Los materiales piezoeléctricos son materiales funcionales que realizan la conversión entre energía mecánica y energía eléctrica (1)

Los materiales piezoeléctricos son materiales funcionales que realizan la conversión entre la energía mecánica y la energía eléctrica. Su desarrollo tiene una larga historia. Desde el descubrimiento del efecto piezoeléctrico en los cristales de cuarzo por los hermanos Curie en la década de 1880, los materiales piezoeléctricos han comenzado a atraer la atención generalizada. Con la profundización de la investigación, se han surgido un gran número de materiales piezoeléctricos, tales como materiales cerámicos funcionales piezoeléctricos, película piezo, materiales compuestos piezoeléctricos, etc. Estos materiales.Disco cerámico PIZOTener una amplia gama de usos, y desempeñar un papel importante en los dispositivos de conversión funcionales, como la electricidad, el magnetismo, el sonido, la luz, el calor, la humedad, el gas y la fuerza.

Película piezoeléctrica PVDF

Película piezoeléctrica PVDF es una película piezoeléctrica de fluoruro de polivinilideno. En 1969, los japoneses descubrieron el fluoruro de polivinilideno de material polímero (polímero de fluoruro de polivinilideno) denominado PVDF, que tiene un efecto piezoeléctrico muy fuerte. La película PVDF tiene principalmente dos tipos de cristal, a saber, tipo α y tipo β. El cristal tipo α no tiene piezoelectricidad, sino que después de la película PVDF se enrolla y se estira, el cristal de tipo α original en la película se convierte en una estructura de cristal de tipo β. Cuando la película PVDF estirada y polarizada se somete a fuerza externa o deformación en una determinada dirección, la superficie polarizada del material generará una cierta carga eléctrica, a saber, el efecto piezoeléctrico.Cristal de disco de cerámica piezo..

En comparación con las cerámicas piezoeléctricas y los cristales piezoeléctricos, las películas piezoeléctricas tienen las siguientes ventajas:

(1) Peso ligero, su densidad es solo una cuarta parte del PZT cerámico piezoeléctrico comúnmente utilizado, pegado en el objeto de medición casi no tiene ningún efecto en la estructura original, la alta flexibilidad elástica, se puede procesar en una forma específica puede ser cualquier superficie de medición. está completamente equipado, con alta resistencia mecánica y resistencia al impacto;

(2) de salida de alto voltaje, en las mismas condiciones de estrés, la tensión de salida es 10 veces más altas que las cerámicas piezoeléctricas;

(3) la alta resistencia dieléctrica puede soportar el efecto del campo eléctrico fuerte (75V / um), en este momento, la mayoría de las cerámicas piezoeléctricas han sido despolarizadas;

(4) La impedancia acústica es baja, solo una décima parte de la PZT cerámica piezoeléctrica, cerca del agua, el tejido humano y el cuerpo viscoso;

(5) La respuesta de frecuencia es amplia, y el efecto electromecánico se puede convertir de 10-3Hz a 109, y el modo de vibración es simple.

Por lo tanto, el estrés y la tensión se pueden medir en mecánicos, los acelerómetros y los sensores modales de vibración se pueden realizar en vibración, los sensores modales de radiación acústica y los transductores ultrasónicos se pueden realizar de manera acústica y utilizada en el control activo, y se pueden usar en la investigación de robots utilizados como un táctil. El sensor, también tiene aplicaciones en medición de peso médico y vehículo,

En la actualidad, la investigación sobre materiales de película delgada se está desarrollando en diversas direcciones, alto rendimiento, nuevos procesos, etc., y su investigación básica también es profunda en el nivel molecular, nivel atómico, nivel nano, estructura mesoscópica, etc., por lo que la La investigación de materiales de película delgada funcional es de gran importancia.

Propiedades de la película piezo

1. constante dieléctrica

Aunque la película piezoeléctrica es una película de cristal simple o una película policristalina con orientación preferida, el embalaje atómico en él no es tan ajustado y ordenado como en un cristal, por lo que el valor constante dieléctrico de la película piezoeléctrica es diferente del valor del cristal. . Además de esto, también hay grandes tensiones internas residuales que se encuentran a menudo en películas delgadas y razones para la medición, que también hacen que el valor constante dieléctrico de la película delgada sea diferente del valor correspondiente del cristal.

Los estudios existentes han demostrado que la constante dieléctrica de la película piezoeléctrica no solo está relacionada con la orientación de cristal, sino que también depende de las condiciones de prueba. La constante dieléctrica de la película piezoeléctrica tiene una dispersión considerable. Además de la diferencia en la tensión interna y las condiciones de prueba, generalmente se cree que la diferencia entre la relación de composición química y el espesor de la película de la composición de la película disminuye con el grosor de la película. Además, la constante dieléctrica de la película piezoeléctrica también cambiará significativamente con el cambio de temperatura y frecuencia.

2. Resistividad de volumen

Desde la perspectiva de reducir la pérdida dieléctrica y la frecuencia de relajación de la película piezoeléctrica, se espera que tenga una alta resistividad, al menos ρv≥108Ω • cm. La resistividad de la película ALN es de 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · CM, que es mucho más alta que 108Ω · CM, por lo que a este respecto, Aln es una película muy excelente. Además, el cambio en la conductividad eléctrica de las películas piezoeléctricas de ALN con la temperatura también sigue la ley de 1NΣα1 / T. Ninguno de los cristales con efecto piezoeléctrico tiene un centro de simetría, por lo que su movilidad electrónica también es anisotrópica y su conductividad eléctrica también es diferente. La conductividad eléctrica de la película Piezoeléctrico ALN a lo largo de la dirección del eje C es diferente de la dirección perpendicular al eje C. El primero es de 1 a 2 pedidos de magnitud más pequeño.

