Materiais de cerâmica piezoelétrica são materiais funcionais que percebem a conversão entre energia mecânica e energia elétrica (1)

Materiais piezoelétricos são materiais funcionais que percebem a conversãoentre energia mecânica e energia elétrica. Seu desenvolvimento tem uma longa história. Desde a descoberta do efeito piezoelétrico nos cristais de quartzo pelos irmãos Curie na década de 1880, os materiais piezoelétricos atraíram a atenção generalizada. Com o aprofundamento da pesquisa, um grande número de materiais piezoelétricos, como materiais cerâmicos funcionais piezoelétricos, filme piezo, materiais compósitos piezoelétricos, etc. Esses materiais têm uma ampla gama de usos, e desempenham um papel importante nos dispositivos de conversão funcionais, como eletricidade, magnetismo, som, luz, calor, umidade, gás e força.

Filme piezoelétrico pvdf.
O filme piezoelétrico PVDF é filme piezoelétrico de fluoreto de polivinilideno. Em 1969, os japoneses descobriram o fluoreto de polivinilideno material polímero (polímero de fluoreto de polivinilideno) referido como PVDF, que tem um efeito piezelétrico muito forte. O filme PVDF possui principalmente dois tipos de cristal piezo, nomeadamente, tipo α e tipo β. O cristal de piezo tipo α não tem piezeletricidade, mas depois que o filme PVDF é enrolado e esticado, o cristal original α no filme se torna uma estrutura de cristal tipo β. Quando o filme PVDF esticado e polarizado é submetido a força externa ou deformação em uma determinada direção, a superfície polarizada dotransdutor de nível ultra-sônico. gerará uma certa carga elétrica, ou seja, o efeito piezoelétrico.

Em comparação com cerâmicas piezoelétricas e cristais piezoelétricos, filmes piezoelétricos têm as seguintes vantagens:

(1) peso leve, sua densidade é apenas um quarto da cerâmica piezoelétrica comumente usada, colada no objeto de medição quase não tem efeito na estrutura original, alta flexibilidade elástica, pode ser processada em forma específica que a superfície de medição é completamente equipado, com alta resistência mecânica e resistência ao impacto;
(2) saída de alta tensão, sob as mesmas condições de estresse, a tensão de saída é 10 vezes maior que a cerâmica piezoelétrica;
(3) força dielétrica alta que pode suportar o efeito do forte campo elétrico (75V / UM), neste momento a maioria das cerâmicas piezoelétricas foi despolarizada;
(4) A impedância acústica é baixa, apenas um décimo da cerâmica piezoelétrica PZT, perto da água, tecido humano e corpo viscoso;
(5) A resposta de frequência é ampla, e o efeito eletromecânico pode ser convertido de 10-3Hz para 109, e o modo de vibração é simples.

Piezo Film Properties.
1. constante dielétrica.
Embora o filme piezoelétrico seja um filme de cristal único ou um filme policristalino com orientação preferida, a embalagem atômica nela não é tão densa e ordenada como no cristal, então o valor constante dielétrico do filme piezoelétrico é diferente do valor do Cristal . Além disso, muitas vezes há grandes tensões internas residuais no filme e as razões para a medição, que também causam o valor constante dielétrico do filme a ser diferente do valor correspondente do cristal.
Estudos existentes mostraram que a constante dielétrica do filme piezoelétrico não está apenas relacionada à orientação de cristal, mas também depende das condições de teste. A constante dielétrica do filme piezoelétrico tem uma dispersão considerável. Além da diferença de estresse interno e condições de teste, a diferença entre a relação de composição química e a espessura do filme da composição do filme geralmente se acredita diminuir com a espessura do filme. Fino e pequeno. Além disso, a constante dielétrica do filme fino piezoelétrico também mudará significativamente com temperatura e frequência.

2. Resistividade de volume
A partir da perspectiva de reduzir a perda dielétrica e a frequência de relaxamento do filme piezoelétrico, espera-se que tenha uma resistividade muito alta, pelo menos ρv≥108Ω • cm. A resistência do filme ALN é 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · CM, que é muito superior a 108Ω · CM, então, a este respeito, a ALN é um filme muito excelente. Além disso, a mudança na condutividade elétrica dos filmes piezoelétricos da ALN com temperatura também segue a lei 1nσα1 / T. Nenhum dos cristais com efeito piezoelétrico tem um centro de simetria, então sua mobilidade eletrônica também é anisotropia e sua condutividade elétrica também é diferente. A condutividade do filme piezoelétrico ALN ao longo da direção do eixo C é diferente da direção perpendicular ao eixo C. O primeiro é de cerca de 1 a 2 ordens de magnitude menor.

