Piezoelektriska material är funktionella material som realiserar omvandlingen mellan mekanisk energi och elektrisk energi(1)

Piezoelektriska material är funktionella material som realiserar omvandlingen mellan mekanisk energi och elektrisk energi. Dess utveckling har en lång historia. Sedan CURIE-bröderna upptäckte den piezoelektriska effekten på kvartskristaller på 1880-talet har piezoelektriska material börjat väcka stor uppmärksamhet. Med den fördjupade forskningen har ett stort antal piezoelektriska material kontinuerligt uppstått, såsom piezoelektriska funktionella keramiska material, piezofilm, piezoelektriska kompositmaterial, etc. Dessa material piezokeramiska skivor har ett mycket brett användningsområde och spelar en viktig roll i funktionella omvandlingsanordningar som elektricitet, magnetism, ljud, ljus, värme, luftfuktighet, gas och kraft.

PVDF piezoelektrisk film

PVDF piezoelektrisk film är polyvinylidenfluorid piezoelektrisk film. 1969 upptäckte japanerna polymermaterialet polyvinylidenfluorid (polyvinylidenfluoridpolymer) kallat PVDF, som har en mycket stark piezoelektrisk effekt. PVDF-filmen har huvudsakligen två kristalltyper, nämligen α-typ och β-typ. Kristallen av α-typ har inte piezoelektricitet, men efter att PVDF-filmen har rullats och sträckts, blir den ursprungliga kristallen av α-typ i filmen en kristallstruktur av β-typ. När den sträckta och polariserade PVDF-filmen utsätts för extern kraft eller deformation i en viss riktning, kommer den polariserade ytan av materialet att generera en viss elektrisk laddning, nämligen den piezoelektriska effekten piezo keramisk skiva kristall.

Jämfört med piezoelektrisk keramik och piezoelektriska kristaller har piezoelektriska filmer följande fördelar:

(1) Låg vikt, dess densitet är bara en fjärdedel av den vanliga piezoelektriska keramiska PZT, klistrad på mätobjektet har nästan ingen effekt på den ursprungliga strukturen, hög elastisk flexibilitet, kan bearbetas till en specifik form kan vara vilken mätyta som helst är helt monterad, med hög mekanisk styrka och slaghållfasthet;

(2) Högspänningsutgång, under samma stressförhållanden är utspänningen 10 gånger högre än piezoelektrisk keramik;

(3) Hög dielektrisk hållfasthet kan motstå effekten av ett starkt elektriskt fält (75V/um), vid denna tidpunkt har de flesta piezoelektriska keramer depolariserats;

(4) Den akustiska impedansen är låg, endast en tiondel av den piezoelektriska keramiska PZT, nära vatten, mänsklig vävnad och trögflytande kropp;

(5) Frekvenssvaret är brett, och den elektromekaniska effekten kan omvandlas från 10-3Hz till 109, och vibrationsläget är enkelt.

Därför kan spänning och töjning mätas i mekanik, accelerometrar och vibrationsmodala sensorer kan tillverkas i vibration, akustiska strålningsmodala sensorer och ultraljudsgivare kan tillverkas akustiskt och användas i aktiv styrning, och kan användas i robotforskning. Används som taktil sensor, har även applikationer inom medicinsk och fordonsviktmätning,

För närvarande utvecklas forskningen om tunnfilmsmaterial i olika riktningar, hög prestanda, nya processer, etc., och dess grundforskning är också djup på molekylnivå, atomnivå, nanonivå, mesoskopisk struktur etc., så forskningen av funktionella tunnfilmsmaterial är av stor betydelse.

Piezofilmegenskaper

1. Dielektrisk konstant

Även om den piezoelektriska filmen är en enkristallfilm eller en polykristallin film med föredragen orientering, är atompackningen i den inte lika tät och ordnad som i en kristall, så det dielektriska konstantvärdet för den piezoelektriska filmen skiljer sig från kristallens värde. Utöver detta finns det också stora kvarvarande inre spänningar som ofta återfinns i tunna filmer och skäl för mätning, vilket också gör att dielektriska konstantvärdet för den tunna filmen skiljer sig från motsvarande värde för kristallen.

Befintliga studier har visat att den piezoelektriska filmens dielektriska konstant inte bara är relaterad till kristallorienteringen utan också beror på testförhållandena. Den piezoelektriska filmens dielektriska konstant har avsevärd dispersion. Förutom skillnaden i inre spänningar och testförhållanden, antas skillnaden mellan förhållandet mellan den kemiska sammansättningen och filmkompositionens filmtjocklek i allmänhet minska med filmens tjocklek. Dessutom kommer den dielektriska konstanten för den piezoelektriska filmen också att förändras avsevärt med förändringen av temperatur och frekvens.

2. Volymresistivitet

Ur perspektivet att reducera den dielektriska förlusten och relaxationsfrekvensen för den piezoelektriska filmen förväntas det att den har en hög resistivitet, åtminstone ρv≥108Ω•cm. Resistiviteten för AlN-film är 2×1014~1×1015Ω·cm, vilket är mycket högre än 108Ω·cm, så i detta avseende är AlN en mycket utmärkt film. Dessutom följer förändringen i elektrisk ledningsförmåga hos AlN piezoelektriska filmer med temperatur också 1nσ∝1/T-lagen. Ingen av kristallerna med piezoelektrisk effekt har ett symmetricentrum, så deras elektronrörlighet är också anisotropisk och deras elektriska ledningsförmåga är också annorlunda. Den elektriska ledningsförmågan hos den piezoelektriska AlN-filmen längs C-axelns riktning skiljer sig från riktningen vinkelrät mot C-axeln. Den förra är cirka 1 till 2 storleksordningar mindre.