3. Pérdida de ángulo tangente

La pérdida dieléctrica de la película de la película Aln piezoeléctrica es TANΔ = 0.003 ~ 0.005, y el TANΔ de la película ZNO es mayor, lo cual es 0.005 ~ 0.01. La razón por la cual el TANΔ de estas películas es tan grande es que, además del proceso de conductancia, estas películas también tienen fenómenos de relajación significativos. Similar a la película delgada dieléctrica, el bronceado de la película gruesa piezoeléctrica aumenta gradualmente con el aumento de la temperatura y la frecuencia y el aumento de la humedad. Además, a medida que el grosor de la película disminuye, TAN Δ tiende a aumentar. Obviamente, el aumento de TANΔ con la temperatura se debe al aumento de la conductancia y el aumento de los relajantes. Aumenta con frecuencia porque aumenta el número de tiempos de relajación en el tiempo.

4. Fuerza de avería

Debido a que la intensidad del campo de desglose dieléctrico es un parámetro de fuerza y ​​varios defectos deTransductor de hemisferio piezoeléctricoson inevitables en la película, la fuerza de campo de desglose de la película piezoeléctrica es bastante dispersiva; La teoría de desglose de dielectrics, para una película completa e intacta, la resistencia del campo de desglose debe aumentar gradualmente a medida que disminuye el espesor de la película. Pero, de hecho, debido a que la película contiene muchos defectos, el efecto del defecto es más significativo, ya que el grosor es más pequeño, por lo que cuando el grosor se reduce a un cierto valor, la intensidad del campo de desglose de la película se vuelve bruscamente menor. Además de la causa propia de la película, la resistencia al campo de desglose de la película también se ve afectada por el borde del electrodo durante la prueba. Dado que la película más gruesa, cuanto más desigual, el campo eléctrico en el borde del electrodo, de modo que aumenta el grosor de la película, su fuerza de campo de desglose disminuye gradualmente.

Además de los factores anteriores, la intensidad de campo de desglose de la película dieléctrica también depende de la estructura de la película. Para la película piezoeléctrica, su fuerza campo de ruptura también depende de la dirección del campo eléctrico, que es, también es anisotrópica en la intensidad de campo de ruptura. Debido a la existencia de límites de grano en la película policristalina, su fuerza de campo de desglose es menor que la de la película amorfa; Por razones similares, la intensidad de campo ruptura de la película piezoeléctrica orientada preferentemente en la dirección de orientación es mayor que en la dirección perpendicular intensidad de campo desglose .El es menor.

Al igual que otras películas dieléctricas, la intensidad de campo ruptura de la película piezoeléctrica también depende de algunos factores externos, tales como forma de onda de voltaje, la frecuencia, la temperatura y electrodos. Debido a que la fuerza de campo de desglose de la película piezoeléctrica está relacionada con muchos factores, para la misma película, los valores de intensidad de campo de desglose reportados en la literatura relevante a menudo son inconsistentes, e incluso varían mucho. Por ejemplo, la intensidad de campo ruptura de la película de ZnO es de 0,01 ~ 0.4MV / cm, película de AlN es 0,5 ~ 6.0MV / cm.

5. Rendimiento de la onda acústica a granel

Los parámetros característicos más importantes de los transductores piezoeléctricos de onda acústica a granel son la frecuencia de resonancia F0, la impedancia acústica ZA y el coeficiente de acoplamiento electromecánico K, por lo que la velocidad del sonido y el coeficiente de temperatura de la película piezoeléctrica, la impedancia acústica y el coeficiente de acoplamiento electromecánico son particularmente estrictos. Estas propiedades de la película no solo dependen de la elasticidad, la dieléctrica, la piezoeléctrica y las propiedades térmicas de los granos de cristal en la película, sino que también están estrechamente relacionados con la estructura de la película piezoeléctrica, como el grado de compacidad de los granos y el grado. de orientación preferida. En la película piezoeléctrica, debido a los defectos y cepa del grano de cristal, no es un buen cristal piezoeléctrico individual, por lo que la constante física de la película es ligeramente diferente del valor de cristal.

Debido a que la estructura de la película piezoeléctrica está estrechamente relacionado con el proceso de preparación, incluso para la misma película piezoeléctrica, los valores de rendimiento reportados en diversas literaturas menudo son incompatibles. Entre todas las películas piezoeléctricas no ferrosos inorgánicos, la película AlN tiene una constante elástica grande, pero una baja densidad y la más alta velocidad del sonido. Por lo tanto, la película es más adecuada para dispositivos UHF y microondas.

6. Rendimiento de la onda acústica superficial

Cuando la superficie se propaga de ondas acústicas en el medio piezoeléctrico, su amplitud de desplazamiento atenúa partícula rápidamente a medida que la distancia desde la superficie del medio aumenta, por lo que la energía de onda acústica de superficie se concentra principalmente en los próximos dos longitudes de onda en la superficie.

El rendimiento de la onda acústica de la superficie de los materiales de película delgada se puede expresar como la siguiente fórmula funcional: rendimiento de onda acústica superficial = F (materia prima, sustrato, estructura de película, modo de onda, dirección de propagación, forma de electrodo interdigitada, producto de onda de grosor)

Por lo tanto, cualquier parámetro de rendimiento de onda acústica de superficie de la película piezoeléctrica no se puede representar por un solo valor. Otra propiedad de onda acústica de las películas piezoeléctricas es la pérdida de transmisión. Debido a que las películas piezoeléctricas se usan a menudo como medios de transmisión acústica en dispositivos de onda de superficie, la fuente de pérdida de transmisión es principalmente la dispersión de las ondas acústicas en la película piezoeléctrica y el sustrato.