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

Piezoelektrische Materialien sind funktionelle Materialien, die die Umwandlung zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie realisieren. 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 begonnen, weit verbreitete Aufmerksamkeit zu erregen. Mit der Vertiefung der Forschung ist eine große Anzahl von piezoelektrischen Materialien kontinuierlich entstanden, wie z.Piezo -KeramikscheibeHaben Sie eine sehr breite Palette von Verwendungsmöglichkeiten und spielen eine wichtige Rolle bei funktionellen Umwandlungsgeräten wie 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 Kristalltypen, nämlich α -Typ und β -Typ. Der α -Typ -Kristall hat keine Piezoelektrizität, aber nachdem der PVDF -Film gerollt und gedehnt wurde, wird der ursprüngliche α -Kristall im Film zu einer Kristallstruktur vom Typ β -Typ. Wenn der gestreckte und polarisierte PVDF -Film in einer bestimmten Richtung einer externen Kraft oder Deformation ausgesetzt ist, erzeugt die polarisierte Oberfläche des Materials eine bestimmte elektrische Ladung, nämlich den piezoelektrischen EffektPiezo -Keramikscheibenkristall.

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 ist vollständig 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 Dielektrik -Festigkeit kann der Wirkung eines starken elektrischen Feldes (75 V/UM) standhalten. Zu diesem Zeitpunkt wurden 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.

Daher können Spannung und Dehnung in Mechaniken gemessen werden Sensor, hat auch Anwendungen in der medizinischen und Fahrzeuggewichtsmessung,

Gegenwärtig entwickelt sich die Forschung zu dünnen Filmmaterialien in verschiedenen Richtungen, hohen Leistung, neuen Prozessen usw., und ihre Grundlagenforschung ist auch tief in molekularer Ebene, Atomebene, Nanospiegel, mesoskopischer Struktur usw., also die Die Erforschung funktionaler Dünnfilmmaterialien ist von großer Bedeutung.

Piezo -Filmeigenschaften

1. Dielektrizitätskonstante

Obwohl der piezoelektrische Film ein einzelner Kristallfilm oder ein polykristalliner Film mit bevorzugter Orientierung ist, ist die atomare Packung nicht so eng und geordnet wie in einem Kristall, so dass der dielektrische konstante Wert des piezoelektrischen Films vom Wert des Kristalls unterschiedlich ist . Darüber hinaus gibt es in Dünnfilmen und Gründen für die Messung, die auch häufig in den inneren Innenspannungen zu finden sind, die auch dazu führen, dass der dielektrische konstante Wert des Dünnfilms 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 weist eine beträchtliche Dispersion auf. 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. Darüber hinaus wird sich die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Films mit der Änderung der Temperatur und Frequenz erheblich ändern.

2. Volumenwiderstand

Aus der Sicht der Verringerung der dielektrischen Verlust- und Relaxationsfrequenz des piezoelektrischen Films wird erwartet, dass er einen 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 elektrische Leitfähigkeit des aln-piezoelektrischen Films entlang der C-Achse-Richtung unterscheidet sich 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 steigt das tan δ des piezoelektrischen dicken Films allmählich mit zunehmender Temperatur und Frequenz und der Zunahme der Luftfeuchtigkeit an. Wenn die Filmdicke abnimmt, nimmt Tan δ zu. Offensichtlich ist die Zunahme von Tanδ mit Temperatur auf die Erhöhung der Leitfähigkeit und die Zunahme von Relaxoren zurückzuführen. Es nimmt mit der Frequenz zu, da die Anzahl der Entspannungszeiten in der Zeit zunimmt.

4. Breakdown -Stärke

Weil die dielektrische Breakdown -Feldstärke ein Festigkeitsparameter und verschiedene Mängel von istpiezoelektrischer Hemisphäre -Wandlersind im Film unvermeidbar, die Breakdown -Feldstärke des piezoelektrischen Films ist ziemlich dispergativ. Die Breakdown -Theorie der Dielektrika für einen vollständigen und intakten Film sollte mit Abnutzung der Filmdicke allmählich zunehmen, wenn die Filmdicke abnimmt. 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. Zusätzlich zur eigenen Ursache des Films wird die Aufschlüsselungsfeldstärke des Films während des Tests auch vom Rand der Elektrode beeinflusst. 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 seine 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 Orientierungsrichtung höher als in der senkrechten 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. Im piezoelektrischen Film ist es aufgrund der Defekte und des Dehnungsstamms des Kristallkorns kein guter einzelnen Piezokristall, sodass die physikalische Konstante des Films leicht vom Kristallwert unterschiedlich ist.

Da die Struktur des piezoelektrischen Films eng mit dem Vorbereitungsprozess verbunden ist, selbst für denselben piezoelektrischen Film, sind die in verschiedenen Literaturen angegebenen Leistungswerte häufig inkonsistent. Unter allen anorganischen 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 akustische Oberflächenwelle im piezoelektrischen Medium ausbreitet, wird ihre Amplitude der Partikelverschiebung schnell abschwächen, wenn der Abstand von der Oberfläche des Mediums zunimmt, so

Die akustische Oberflächenwellenleistung von Dünnfilmmaterialien kann als folgende funktionelle Formel ausgedrückt werden: Oberflächen akustische Wellenleistung = F (Rohstoff, Substrat, Filmstruktur, Wellenmodus, Ausbreitungsrichtung, interdigitierte Elektrodenform, Dickerwellenzahl -Produkt)

Daher kann jeder Oberflächen -Akustikwellenleistungsparameter des piezoelektrischen Films 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.