3. Förlustvinkeltangens

Den dielektriska förlusttangensen för den AlN piezoelektriska filmen är tanδ=0,003~0,005, och tanδ för ZnO-filmen är större, vilket är 0,005~0,01. Anledningen till att tanδ hos dessa filmer är så stor är att förutom konduktansprocessen har dessa filmer också betydande avslappningsfenomen. I likhet med den dielektriska tunna filmen ökar tan δ hos den piezoelektriska tjocka filmen gradvis med ökningen av temperatur och frekvens och ökningen av fuktighet. Dessutom, när filmtjockleken minskar, tenderar tan 5 att öka. Uppenbarligen beror ökningen i tanδ med temperaturen på ökningen i konduktans och ökningen av relaxorer. Den ökar med frekvensen eftersom antalet avslappningstider i tiden ökar.

4. Nedbrytningsstyrka

Eftersom den dielektriska nedbrytningsfältstyrkan är en hållfasthetsparameter, och olika defekter av piezoelektriska halvklotsgivare är oundvikliga i filmen, nedbrytningsfältstyrkan hos den piezoelektriska filmen är ganska dispersiv; nedbrytningsteorin för dielektrikum, för en komplett och intakt film. Nedbrytningsfältstyrkan bör gradvis öka när filmtjockleken minskar. Men i själva verket, eftersom filmen innehåller många defekter, är effekten av defekten mer signifikant eftersom tjockleken är mindre, så när tjockleken reduceras till ett visst värde blir filmens nedbrytningsfältstyrka kraftigt mindre. Förutom filmens egen orsak påverkas även filmens nedbrytningsfältstyrka av elektrodens kant under testet. Eftersom ju tjockare filmen är, desto ojämnare blir det elektriska fältet vid elektrodens kant, så när filmtjockleken ökar minskar dess nedbrytningsfältstyrka gradvis.

Förutom ovanstående faktorer beror nedbrytningsfältstyrkan hos den dielektriska filmen också på filmstrukturen. För den piezoelektriska filmen beror dess nedbrytningsfältstyrka också på det elektriska fältets riktning, det vill säga den är också anisotropisk i nedbrytningsfältstyrkan. På grund av förekomsten av korngränser i den polykristallina filmen är dess nedbrytningsfältstyrka lägre än den för den amorfa filmen; av liknande skäl är nedbrytningsfältstyrkan för den föredraget orienterade piezoelektriska filmen i orienteringsriktningen högre än den i den vinkelräta riktningen. Nedbrytningsfältstyrkan är lägre.

Liksom andra dielektriska filmer beror nedbrytningsfältstyrkan hos den piezoelektriska filmen också på vissa yttre faktorer, såsom spänningsvågform, frekvens, temperatur och elektroder. Eftersom nedbrytningsfältstyrkan för den piezoelektriska filmen är relaterad till många faktorer, för samma film, är värdena för nedbrytningsfältstyrka som rapporteras i den relevanta litteraturen ofta inkonsekventa och varierar till och med mycket. Till exempel är nedbrytningsfältstyrkan för ZnO-filmen 0,01 ~0,4MV/cm, AlN-film är 0,5~6,0MV/cm.

5. Bulk akustisk vågprestanda

De viktigaste karakteristiska parametrarna för piezoelektriska bulkvågor är resonansfrekvens f0, akustisk impedans Za och elektromekanisk kopplingskoefficient K, så ljudhastigheten υ och temperaturkoefficienten för piezoelektrisk film, akustisk impedans och elektromekanisk kopplingskoefficient är särskilt strikta. Dessa egenskaper hos filmen beror inte bara på elasticiteten, dielektriska, piezoelektriska och termiska egenskaperna hos kristallkornen i filmen, utan är också nära relaterade till strukturen hos den piezoelektriska filmen, såsom graden av kompakthet hos kornen och graden av föredragen orientering. I den piezoelektriska filmen, på grund av defekterna och spänningen i kristallkornet, är det inte en bra enkel piezokristall, så filmens fysiska konstant skiljer sig något från kristallvärdet.

Eftersom strukturen hos den piezoelektriska filmen är nära relaterad till förberedelseprocessen, även för samma piezoelektriska film, är prestandavärdena som rapporteras i olika litteraturer ofta inkonsekventa. Bland alla oorganiska icke-järnhaltiga piezoelektriska filmer har AlN-filmen en stor elasticitetskonstant, men en låg densitet och den högsta ljudhastigheten. Därför är filmen mest lämplig för UHF- och mikrovågsapparater.

6. Ytans akustiska vågprestanda

När den akustiska ytvågen utbreder sig i det piezoelektriska mediet, dämpas dess amplitud av partikelförskjutning snabbt när avståndet från mediets yta ökar, så den akustiska ytvågsenergin koncentreras huvudsakligen till de kommande två våglängderna på ytan.

Ytans akustiska vågprestanda för tunna filmmaterial kan uttryckas som följande funktionella formel: ytakustiska vågprestanda = F (råmaterial, substrat, filmstruktur, vågläge, utbredningsriktning, interdigiterad elektrodform, tjockleksvågnummerprodukt)

Därför kan någon prestandaparameter för ytvågor för den piezoelektriska filmen inte representeras av ett enda värde. En annan akustisk vågegenskap hos piezoelektriska filmer är transmissionsförlust. Eftersom piezoelektriska filmer ofta används som akustiska transmissionsmedier i ytvågsanordningar, är källan till transmissionsförlust huvudsakligen spridningen av akustiska vågor i den piezoelektriska filmen och substratet.