3. Tangente de ângulo de perda
A tangente dielétrica da perda do filme piezoelétrico da ALN é tanδ = 0,003 ~ 0,005, e o tanδ do filme ZNO é maior, o que é 0,005 ~ 0,01. A razão pela qual o Tanδ desses filmes é tão grande é que, além do processo de condutância, esses filmes também têm fenômenos de relaxamento significativos. Semelhante ao filme fino dielétrico, o bronzeado Δ do filme de espessura piezoelétrico aumenta gradualmente com o aumento da temperatura e frequência e o aumento da umidade. Além disso, à medida que a espessura do filme diminui, Tan Δ tende a aumentar. Obviamente, o aumento do bronzeado Δ com temperatura é devido ao aumento da condutância e o aumento do relaxamento. Aumenta com frequência porque o número de tempos de relaxamento no tempo aumenta.

4. Força de desagregação
Como a força do campo de desagregação dielétrica pertence ao parâmetro de força, e vários defeitos são inevitáveis ​​no filme, a resistência do campo de avaria do filme piezoelétrico tem uma dispersão considerável; A teoria de quebra dielétrica. A força do campo de quebra deve aumentar gradualmente à medida que a espessura do filme diminui. Mas, de fato, porque o filme contém muitos defeitos, o efeito do defeito é mais significativo que a espessura seja menor, então, quando a espessura é reduzida a um certo valor, a força do campo de avaria do filme fica nitidamente menor. A força do campo de avaria do filme, além das razões do próprio filme, também tem a influência da borda do eletrodo durante o teste. Desde o mais espesso, o filme mais desigual no campo elétrico na borda do eletrodo, de modo que a espessura do filme aumenta, sua força de campo de avaria diminui gradualmente. Além dos fatores acima, a força do campo de avaria do filme dielétrico também depende da estrutura do filme. Para o filme piezoelétrico, a força do campo de avaria também depende da direção do campo elétrico, ou seja, também é anisotropic na força do campo de avaria. Devido à existência de fronteiras de grãos no filme policristalino, sua intensidade de campo de avaria é menor do que a do filme amorfo; Por razões semelhantes, a força do campo de avaria do filme piezoelétrico preferencialmente orientado na direção de orientação de grãos é maior do que a direção perpendicular. A intensidade do campo de quebra é menor.

Como outros filmes dielétricos, a força do campo de avaria do filme piezoelétrico também depende de alguns fatores externos, como forma de onda de tensão, frequência, temperatura e eletrodos. Como a força do campo de avaria do filme piezoelétrico está relacionada a muitos fatores, para o mesmo filme, os valores de resistência do campo de avaria relatados na literatura relevante são muitas vezes inconsistentes e até mesmo variam muito. Por exemplo, a resistência do campo de avaria do filme ZNO é de 0,01 ~ 0.4mv / cm, o filme ALN é de 0,5 ~ 6.0mv / cm.

5. Desempenho da onda acústica em massa
Os parâmetros característicos mais importantes de transdutores piezoelétricos de onda acústica são F0 de ressonância F0, impedância acústica ZA e coeficiente de acoplamento eletromecânico K, portanto, a velocidade do som e o coeficiente de temperatura de filme piezoelétrico, impedância acústica e coeficiente de acoplamento eletromecânico são particularmente rigorosos. Essas propriedades do filme não só dependem da elasticidade, as propriedades dielétricas, piezoelétricas e térmicas dos grãos de cristal no filme, mas também estão intimamente relacionadas à estrutura do filme piezoelétrico, como o grau de compactação dos grãos e o grau de orientação preferida. No filme piezoelétrico, devido aos defeitos e da estirpe do grão de cristal, não é um cristal único perfeito, então a constante física do filme é ligeiramente diferente do valor de cristal. Como a estrutura do filme piezoelétrico está intimamente relacionada ao processo de preparação, mesmo para o mesmo filme piezoelétrico, os valores de desempenho relatados nas várias literaturas são muitas vezes inconsistentes. Entre todos os filmes piezoelétricos não ferrosos inorgânicos, o filme ALN tem uma grande constante elástica, mas uma baixa densidade e a maior velocidade de som. Portanto, o filme é mais adequado para dispositivos UHF e microondas.

