Piezoelektrische Keramikmaterialien sind funktionelle Materialien, die die Umwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie realisieren (1)

Piezoelektrische Materialien sind funktionelle Materialien, die die Umwandlung realisierenzwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie. Seine Entwicklung hat eine lange Geschichte. Seit der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts auf Quarzkristalle durch die Curie Brothers in den 1880er Jahren haben piezoelektrische Materialien weit verbreitete Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Mit der Vertiefung der Forschung eine große Anzahl piezoelektrischer Materialien wie piezoelektrische funktionelle Keramikmaterialien, Piezofilm, piezoelektrische Verbundwerkstoffe usw. haben diese Materialien eine sehr breite Palette von Verwendungsmöglichkeiten und spielen eine wichtige Rolle in funktionalen Konversionsgeräten wie z. B. Strom, Magnetismus, Schall, Licht, Wärme, Luftfeuchtigkeit, Gas und Kraft.

PVDF Piezoelektrischer Film
PVDF -Piezoelektrikfilm ist Polyvinylidenfluorid -Piezoelektrikfilm. 1969 entdeckten die Japaner das Polymermaterial Polyvinylidenfluorid (Polyvinylidenfluoridpolymer), das als PVDF bezeichnet wird und eine sehr starke piezoelektrische Wirkung hat. Der PVDF -Film hat hauptsächlich zwei Piezo -Kristalltypen, nämlich α -Typ und β -Typ. Der Piezo -Kristall vom Typ α hat keine Piezoelektrizität, aber nachdem der PVDF -Film gerollt und gestreckt wurde, wird der ursprüngliche α -Kristall im Film zu einer Kristallstruktur vom Typ β -Typ. Wenn der gestreckte und polarisierte PVDF -Film einer externen Kraft oder Deformation in eine bestimmte Richtung ausgesetzt ist, ist die polarisierte Oberfläche der polarisierte Oberfläche derUltraschallpegelwandler Erzeugt eine bestimmte elektrische Ladung, dh den piezoelektrischen Effekt.

Im Vergleich zu piezoelektrischen Keramik und piezoelektrischen Kristallen haben piezoelektrische Filme die folgenden Vorteile:

(1) Leichtes Gewicht, seine Dichte beträgt nur ein Viertel der häufig verwendeten piezoelektrischen Keramik -PZT, die auf das Messobjekt eingefügt wurde angepasst, mit hoher mechanischer Festigkeit und Schlagfestigkeit;
(2) Hochspannungsausgang unter den gleichen Spannungsbedingungen ist die Ausgangsspannung 10 -mal höher als die piezoelektrische Keramik.
(3) hohe dielektrische Festigkeit, die der Wirkung eines starken elektrischen Feldes (75 V / UM) standhalten kann, wurden zu dieser Zeit die meisten piezoelektrischen Keramiken depolarisiert;
(4) Die akustische Impedanz ist niedrig, nur ein Zehntel des piezoelektrischen Keramik -PZT, nahe Wasser, menschliches Gewebe und viskose Körper;
(5) Der Frequenzgang ist breit und der elektromechanische Effekt kann von 10-3 Hz auf 109 umgewandelt werden und der Schwingungsmodus ist einfach.

Piezo -Filmeigenschaften
1. Dielektrizitätskonstante
Obwohl der piezoelektrische Film ein einzelner Kristallfilm oder ein polykristalliner Film mit bevorzugter Ausrichtung ist, ist die atomare Packung nicht so dicht und geordnet wie im Kristall, so dass der dielektrische konstante Wert des piezoelektrischen Films vom Wert des Kristalls unterschiedlich ist . Darüber hinaus gibt es im Film häufig große innere interne Spannungen und die Gründe für die Messung, die auch dazu führen, dass der dielektrische konstante Wert des Films vom entsprechenden Wert des Kristalls unterscheidet.
Bestehende Studien haben gezeigt, dass die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Films nicht nur mit der Kristallorientierung zusammenhängt, sondern auch von den Testbedingungen abhängt. Die dielektrische Konstante des piezoelektrischen Films hat eine beträchtliche Dispersion. Zusätzlich zu dem Unterschied in der Innenspannung und der Testbedingungen wird allgemein angenommen, dass der Unterschied zwischen dem chemischen Zusammensetzungsverhältnis und der Filmdicke der Filmzusammensetzung mit der Dicke des Films abnimmt. Dünn und klein. Darüber hinaus ändert sich die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Dünnfilms auch mit Temperatur und Frequenz signifikant.

