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

Os materiais piezoelétricos são materiais funcionais que percebem a conversão entre energia mecânica e energia elétrica. Seu desenvolvimento tem uma longa história. Desde a descoberta do efeito piezoelétrico em cristais de quartzo pelos irmãos Curie na década de 1880, os materiais piezoelétricos começaram a atrair a atenção generalizada. Com o aprofundamento da pesquisa, um grande número de materiais piezoelétricos emergiram continuamente, como materiais cerâmicos funcionais piezoelétricos, filme piezo, materiais compósitos piezoelétricos, etc. Estes materiaisPiezo Cerâmico DiscTenha uma gama muito ampla de usos, e desempenha 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 cristais, nomeadamente, tipo α e tipo β. O cristal do tipo α não possui piezeletricidade, mas depois que o filme PVDF é enrolado e esticado, o cristal original do tipo α no filme se torna uma estrutura cristalina β. Quando o filme PVDF esticado e polarizado é submetido a força externa ou deformação em uma determinada direção, a superfície polarizada do material gerará uma certa carga elétrica, nomeadamente o efeito piezoelétricoCristal de disco cerâmico piezo.

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 sobre a estrutura original, alta flexibilidade elástica, pode ser processada em uma forma específica pode ser qualquer superfície de medição é completamente ajustado, 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) alta resistência dielétrica pode suportar o efeito do campo elétrico forte (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.

Portanto, o estresse e a tensão podem ser medidos em mecânicos, acelerômetros e sensores modais de vibração podem ser feitos em vibrações, sensores modais de radiação acústica e transdutores ultra-sônicos podem ser feitos acusticamente e usados ​​no controle ativo, e podem ser usados ​​em pesquisa de robôs usados ​​como um tátil sensor, também tem aplicativos em medição de peso médica e veículo,

Actualmente, a pesquisa sobre materiais de cinema fino está se desenvolvendo em várias direções, altos performance, novos processos, etc., e sua pesquisa básica também é profunda no nível molecular, nível atômico, nível de nano, estrutura mesoscópica, etc., A pesquisa de materiais finais finais é de grande importância.

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 nele não é tão apertada e ordenada como em um cristal, então o valor constante dielétrico do filme piezoelétrico é diferente do valor do valor do cristal. . Além disso, há também grandes tensões internas residuais, muitas vezes encontradas em filmes finos e razões para a medição, que também causam o valor constante dielétrico do filme fino 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. Além disso, a constante dielétrica do filme piezoelétrico também mudará significativamente com a mudança de 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 alta resistividade, pelo menos ρv≥108Ω • cm. A resistividade 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 elétrica 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 espesso 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 bronzeamento com temperatura é devido ao aumento da condutância e o aumento de relaxamento. Aumenta com frequência porque o número de tempos de relaxamento no tempo aumenta.

4. Força de desagregação

Porque a força do campo de desagregação dielétrica é um parâmetro de força, e vários defeitos deTransdutor de hemisfério piezoelétricosão inevitáveis ​​no filme, a força do campo de avaria do filme piezoelétrico é bastante dispersa; A teoria de avaria dos dielétricos, para um filme completo e intacto, a força do campo de avaria 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. Além da própria causa do filme, a força do campo de avaria do filme também é afetada pela 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, sua força de 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 da orientação 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 deformação do grão de cristal, não é um bom cristal único piezo, 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 em 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 da superfície se propaga no meio 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 de superfície é concentrada principalmente nos próximos dois comprimentos de onda na superfície.

O desempenho de onda acústica de superfície de materiais finos pode ser expressa como a seguinte fórmula funcional: desempenho de onda acústica de superfície = F (matéria-prima, substrato, estrutura de filme, modo de onda, direção de propagação, formulário de eletrodo interdigitado, produto de onda de espessura)

Portanto, qualquer parâmetro de desempenho de onda acústica de superfície do filme piezoelétrico não pode ser representado 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.