П’єзоелектричні матеріали — це функціональні матеріали, які здійснюють перетворення між механічною енергією та електричною енергією (1)

П'єзоелектричні матеріали - це функціональні матеріали, які здійснюють перетворення між механічною енергією та електричною енергією. Його розвиток має давню історію. Після відкриття п'єзоелектричного ефекту на кристалах кварцу братами КЮРИ в 1880-х роках п'єзоелектричні матеріали почали привертати широку увагу. З поглибленням досліджень постійно з’являється велика кількість п’єзоелектричних матеріалів, таких як п’єзоелектричні функціональні керамічні матеріали, п’єзоплівка, п’єзоелектричні композитні матеріали тощо. Ці матеріали П'єзокерамічний диск має дуже широкий спектр використання та відіграє важливу роль у функціональних пристроях перетворення, таких як електрика, магнетизм, звук, світло, тепло, вологість, газ та сила.

П'єзоелектрична плівка PVDF

П'єзоелектрична плівка PVDF - це п'єзоелектрична плівка з полівініліденфториду. У 1969 році японці відкрили полімерний матеріал полівініліденфторид (полівініліденфторидний полімер), який називають PVDF, який має дуже сильний п'єзоелектричний ефект. Плівка PVDF в основному має два типи кристалів, а саме тип α і тип β. Кристал типу α не має п’єзоелектрики, але після згортання та розтягування плівки PVDF вихідний кристал типу α у плівці стає кристалічною структурою типу β. Коли розтягнута та поляризована плівка PVDF піддається зовнішній силі або деформації в певному напрямку, поляризована поверхня матеріалу генерує певний електричний заряд, а саме п’єзоелектричний ефект. п'єзокерамічний дисковий кристал.

У порівнянні з п'єзокерамікою і п'єзокристалами п'єзоелектричні плівки мають такі переваги:

(1) Легка вага, його щільність становить лише чверть звичайно використовуваної п’єзоелектричної кераміки PZT, наклеєна на об’єкт вимірювання, майже не впливає на оригінальну структуру, висока еластична гнучкість, може бути оброблена в певну форму, будь-яка вимірювальна поверхня може бути повністю підігнана, з високою механічною міцністю та ударостійкістю;

(2) Вихід високої напруги, за однакових умов напруги вихідна напруга в 10 разів вища, ніж у п’єзоелектричної кераміки;

(3) Висока діелектрична міцність може витримувати вплив сильного електричного поля (75 В/мкм), у цей час більшість п’єзоелектричної кераміки деполяризовано;

(4) Акустичний імпеданс низький, лише одна десята від п’єзоелектричної кераміки PZT, близько до води, тканин людини та в’язкого тіла;

(5) Частотна характеристика широка, електромеханічний ефект можна перетворити з 10-3 Гц на 109, а режим вібрації простий.

Таким чином, стрес і деформацію можна виміряти в механіці, акселерометри та модальні датчики вібрації можна зробити у вібрації, модальні датчики акустичного випромінювання та ультразвукові перетворювачі можна зробити акустично та використовувати в активному управлінні, а також можна використовувати в дослідженнях роботів. Використовується як тактильний датчик, також має застосування в медицині та вимірюванні ваги транспортних засобів,

В даний час дослідження тонкоплівкових матеріалів розвиваються в різних напрямках, висока продуктивність, нові процеси тощо, і їх фундаментальні дослідження також глибокі на молекулярному рівні, атомному рівні, нанорівні, мезоскопічній структурі тощо, тому дослідження функціональних тонкоплівкових матеріалів має велике значення.

Властивості п'єзоплівки

1. Діелектрична проникність

Незважаючи на те, що п’єзоелектрична плівка — це монокристалічна плівка або полікристалічна плівка з переважною орієнтацією, атомна упаковка в ній не така щільна й упорядкована, як у кристалі, тому значення діелектричної проникності п’єзоелектричної плівки відрізняється від значення кристала. На додаток до цього існують також великі залишкові внутрішні напруги, які часто зустрічаються в тонких плівках, і причини вимірювання, які також спричиняють відмінність значення діелектричної проникності тонкої плівки від відповідного значення кристала.

Існуючі дослідження показали, що діелектрична проникність п’єзоелектричної плівки не тільки пов’язана з орієнтацією кристала, але також залежить від умов випробування. Діелектрична проникність п'єзоелектричної плівки має значну дисперсію. На додаток до різниці внутрішньої напруги та умов випробувань, зазвичай вважається, що різниця між співвідношенням хімічного складу та товщиною плівки композиції плівки зменшується зі збільшенням товщини плівки. Крім того, діелектрична проникність п'єзоелектричної плівки також значно змінюватиметься зі зміною температури та частоти.

2. Питомий об'ємний опір

З точки зору зменшення діелектричних втрат і частоти релаксації п’єзоелектричної плівки очікується, що вона має високий питомий опір, принаймні ρv≥108Ω•см. Питомий опір плівки AlN становить 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ом · см, що набагато вище, ніж 108 Ом · см, тому в цьому відношенні плівка AlN є дуже чудовою. Крім того, зміна електропровідності п’єзоелектричних плівок AlN з температурою також відбувається за законом 1nσ∝1/T. Жоден з кристалів з п'єзоелектричним ефектом не має центру симетрії, тому їх рухливість електронів також анізотропна, а електропровідність також різна. Електропровідність п'єзоелектричної плівки AlN уздовж напрямку осі С відрізняється від напрямку, перпендикулярного осі С. Перший приблизно на 1-2 порядки менший.