2. Volumenwiderstand
Aus der Sicht der Verringerung der dielektrischen Verlust- und Relaxationsfrequenz des piezoelektrischen Films wird erwartet, dass er einen sehr hohen Widerstand mit mindestens ρv ≥ 108 Ω aufweist. Der Widerstand des ALN -Films beträgt 2 × 1014 ~ 1 × 1015 Ω · cm, was viel höher als 108 Ω · cm ist. In dieser Hinsicht ist Aln ein sehr ausgezeichneter Film. Darüber hinaus folgt die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von aln -piezoelektrischen Filmen mit Temperatur auch dem 1Nσ∝1 / T -Gesetz. Keiner der Kristalle mit piezoelektrischem Effekt hat ein Symmetriezentrum, sodass ihre Elektronenmobilität auch anisotrop und ihre elektrische Leitfähigkeit unterschiedlich ist. Die Leitfähigkeit des aln-piezoelektrischen Films entlang der C-Achse-Richtung unterscheidet sich von der Richtung senkrecht zur C-Achse. Ersteres ist etwa 1 bis 2 Größenordnungen kleiner.

3. Verlustwinkel -Tangente
Der dielektrische Verlust -Tangente des aln -piezoelektrischen Films beträgt Tan & Dgr; = 0,003 ～ 0,005, und der Tanδ des ZnO -Films ist größer, was 0,005 ～ 0,01 beträgt. Der Grund, warum der Tanδ dieser Filme so groß ist, ist, dass diese Filme zusätzlich zum Leitfähigkeitsprozess auch erhebliche Entspannungsphänomene aufweisen. Ähnlich wie der dielektrische Dünnfilm nimmt das Tan δ des piezoelektrischen dicken Films allmählich mit zunehmender Temperatur und Frequenz und der Zunahme der Luftfeuchtigkeit zu. Wenn die Filmdicke abnimmt, nimmt Tan δ zu. Offensichtlich ist der Anstieg der Tan -δ mit Temperatur auf die Erhöhung der Leitfähigkeit und die Zunahme der Relaxoren zurückzuführen. Es nimmt mit der Frequenz zu, da die Anzahl der Entspannungszeiten in der Zeit zunimmt.

4. Breakdown -Stärke
Da die dielektrische Breakdown -Feldstärke zum Festigkeitsparameter gehört und verschiedene Defekte im Film unvermeidlich sind, hat die Breakdown -Feldstärke des piezoelektrischen Films eine beträchtliche Dispersion. Die dielektrische Breakdown -Theorie. Die Breakdown -Feldstärke sollte mit Abneiung der Filmdicke allmählich zunehmen. Da der Film viele Defekte enthält, ist die Wirkung des Defekts jedoch signifikanter, da die Dicke kleiner ist. Wenn die Dicke auf einen bestimmten Wert reduziert wird, wird die Aufschlüsselungsfeldstärke des Films stark kleiner. Die Breakdown -Feldstärke des Films hat zusätzlich zu den Gründen des Films selbst auch den Einfluss der Rand der Elektrode während des Tests. Seit dem dickeren Film ist das elektrische Feld am Rande der Elektrode desto ungleicher, so dass die Filmdicke mit zunehmender Stellung der Absäulchen allmählich abnimmt. Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren hängt die Breakdown -Feldstärke des dielektrischen Films auch von der Filmstruktur ab. Für den piezoelektrischen Film hängt die Breakdown -Feldstärke auch von der Richtung des elektrischen Feldes ab, dh er ist auch in der Breakdown -Feldstärke anisotrop. Aufgrund der Existenz von Korngrenzen im polykristallinen Film ist seine Aufschlüsselungsfeldstärke niedriger als die des amorphen Films. Aus ähnlichen Gründen ist die Breakdown -Feldstärke des bevorzugten piezoelektrischen Films in der Kornorientierungsrichtung höher als in senkrechter Richtung. Die Breakdown -Feldstärke ist geringer.