6. Desempenho da Onda Acústica Superfície
Quando a onda acústica de superfície se propaga noTransdutor de cilindro piezoelétrico., sua amplitude de deslocamento de partículas atenua rapidamente à medida que a distância da superfície dos aumentos médios, de modo que a energia da onda acústica superficial concentra-se principalmente nos próximos dois comprimentos de onda na superfície. O desempenho da onda acústica da superfície do material de filme pode ser expresso como a seguinte fórmula funcional: desempenho acústico de superfície = F (matéria-prima, substrato, estrutura de filme, modo de onda, direção de propagação, forma de eletrodo interdigital, produto de onda de espessura) uma tabela de parâmetros de desempenho de onda sonora não podem ser representados por um único valor. Outra propriedade acústica das ondas de filmes piezoelétricos é a perda de transmissão. Como os filmes piezoelétricos são frequentemente usados ​​como mídia de transmissão acústica em dispositivos de onda de superfície, a fonte de perda de transmissão é principalmente a dispersão de ondas acústicas no filme piezoelétrico e do substrato.

Método para preparar filme piezoelétrico
Os métodos de preparação de filmes finos piezoelétricos incluem principalmente os métodos tradicionais de revestimento a vácuo, incluindo revestimento de evaporação a vácuo, revestimento de enrubamento e revestimento de depósito de vapor químico com uma espessura de 0-18 μm, e novo método sol-gel, método hidrotermal e método de deposição eletroforética Material de filme piezoelétrico de 10 ~ 100μm.
O filme piezoelétrico espesso geralmente se refere a um filme piezoelétrico com uma espessura de 10 a 100 μm. Em comparação com o filme fino, suas propriedades piezoelétricas e ferrarelétricas são menos afetadas pela interface e da superfície; Por causa de sua espessura relativamente grande, esse tipo de material PZT também pode gerar uma grande força motriz e tem uma freqüência de operação mais ampla; Em comparação com o material em massa, sua tensão operacional é baixa, a frequência de uso é alta, e é compatível com os processos de semicondutores.

1. revestimento de evaporação a vácuo
O revestimento de evaporação de vácuo é evaporar uma substância aquecendo e depositá-lo em uma superfície sólida, que é chamada de revestimento de evaporação. Este método foi proposto pela primeira vez por M. Faraday em 1857, e a modernização tornou-se uma das tecnologias de revestimento comumente usadas.
O revestimento de evaporação de vácuo inclui os seguintes três processos básicos:
(1) processo de aquecimento e evaporação, incluindo o processo de afiação de alteração da fase condensada para fase gasosa (fase sólida ou fase líquida → fase de gás). Cada substância de evaporação tem uma pressão de vapor saturada diferente em diferentes temperaturas. Ao evaporar um composto, seus componentes reagem e alguns deles entram no espaço de evaporação no estado gasoso ou no vapor.
(2) o transporte de átomos vaporizados ou moléculas entre a fonte de evaporação e o substrato, e o processo de voo destes exemplos na atmosfera ambiente. O número de colisões com moléculas de gás residual na câmara de vácuo durante o vôo depende do caminho livre médio dos átomos evaporados e da distância da fonte de evaporação para o substrato, muitas vezes chamado de distância de base de origem.
(3) O processo de precipitação de átomos e moléculas evaporados na superfície do substrato, e a condensação de vapor, nucleação, crescimento nuclear e a formação de um filme contínuo. Como a temperatura do substrato é muito menor que a temperatura da fonte de evaporação, o processo de transição de fase das moléculas de depósito na superfície do substrato ocorrerá diretamente da fase de gás para a fase sólida.
Quando uma substância evapora, é importante conhecer a pressão de vapor saturada, a taxa de evaporação e o caminho livre médio das moléculas evaporadas. Existem três tipos de fontes de evaporação.

