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

Los materiales piezoeléctricos son materiales funcionales que realizan la conversiónentre la energía mecánica y energía eléctrica. Su desarrollo tiene una larga historia. Desde el descubrimiento del efecto piezoeléctrico en cristales de cuarzo por los hermanos Curie de la década de 1880, los materiales piezoeléctricos han atraído la atención general. Con la profundización de la investigación, un gran número de materiales piezoeléctricos, tales como materiales piezoeléctricos funcionales de cerámica, la película piezoeléctrica, materiales compuestos piezoeléctricos, etc. Estos materiales tienen una muy amplia gama de usos, y juega un papel importante en los dispositivos de conversión funcionales tales como electricidad, magnetismo, sonido, la luz, el calor, la humedad, el gas y la fuerza.

película piezoeléctrica de PVDF
PVDF película piezoeléctrica de fluoruro de polivinilideno es película piezoeléctrica. En 1969, los japoneses descubrió el material de fluoruro de polivinilideno (polímero de fluoruro de polivinilideno) polímero denomina PVDF, que tiene un muy fuerte efecto piezoeléctrico. La película PVDF tiene principalmente dos tipos de cristales piezo, a saber, el tipo α y β tipo. El cristal piezo tipo α no tiene piezoelectricidad, pero después de la película de 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 de PVDF estirado y polarizada se somete a una fuerza externa o la deformación en una cierta dirección, la superficie polarizada delTransductor de nivel ultrasónico generará una cierta carga eléctrica, es decir, el efecto piezoeléctrico.

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

(1) El peso ligero, su densidad es sólo un cuarto de la PZT cerámico piezoeléctrico utilizado comúnmente, pegada en el objeto de medición ha casi ningún efecto sobre la estructura original, alta flexibilidad elástica, puede ser procesada en una forma específica La superficie de medición es completamente equipada, 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) alta resistencia dieléctrica que 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.

Propiedades de la película piezo
1. constante dieléctrica
Aunque la película piezoeléctrica es una película de cristal sola o una película policristalina con orientación preferida, el embalaje atómico no es tan denso y ordenado como en el cristal, por lo que el valor constante dieléctrico de la película piezoeléctrica es diferente del valor del cristal. . Además de esto, a menudo hay grandes tensiones internas residuales en la película y las razones para la medición, que también hacen que el valor constante dieléctrico de la película 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. Delgado y pequeño Además, la constante dieléctrica de la película delgada piezoeléctrica también cambiará significativamente con la temperatura y la 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 resistividad muy alta, al menos ρv≥108Ω • cm. La resistencia 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 de la película piezoeléctrica 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 TAN Δ 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 pertenece al parámetro de fuerza, y varios defectos son inevitables en la película, la intensidad de campo de desglose de la película piezoeléctrica tiene una dispersión considerable; La teoría de la ruptura dieléctrica. La resistencia al campo de avería 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. La fuerza de campo de desglose de la película, además de las razones de la película en sí, también tiene la influencia del 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, la intensidad del campo de desglose también depende de la dirección del campo eléctrico, es decir, también es anisotrópico en la fuerza del campo de desglose. 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 resistencia del campo de desglose de la película piezoeléctrica orientada preferentemente en la dirección de orientación del grano es mayor que la de la dirección perpendicular. La intensidad del campo de desglose es menor.

Al igual que otras películas dieléctricas, la resistencia al campo de desglose de la película piezoeléctrica también depende de algunos factores externos, como la forma de onda de voltaje, la frecuencia, la temperatura y los 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 de desglose de la película ZNO es de 0.01 ~ 0.4mv / cm, la película ALN es de 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 la cepa del grano de cristal, no es un cristal único perfecto, por lo que la constante física de la película es ligeramente diferente del valor cristalino. Debido a que la estructura de la película piezoeléctrica está estrechamente relacionada con el proceso de preparación, incluso para la misma película piezoeléctrica, los valores de rendimiento reportados en las diversas literaturas a menudo son inconsistentes. Entre todas las películas piezoeléctricas no ferrosas inorgánicas, la película ALN tiene una constante elástica grande, pero una densidad baja, y la velocidad de sonido más alta. Por lo tanto, la película es más adecuada para dispositivos UHF y microondas.