Wie bei anderen dielektrischen Filmen hängt auch die Breakdown -Feldstärke des piezoelektrischen Films von einigen externen Faktoren wie Spannungswellenform, Frequenz, Temperatur und Elektroden ab. Da die Breakdown -Feldstärke des piezoelektrischen Films mit vielen Faktoren zusammenhängt, sind für denselben Film die in der entsprechenden Literatur angegebenen Breakdown -Feldstärke häufig inkonsistent und variieren sogar stark. Beispielsweise beträgt die Breakdown -Feldstärke des ZnO -Films 0,01 ~ 0,4 mV / cm, der Aln -Film 0,5 ~ 6,0 mV / cm.

5. Akustikwellenleistung der Schüttung
Die wichtigsten charakteristischen Parameter der piezoelektrischen Bulk -Akustikwellen -Wandler sind Resonanzfrequenz F0, akustische Impedanz und elektromechanische Kopplungskoeffizient K, so Diese Eigenschaften des Films hängen nicht nur von der Elastizität, dielektrischen, piezoelektrischen und thermischen Eigenschaften der Kristallkörner im Film ab, sondern sind auch eng mit der Struktur des piezoelektrischen Films wie dem Grad der Kompaktheit der Körner und des Grades verwandt der bevorzugten Orientierung. In dem piezoelektrischen Film ist er aufgrund der Defekte und des Dehnungsstamms des Kristallkorns kein perfekter Einzelkristall, sodass die physikalische Konstante des Films etwas vom Kristallwert unterscheidet. Da die Struktur des piezoelektrischen Films eng mit dem Vorbereitungsprozess verbunden ist, selbst für denselben piezoelektrischen Film, sind die in den verschiedenen Literaturen angegebenen Leistungswerte häufig inkonsistent. Unter allen anorganischen nichteisen nichteisen piezoelektrischen Filmen hat der Aln-Film eine große elastische Konstante, aber eine niedrige Dichte und die höchste Klanggeschwindigkeit. Daher ist der Film für UHF- und Mikrowellengeräte am besten geeignet.

6. Oberflächen akustische Wellenleistung
Wenn sich die Oberflächen akustische Welle in der ausbreitetpiezoelektrischer Zylinderwandler, seine Partikelverschiebungsamplitude dämpft schnell, wenn der Abstand von der Oberfläche des Mediums zunimmt, so Die Akustikwellenleistung des Filmmaterials kann als folgende funktionelle Formel ausgedrückt werden: Oberflächen akustische Wellenleistung = F (Rohstoff, Substrat, Filmstruktur, Wellenmodus, Ausbreitungsrichtung, interdigitale Elektrodenform, Dicke -Wellenzahl -Produkt) Eine Tabelle von Schallwellenleistungsparametern können nicht durch einen einzelnen Wert dargestellt werden. Eine weitere akustische Welleneigenschaft von piezoelektrischen Filmen ist der Übertragungsverlust. Da piezoelektrische Filme häufig als akustische Transmissionsmedien in Oberflächenwellengeräten verwendet werden, ist die Quelle für den Übertragungsverlust hauptsächlich die Streuung von akustischen Wellen im piezoelektrischen Film und im Substrat.

Methode zur Vorbereitung von Piezoelektrikum
Die Herstellungsmethoden piezoelektrischer Dünnfilme umfassen hauptsächlich traditionelle Vakuumbeschichtungsmethoden, einschließlich Vakuumverdampfung, Sputterbeschichtung und chemischer Dampfabscheidung mit einer Dicke von 0-18 μm und neuer Sol-Gel-Methode, hydrothermaler Methode und elektrophoretischer Ablagerungsmethode 10 ～ 100 μm piezoelektrisches dickes Filmmaterial.
Dicker piezoelektrischer Film bezieht sich normalerweise auf einen piezoelektrischen Film mit einer Dicke von 10 bis 100 μm. Im Vergleich zum Dünnfilm sind seine piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von Grenzfläche und Oberfläche weniger beeinflusst. Aufgrund seiner relativ großen Dicke kann diese Art von PZT -Material auch eine große treibende Kraft erzeugen und eine breitere Betriebsfrequenz aufweist. Im Vergleich zum Massenmaterial ist seine Betriebsspannung gering, die Nutzungsfrequenz ist hoch und mit Halbleiterprozessen kompatibel.