2. revestimento de pulverização a vácuo
Um exemplo com uma energia cinética de mais de algumas centenas de eletrônicos ou um feixe de íon Bombards a superfície sólida, de modo que os átomos próximos da superfície sólida obtêm uma parte da energia das partículas de incidente e deixam o sólido para entrar no vácuo . Este fenômeno é chamado de sputtering. O fenômeno de pulverização envolve um processo de espalhamento complexo e é acompanhado por vários mecanismos de transferência de energia. Acredita-se geralmente que este processo seja principalmente o chamado processo de colisão cascade, ou seja, os íons incidentes colidem elasticamente com os átomos-alvo, para que os átomos-alvo obtenham energia suficiente para superar a barreira potencial formada pelos átomos e deixar A posição original e os átomos mais próximos e próximos colidem. Quando esta cascata de colisão atinge a superfície do átomo-alvo para que os átomos obtenham energia maior do que a energia de ligação de superfície, esses átomos deixarão a superfície do átomo-alvo e entrarão em vácuo. Agora mais pesquisas sobre o revestimento de sputter são revestimento de sputters. O esboço magnetron é realizar a pulverização de alta velocidade sob baixa pressão, e é necessário aumentar efetivamente a taxa de ionização do gás. Ao introduzir um campo magnético na superfície do catodo de destino, o campo magnético é usado para restringir as partículas carregadas para aumentar a densidade plasmática para aumentar a taxa de pulverização. Use um campo magnético externo para capturar elétrons, estender e restringir o caminho do movimento dos elétrons, aumentar a taxa de ionização e aumentar a taxa de revestimento.

3. revestimento de deposição de vapor químico
deposição química de vapor é um método de crescimento de vapor químico, referida como tecnologia CVD (Chemical Vapor Deposition). Neste método, o gás elementar contendo um ou vários compostos que constituem o elemento de película fina é fornecida ao substrato, e a película fina requerida é formada por fase gasosa ou reacção química na superfície do substrato através da utilização de fontes de energia, tais como aquecimento, plasma, luz ultravioleta ou até mesmo luz laser. Como o método de CVD utiliza várias reacções de gás para preparar o filme fino, a composição da película fina pode ser arbitrariamente controlada, de modo que muitos dos novos materiais de película podem ser produzidos. Quando o método de CVD é utilizado para preparar um filme fino, a sua temperatura de crescimento é significativamente mais baixa do que o ponto do material constituinte de filme fino de fusão, a camada de película resultante tem uma boa uniformidade, tem uma cobertura de passo, e é adequado para substratos com formas complexas. Devido às suas vantagens tais como alta taxa de deposição, alguns pequenos furos, de alta pureza, compacidade, e alguns defeitos de formação de cristal, a área de aplicação de deposição química de vapor é muito vasta. O método de CVD pode ser utilizado para preparar materiais de película espessa piezoeléctricos com denso, superfície lisa, de espessura de 0 ~ 18μm e excelente desempenho. Portanto, na preparação de filmes espessos piezoeléctricos, o método CVD desenvolveu-se rapidamente e foi adoptada por muitos investigadores.

4. Novo método de gel de solução
O novo método sol-gel é adicionar o pó preparado (mesma composição que o sol) ao sol, então adicione um certo solvente orgânico à solução como dispersante, adicione outros solventes orgânicos para ajustar a viscosidade e o pH da solução, E, finalmente, a vibração ultrassônica contínua não se dispersa dos nano-pós na solução e, finalmente, obtém uma solução de pó uniforme. O filme necessário é depositado no substrato pelo método sol-gel. Neste processo de deposição, as partículas de pó atuam como cristais de sementes.
Desta forma, um filme grosso com uma espessura de dezenas de microns pode ser produzido. Evita o problema de quebrar ou até mesmo derramamento de filme causado pelo filme espesso preparado pelo tradicional método sol-gel. Os componentes de filme espessos preparados são uniformemente misturados e altos em pureza, e não requerem sinterização de alta temperatura, e o filme espesso resultante é compatível com o processo de preparação de semicondutores. E o equipamento é simples, o custo é baixo, e a composição da membrana pode ser controlada, portanto, este método é usado atualmente com mais frequência.

5. Método hidrotérmico
O método hidrotérmico refere-se ao uso de uma solução aquosa como meio de reação em um vaso de reação fechado especialmente feito (autoclave). Ao aquecer o vaso de reação, é criado um ambiente de reacção de alta temperatura e de alta pressão, de modo que normalmente substâncias insolúveis ou insolúveis se dissolvem e recristalizadas. O filme espesso preparado por este método é para misturar estoichiometricamente alguns compostos no componente de filme espesso a serem preparados em uma solução saturada em um determinado meio alcalino e ajustar o valor do pH. Depois disso, a solução é transferida para uma autoclave, e uma certa espessura pode ser cultivada no substrato após um certo tempo de reação.