6. Rendimiento de la onda acústica superficial
Cuando la onda acústica de la superficie se propaga en elTransductor de cilindro piezoeléctrico, su amplitud de desplazamiento de partículas se atenúa rápidamente a medida que la distancia desde la superficie del medio aumenta, por lo que la energía de la onda acústica de superficie se concentra principalmente en las siguientes dos longitudes de onda en la superficie. El rendimiento de la onda acústica de la superficie del material de la película 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 interdigital, producto de numero de onda de espesor) una tabla Los parámetros de rendimiento de la onda de sonido no pueden ser representados 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.

Método para preparar la película piezoeléctrica.
Los métodos de preparación de películas delgadas piezoeléctricas incluyen principalmente los métodos de recubrimiento de vacío tradicionales, que incluyen recubrimiento de evaporación al vacío, recubrimiento de despliegue y recubrimiento de deposición de vapor químico con un grosor de 0-18 μm, y nuevo método de sol-gel, método hidrotermal y método de deposición electroforética Material de película gruesa piezoeléctrica de 10 ~ 100 μm.
La película piezoeléctrica gruesa generalmente se refiere a una película piezoeléctrica con un espesor de 10 a 100 μm. En comparación con la película delgada, sus propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas se ven menos afectadas por la interfaz y la superficie; Debido a su espesor relativamente grande, este tipo de material PZT también puede generar una gran fuerza motriz y tiene una frecuencia operativa más amplia; En comparación con el material a granel, su voltaje de funcionamiento es bajo, la frecuencia de uso es alta, y es compatible con los procesos de semiconductores.

1. Recubrimiento de evaporación al vacío.
El recubrimiento de evaporación al vacío es evaporar una sustancia calentándola y deposite en una superficie sólida, que se llama recubrimiento de evaporación. Este método fue propuesto por primera vez por M. Faraday en 1857, y la modernización se ha convertido en una de las tecnologías de recubrimiento comúnmente utilizadas.
El recubrimiento de evaporación al vacío incluye los siguientes tres procesos básicos:
(1) proceso de calefacción y evaporación, incluido el proceso de borde de cambio de la fase condensada a la fase de gas (fase sólida o fase líquida → fase de gas). Cada sustancia evaporante tiene una presión de vapor saturada diferente a diferentes temperaturas. Cuando se evaporan un compuesto, sus componentes reaccionan, y algunos de ellos ingresan al espacio de evaporación en estado o vapor gaseoso.
(2) El transporte de átomos o moléculas vaporizados entre la fuente de evaporación y el sustrato, y el proceso de vuelo de estos ejemplos en la atmósfera ambiental. El número de colisiones con moléculas de gas residual en la cámara de vacío durante el vuelo depende de la ruta media libre de los átomos evaporados y la distancia de la fuente de evaporación al sustrato, a menudo llamada la distancia de la base de origen.
(3) El proceso de precipitación de átomos o moléculas evaporados en la superficie del sustrato, y la condensación de vapor, nucleación, crecimiento nuclear y la formación de una película continua. Dado que la temperatura del sustrato es mucho menor que la temperatura de la fuente de evaporación, el proceso de transición de fase de las moléculas de depósito en la superficie del sustrato se producirá directamente desde la fase gaseosa a la fase sólida.
Cuando una sustancia se evapora, es importante conocer la presión de vapor saturada, la tasa de evaporación y la trayectoria libre de las moléculas evaporadas. Hay tres tipos de fuentes de evaporación.