1. Vakuumverdampfung Beschichtung
Durch die Vakuumverdampfung wird eine Substanz durch Erhitzen verdampft und auf einer festen Oberfläche abgelegt, die als Verdunstungsbeschichtung bezeichnet wird. Diese Methode wurde erstmals 1857 von M. Faraday vorgeschlagen, und die Modernisierung ist zu einer der häufig verwendeten Beschichtungstechnologien geworden.
Die Vakuumverdampfung umfasst die folgenden drei Grundprozesse:
(1) Heiz- und Verdampfungsprozess, einschließlich des Kantenprozesses des Wechsels von kondensierter Phase zu Gasphase (feste Phase oder Flüssigphase → Gasphase). Jede Verdampfsubstanz hat bei unterschiedlichen Temperaturen einen anderen gesättigten Dampfdruck. Beim Verdampfen einer Verbindung reagieren ihre Komponenten und einige von ihnen in den Verdampfungsraum in gasförmiger Zustand oder Dampf.
(2) Der Transport von verdampften Atomen oder Molekülen zwischen der Verdunstungsquelle und dem Substrat und dem Flugprozess dieser Beispiele in der Umgebungsatmosphäre. Die Anzahl der Kollisionen mit Restgasmolekülen in der Vakuumkammer während des Fluges hängt vom durchschnittlichen freien Pfad der verdampften Atome und dem Abstand von der Verdunstungsquelle zum Substrat ab, die häufig als Quellbasisentfernung bezeichnet wird.
(3) Der Niederschlagsprozess von verdampften Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche des Substrats und der Dampfkondensation, der Keimbildung, des Kernwachstums und der Bildung eines kontinuierlichen Films. Da die Temperatur des Substrats viel niedriger ist als die Temperatur der Verdampfungsquelle, tritt der Phasenübergangsprozess der Ablagerungsmoleküle auf der Substratoberfläche direkt von der Gasphase zur festen Phase auf.
Wenn eine Substanz verdunstet, ist es wichtig, den gesättigten Dampfdruck, die Verdunstungsrate und den durchschnittlichen freien Weg der verdampften Moleküle zu kennen. Es gibt drei Arten von Verdunstungsquellen.

2. Vakuum -Sputterbeschichtung
Ein Beispiel mit einer kinetischen Energie von mehr als einigen hundert Elektronenvolt oder einem Ionenstrahl bombardiert die feste Oberfläche, so dass die Atome nahe der festen Oberfläche einen Teil der Energie der einfallenden Partikel erhalten und den Feststoff in das Vakuum betreten lassen . Dieses Phänomen wird als Sputter bezeichnet. Das Sputter -Phänomen beinhaltet einen komplexen Streuvorgang und wird von verschiedenen Energieübertragungsmechanismen begleitet. Es wird allgemein angenommen, dass dieser Prozess hauptsächlich der sogenannte Kollisionskaskadenprozess ist, dh die einfallenden Ionen kollidieren elastisch mit den Zielatomen Die ursprüngliche Position und weitere und nahe gelegene Atome kollidieren. Wenn diese Kollisionskaskade die Oberfläche des Zielatoms erreicht, sodass die Atome Energie höher als die Oberflächenbindungsenergie erhalten, verlässt diese Atome die Oberfläche des Zielatoms und treten in ein Vakuum ein. Jetzt sind weitere Untersuchungen zur Sputterbeschichtung die Magnetron -Sputterbeschichtung. Magnetron-Sputter besteht darin, Hochgeschwindigkeitssputter unter niedrigem Druck durchzuführen, und es ist erforderlich, die Ionisierungsrate des Gases effektiv zu erhöhen. Durch die Einführung eines Magnetfelds auf der Oberfläche der Zielkathode wird das Magnetfeld verwendet, um die geladenen Partikel einzuschränken, um die Plasmaplasma -Dichte zu erhöhen, um die Sputterrate zu erhöhen. Verwenden Sie ein externes Magnetfeld, um Elektronen zu erfassen, den Bewegungsweg von Elektronen zu erweitern und zu beschränken, die Ionisationsrate zu erhöhen und die Beschichtungsrate zu erhöhen.

