funcționale, cum ar fi electricitatea, magnetismul, sunetul, lumina, căldura, umiditatea, gazul și forța.

Film piezoelectric PVDF

Filmul 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, și anume, tipul α și tipul β. Cristalul 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. Când filmul PVDF întins și polarizat este supus unei forțe externe sau deformări într-o anumită direcție, suprafața polarizată a materialului va genera o anumită sarcină electrică, și anume efectul piezoelectric cristal de disc piezo-ceramic.

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, lipită pe obiectul de măsurat nu are aproape niciun efect asupra structurii originale, flexibilitate elastică ridicată, poate fi procesată într-o formă specifică poate fi orice suprafață 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) Rigiditatea dielectrică ridicată poate rezista efectului 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.

Prin urmare, stresul și deformarea pot fi măsurate în mecanică, accelerometrele și senzorii modali de vibrații pot fi fabricați în vibrații, senzorii modali de radiații acustice și traductoarele cu ultrasunete pot fi realizate acustic și utilizați în control activ și pot fi utilizați în cercetarea roboților. Utilizat ca senzor tactil, are aplicații și în măsurarea greutății medicale și a vehiculelor

În prezent, cercetarea materialelor cu peliculă subțire se dezvoltă în diverse direcții, performanță ridicată, procese noi etc., iar cercetarea sa de bază este, de asemenea, profundă la nivel molecular, nivel atomic, nivel nano, structura mezoscopică etc., astfel încât cercetarea materialelor funcționale cu film subțire are o mare importanță.

Proprietăți ale peliculei piezoelectrice

1. Constanta dielectrica

Deși filmul piezoelectric este o peliculă monocristalină sau o peliculă policristalină cu orientare preferată, ambalajul atomic din acesta nu este la fel de strâns și ordonat ca într-un cristal, astfel încât valoarea constantei dielectrice a filmului piezoelectric este diferită de valoarea cristalului. În plus, există, de asemenea, tensiuni interne reziduale mari care se găsesc adesea în peliculele subțiri și motive pentru măsurare, care fac, de asemenea, ca valoarea constantei dielectrice a filmului subțire 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. În plus, constanta dielectrică a peliculei piezoelectrice se va schimba semnificativ odată cu schimbarea temperaturii și a frecvenței.

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 ridicată, cel puțin ρv≥108Ω•cm. Rezistivitatea 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 electrică a 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. Pierderea unghiului tangentei

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 tanδ cu temperatura se datorează creșterii conductanței și creșterii relaxanților. Creste cu frecventa deoarece numarul timpilor de relaxare in timp creste.

4. Forța de defalcare

Deoarece intensitatea câmpului de defalcare dielectrică este un parametru de rezistență și diverse defecte ale traductoarele piezoelectrice emisfere sunt inevitabile în film, puterea câmpului de defalcare a filmului piezoelectric este destul de dispersiv; teoria defalcării dielectricilor, pentru un film complet și intact, 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. Pe lângă cauza proprie a filmului, puterea câmpului de defalcare a filmului este, de asemenea, afectată de marginea 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, puterea 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 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 de ZnO este de 0,01 ~ 0,4 MV/cm, filmul de AlN este de 0,5 ~ 6,0 MV/cm.

5. Performanță în volum a undelor acustice

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 piezoelectric bun, astfel încât constanta fizică a filmului este ușor diferită de valoarea cristalului.

Deoarece structura filmului piezoelectric este strâns legată de procesul de preparare, chiar și pentru aceeași peliculă piezoelectrică, valorile de performanță raportate în diverse 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 mediul piezoelectric, amplitudinea deplasării 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 undelor acustice de suprafață a materialelor cu film subțire 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 interdigitat, produsul cu numărul de undă de grosime)

Prin urmare, orice parametru de performanță a undelor acustice de suprafață al filmului piezoelectric 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.