2. Recubrimiento de vacío de vacío
Un ejemplo con una energía cinética de más de unos pocos cientos de voltios de electrones o un haz de iones bombardea la superficie sólida, de modo que los átomos cercanos a la superficie sólida obtienen una parte de la energía de las partículas incidentes y deje el sólido para ingresar al vacío . Este fenómeno se llama pulverización. El fenómeno de pulverización implica un proceso de dispersión complejo y está acompañado por varios mecanismos de transferencia de energía. En general, se cree que este proceso es principalmente el llamado proceso de Cascade Collision, es decir, los iones incidentes coleccionan elásticamente con los átomos objetivo, de modo que los átomos objetivo obtienen suficiente energía para superar la barrera potencial formada por los átomos y la licencia. La posición original, y más y otros átomos cercanos chocan. Cuando esta cascada de colisión alcanza la superficie del átomo de destino para que los átomos obtengan energía más alta que la energía de unión a la superficie, estos átomos dejarán la superficie del átomo de destino e ingresarán al vacío. Ahora, más investigaciones sobre el recubrimiento de Sputter son el recubrimiento de Sputter Magnetron. La pulverización del magnetrón es realizar una pulverización de alta velocidad a baja presión, y es necesario aumentar efectivamente la tasa de ionización del gas. Al introducir un campo magnético en la superficie del cátodo objetivo, el campo magnético se usa para restringir las partículas cargadas para aumentar la densidad de plasma para aumentar la tasa de pulverización. Use un campo magnético externo para capturar electrones, extender y restringir la ruta de movimiento de los electrones, aumente la tasa de ionización y aumente la tasa de recubrimiento.

3. Recubrimiento de deposición de vapor químico
La deposición de vapor química es un método de crecimiento de vapor químico, denominado tecnología CVD (deposición de vapor química). En este método, el gas elemental que contiene uno o varios compuestos que constituyen el elemento de película delgada se suministra al sustrato, y la película delgada requerida está formada por fase gaseosa o reacción química en la superficie del sustrato mediante el uso de fuentes de energía, como la calefacción, Plasma, luz ultravioleta o luz láser incluso. Dado que el método CVD utiliza varias reacciones de gas para preparar la película delgada, la composición de la película delgada se puede controlar arbitrariamente, de modo que se pueden producir muchos nuevos materiales de película. Cuando se usa el método CVD para preparar una película delgada, su temperatura de crecimiento es significativamente más baja que el punto de fusión del material constituyente de la película delgada, la capa de película resultante tiene una buena uniformidad, tiene una cobertura de paso, y es adecuada para sustratos con formas complejas. Debido a sus ventajas, como una alta tasa de deposición, pocos pineos, alta pureza, compacidad y pocos defectos de formación de cristal, el rango de aplicación de deposición de vapor químico es muy amplio. El método CVD se puede usar para preparar materiales de película espesa piezoeléctricos con una superficie densa y lisa, grosor de 0 ~ 18 μm y excelente rendimiento. Por lo tanto, en la preparación de películas gruesas piezoeléctricas, el método CVD se ha desarrollado rápidamente y ha sido adoptado por muchos investigadores.

4. Nuevo método de gel de solución.
El nuevo método SOL-GEL es agregar el polvo preparado (la misma composición que el sol) al sol, luego agregue un determinado disolvente orgánico a la solución como dispersante, agregue otros disolventes orgánicos para ajustar la viscosidad y el pH de la solución, Y finalmente, la vibración ultrasónica continua dispersa a los nano-polvos en la solución, y finalmente obtiene una solución de polvo uniforme. La película requerida se deposita en el sustrato por el método SOL-GEL. En este proceso de deposición, las partículas de polvo actúan como cristales de semillas.
De esta manera, se puede producir una película gruesa con un espesor de decenas de micrones. Evita el problema del craqueo o incluso el derramamiento de la película causado por la película gruesa preparada por el método tradicional de sol-gel. Los componentes de película gruesa preparados se mezclan uniformemente y están altos en la pureza, y no requieren sinterización de alta temperatura, y la película gruesa resultante es compatible con el proceso de preparación de semiconductores. Y el equipo es simple, el costo es bajo, y la composición de la membrana se puede controlar, por lo que este método se usa actualmente más a menudo.

5. Método hidrotermal.
El método hidrotermal se refiere al uso de una solución acuosa como medio de reacción en un recipiente de reacción cerrado especialmente hecho (autoclave). Al calentar el recipiente de reacción, se crea un entorno de reacción de alta temperatura y alta presión, de modo que las sustancias normalmente insolubles o insolubles se disuelven y se recristan. La película gruesa preparada por este método es mezclar estoquiométricamente algunos compuestos en el componente de película gruesa para prepararse en una solución saturada en un determinado medio alcalino y ajustar el valor del pH. Después de eso, la solución se transfiere a un autoclave, y se puede cultivar un cierto grosor en el sustrato después de un cierto tiempo de reacción.