3. Тангенс кута втрат

Тангенс діелектричних втрат п'єзоелектричної плівки AlN становить tanδ=0,003～0,005, а tanδ плівки ZnO більше, тобто 0,005～0,01. Причина, чому tanδ цих плівок настільки велика, полягає в тому, що на додаток до процесу провідності, ці плівки також мають значні явища релаксації. Подібно до діелектричної тонкої плівки, tan δ п’єзоелектричної товстої плівки поступово збільшується зі збільшенням температури та частоти та збільшенням вологості. Крім того, зі зменшенням товщини плівки tan δ має тенденцію до збільшення. Очевидно, що збільшення tanδ з температурою пов’язане зі збільшенням провідності та збільшенням релаксорів. Воно зростає з частотою, тому що кількість часів релаксації в часі збільшується.

4. Пробивна міцність

Оскільки напруженість поля діелектричного пробою є параметром міцності, то різні дефекти п'єзоелектричний напівсферичний перетворювач неминучий у плівці, напруженість поля пробою п'єзоелектричної плівки досить дисперсна; Теорія пробою діелектриків, для повної та непошкодженої плівки. Напруженість поля пробою повинна поступово зростати зі зменшенням товщини плівки. Але насправді, оскільки плівка містить багато дефектів, ефект дефекту є більш значним, оскільки товщина менша, тому, коли товщина зменшується до певного значення, напруженість поля пробою плівки різко зменшується. Окрім власної причини плівки, на напруженість поля пробою плівки також впливає край електрода під час випробування. Оскільки чим товща плівка, тим більш нерівномірне електричне поле на краю електрода, тому зі збільшенням товщини плівки її напруженість поля пробою поступово зменшується.

Крім перерахованих вище факторів, напруженість поля пробою діелектричної плівки також залежить від структури плівки. Для п’єзоелектричної плівки напруженість поля пробою також залежить від напрямку електричного поля, тобто вона також анізотропна за напруженістю поля пробою. Завдяки наявності меж зерен у полікристалічній плівці її напруженість поля пробою нижча, ніж у аморфної плівки; з подібних причин напруженість поля пробою переважно орієнтованої п’єзоелектричної плівки в напрямку орієнтації вища, ніж у перпендикулярному напрямку. Напруженість поля пробою нижча.

Як і в інших діелектричних плівках, напруженість поля пробою п’єзоелектричної плівки також залежить від деяких зовнішніх факторів, таких як форма хвилі напруги, частота, температура та електроди. Оскільки напруженість поля пробою п’єзоелектричної плівки пов’язана з багатьма факторами, для однієї плівки значення напруженості поля пробою, наведені у відповідній літературі, часто суперечать один одному і навіть сильно відрізняються. Наприклад, напруженість поля пробою плівки ZnO становить 0,01 ~ 0,4 МВ/см, плівки AlN — 0,5 ~ 6,0 МВ/см.

5. Об’ємна акустична хвиля

Найважливішими характерними параметрами об’ємних п’єзоелектричних перетворювачів акустичної хвилі є резонансна частота f0, акустичний опір Za та електромеханічний коефіцієнт зв’язку K, тому швидкість звуку υ та температурний коефіцієнт п’єзоелектричної плівки, акустичний опір та електромеханічний коефіцієнт зв’язку є особливо суворими. Ці властивості плівки не тільки залежать від пружності, діелектричних, п’єзоелектричних і теплових властивостей кристалічних зерен у плівці, але також тісно пов’язані зі структурою п’єзоелектричної плівки, такою як ступінь компактності зерен і ступінь переважної орієнтації. У п’єзоелектричній плівці, через дефекти та деформацію кристалічного зерна, це не хороший одиночний п’єзокристал, тому фізична константа плівки дещо відрізняється від значення кристала.

Оскільки структура п’єзоелектричної плівки тісно пов’язана з процесом підготовки, навіть для тієї самої п’єзоелектричної плівки значення продуктивності, зазначені в різних літературних джерелах, часто несумісні. Серед усіх неорганічних кольорових п’єзоелектричних плівок плівка AlN має велику пружну константу, але низьку щільність і найвищу швидкість звуку. Тому плівка найбільше підходить для УВЧ і мікрохвильових приладів.

6. Характеристики поверхневої акустичної хвилі

Коли поверхнева акустична хвиля поширюється в п’єзоелектричному середовищі, її амплітуда зміщення частинок швидко зменшується зі збільшенням відстані від поверхні середовища, тому енергія поверхневої акустичної хвилі в основному зосереджена на двох наступних довжинах хвилі на поверхні.

Ефективність поверхневої акустичної хвилі тонкоплівкових матеріалів можна виразити наступною функціональною формулою: характеристика поверхневої акустичної хвилі = F (сировинний матеріал, підкладка, структура плівки, мода хвилі, напрямок поширення, форма міжпальцевого електрода, добуток хвильового числа товщини)

Тому будь-який параметр продуктивності поверхневої акустичної хвилі п’єзоелектричної плівки не може бути представлений одним значенням. Ще одна властивість п’єзоелектричних плівок акустичної хвилі — це втрати при передачі. Оскільки п’єзоелектричні плівки часто використовуються як середовища передачі звуку в пристроях з поверхневими хвилями, джерелом втрат при передачі є головним чином розсіювання акустичних хвиль у п’єзоелектричній плівці та підкладці.