3. Chemische Dampfablagerungsbeschichtung
Chemische Dampfablagerung ist eine chemische Dampfwachstumsmethode, die als CVD -Technologie (chemische Dampfabscheidung) bezeichnet wird. Bei dieser Methode wird das Elementargas, das eine oder mehrere Verbindungen enthält, die das Dünnfilmelement bilden, dem Substrat geliefert, und der erforderliche Dünnfilm wird durch Gasphase oder chemische Reaktion auf der Oberfläche des Substrats gebildet, indem Energiequellen wie Erwärmung verwendet werden. Plasma, ultraviolettes Licht oder sogar Laserlicht. Da die CVD -Methode verschiedene Gasreaktionen verwendet, um den Dünnfilm vorzubereiten, kann die Zusammensetzung des Dünnfilms willkürlich kontrolliert werden, damit viele neue Filmmaterialien produziert werden können. Wenn die CVD -Methode zur Herstellung eines Dünnfilms verwendet wird, ist seine Wachstumstemperatur signifikant niedriger als der Schmelzpunkt des Dünnfilm -Bestandteils, die resultierende Filmschicht hat eine gute Gleichmäßigkeit, hat eine Schrittabdeckung und eignet sich für Substrate mit komplexen Formen. Aufgrund seiner Vorteile wie hoher Abscheidungsrate, wenigen Löcher, hohen Reinheit, Kompaktheit und wenigen kristallbildenden Defekten ist der Anwendungsbereich der chemischen Dampfablagerung sehr breit. Die CVD -Methode kann verwendet werden, um piezoelektrische dicke Filmmaterialien mit einer dichten, glatten Oberfläche, einer Dicke von 0 ～ 18 μm und einer hervorragenden Leistung herzustellen. Bei der Herstellung von piezoelektrischen dicken Filmen hat sich die CVD -Methode rasch entwickelt und von vielen Forschern übernommen.

4. Neue Lösungsgelmethode
Die neue Sol-Gel-Methode besteht darin, das vorbereitete Pulver (gleiche Zusammensetzung wie SOL) zum Sol hinzuzufügen und dann ein bestimmtes organisches Lösungsmittel zur Lösung als Dispergiermittel hinzuzufügen, andere organische Lösungsmittel hinzuzufügen, um die Viskosität und den pH-Wert der Lösung anzupassen. Und schließlich dispenziell kontinuierliche Ultraschallvibrationen die Nanokräger in der Lösung und erhalten schließlich eine gleichmäßige Pulverlösung. Der erforderliche Film wird durch die Sol-Gel-Methode auf dem Substrat hinterlegt. In diesem Abscheidungsprozess wirken die Pulverpartikel als Samenkristalle.
Auf diese Weise kann ein dicker Film mit einer Dicke von Zehnmikronen produziert werden. Es vermeidet das Problem, das durch die traditionelle Sol-Gel-Methode erstellt zu werden oder sogar zu filmen, wenn der dicke Film verursacht wird. Die vorbereiteten dicken Filmkomponenten sind gleichmäßig gemischt und in Reinheit hoch und erfordern kein Hochtemperatursintern, und der resultierende dicke Film ist mit dem Vorbereitungsprozess für Halbleiterverbindung vereinbar. Und die Ausrüstung ist einfach, die Kosten sind gering und die Membranzusammensetzung kann kontrolliert werden, sodass diese Methode derzeit häufiger angewendet wird.

5. Hydrothermale Methode
Das hydrothermale Verfahren bezieht sich auf die Verwendung einer wässrigen Lösung als Reaktionsmedium in einem speziell hergestellten geschlossenen Reaktionsgefäß (Autoklaven). Durch Erhitzen des Reaktionsgefäßs wird eine Hochtemperatur und Hochdruckreaktionsumgebung erzeugt, so dass normalerweise unlösliche oder unlösliche Substanzen gelöst und rekristallisiert werden. Der durch diese Methode erstellte dicke Film besteht darin, einige Verbindungen in der dicken Filmkomponente stöchiometrisch zu mischen, die in eine gesättigte Lösung in einem bestimmten alkalischen Medium hergestellt werden und den pH -Wert einstellen. Danach wird die Lösung in einen Autoklaven übertragen, und nach einer bestimmten Reaktionszeit kann eine bestimmte Dicke auf dem Substrat angebaut werden.