Les matériaux de céramique piézoélectrique sont des matériaux fonctionnels qui réalisent la conversion entre l'énergie mécanique et l'énergie électrique (1)

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux fonctionnels qui réalisent la conversionentre l'énergie mécanique et l'énergie électrique. Son développement a une longue histoire. Depuis la découverte de l'effet piézoélectrique sur les cristaux de quartz par les frères Curie dans les années 1880, les matériaux piézoélectriques ont attiré une attention généralisée. Avec l'approfondissement de la recherche, un grand nombre de matériaux piézoélectriques, tels que des matériaux en céramique fonctionnels piézoélectriques, des films piézores, des matériaux composites piézoélectriques, etc. Électricité, magnétisme, son, la lumière, la chaleur, l'humidité, le gaz et la force.

Film piézoélectrique PVDF
Le film piézoélectrique PVDF est un film piézoélectrique au fluorure de polyvinylidène. En 1969, les Japonais ont découvert le matériau de polymère du fluorure de polyvinylidène (polymère de fluorure de polyvinylidène) appelé PVDF, qui a un effet piézoélectrique très fort. Le film PVDF a principalement deux types de cristal piézo, à savoir le type α et le type β. Le cristal piézo-piezo de type α n'a pas de piézoélectricité, mais une fois le film PVDF roulé et étiré, le cristal de type α original dans le film devient une structure cristalline de type β. Lorsque le film PVDF étiré et polarisé est soumis à une force externe ou à une déformation dans une certaine direction, la surface polarisée de latransducteur de niveau ultrasonique Génera une certaine charge électrique, c'est-à-dire l'effet piézoélectrique.

Par rapport aux céramiques piézoélectriques et aux cristaux piézoélectriques, les films piézoélectriques ont les avantages suivants:

(1) Léger, sa densité n'est qu'un quart du PZT en céramique piézoélectrique couramment utilisé, collé sur l'objet de mesure n'a presque aucun effet sur la structure d'origine, une flexibilité élastique élevée, peut être traitée en une forme spécifique La surface de mesure est complètement ajusté, avec une résistance mécanique élevée et une résistance à l'impact;
(2) la sortie de haute tension, dans les mêmes conditions de contrainte, la tension de sortie est 10 fois plus élevée que la céramique piézoélectrique;
(3) une résistance diélectrique élevée qui peut résister à l'effet d'un fort champ électrique (75 V / UM), à ce moment la plupart des céramiques piézoélectriques ont été dépolarisées;
(4) l'impédance acoustique est faible, un dixième du dixième du PZT en céramique piézoélectrique, près de l'eau, du tissu humain et du corps visqueux;
(5) La réponse en fréquence est large et l'effet électromécanique peut être converti de 10 à 3Hz à 109, et le mode de vibration est simple.

Propriétés du film piézo
1. Constante diélectrique
Bien que le film piézoélectrique soit un film à cristal unique ou un film polycristallin avec une orientation préférée, l'emballage atomique n'est pas aussi dense et ordonné que dans le cristal, de sorte que la valeur constante diélectrique du film piézoélectrique est différente de la valeur du cristal . En plus de cela, il existe souvent de grandes contraintes internes résiduelles dans le film et les raisons de la mesure, qui font également que la valeur constante diélectrique du film soit différente de la valeur correspondante du cristal.
Des études existantes ont montré que la constante diélectrique du film piézoélectrique est non seulement liée à l'orientation cristalline, mais dépend également des conditions de test. La constante diélectrique du film piézoélectrique a une dispersion considérable. En plus de la différence de stress interne et de conditions de test, la différence entre le rapport de composition chimique et l'épaisseur du film de la composition du film est généralement censée diminuer avec l'épaisseur du film. Mince et petit. De plus, la constante diélectrique du film mince piézoélectrique changera également de manière significative avec la température et la fréquence.

2. Résistivité du volume
Du point de vue de la réduction de la perte diélectrique et de la fréquence de relaxation du film piézoélectrique, il est prévu qu'il ait une résistivité très élevée, au moins ρv≥108Ω • cm. La résistance du film ALN est de 2 × 1014 ~ 1 × 1015Ω · cm, ce qui est bien supérieur à 108Ω · cm, donc à cet égard, l'ALN est un très excellent film. De plus, le changement de conductivité électrique des films piézoélectriques avec la température suit également la loi 1Nσ∝1 / T. Aucun des cristaux à effet piézoélectrique n'a un centre de symétrie, donc leur mobilité électronique est également anisotrope et leur conductivité électrique est également différente. La conductivité du film piézoélectrique ALN le long de la direction de l'axe C est différente de la direction perpendiculaire à l'axe c. Le premier est environ 1 à 2 ordres de grandeur plus petit.

3. Angle de perte tangente
La tangente de perte diélectrique du film piézoélectrique aln est tanΔ = 0,003 ～ 0,005, et le tanΔ du film ZnO est plus grand, qui est de 0,005 ～ 0,01. La raison pour laquelle le tanΔ de ces films est si grand est qu'en plus du processus de conductance, ces films ont également des phénomènes de relaxation importants. Semblable au film mince diélectrique, le tan Δ du film épais piézoélectrique augmente progressivement avec l'augmentation de la température et de la fréquence et l'augmentation de l'humidité. De plus, à mesure que l'épaisseur du film diminue, le tan δ a tendance à augmenter. De toute évidence, l'augmentation du tan Δ avec la température est due à l'augmentation de la conductance et à l'augmentation des relaxants. Il augmente avec la fréquence car le nombre de temps de relaxation dans le temps augmente.

4. Force de panne
Étant donné que la résistance au champ de dégradation diélectrique appartient au paramètre de résistance et que divers défauts sont inévitables dans le film, la force du champ de dégradation du film piézoélectrique a une dispersion considérable; La théorie de la dégradation diélectrique. La résistance au champ de panne devrait progressivement augmenter à mesure que l'épaisseur du film diminue. Mais en fait, parce que le film contient de nombreux défauts, l'effet du défaut est plus significatif à mesure que l'épaisseur est plus petite, donc lorsque l'épaisseur est réduite à une certaine valeur, la résistance au champ de décomposition du film devient fortement plus petite. La force du champ de panne du film, en plus des raisons du film elle-même, a également l'influence du bord de l'électrode pendant le test. Étant donné que plus le film est épais, plus le champ électrique est inégal au bord de l'électrode, de sorte que l'épaisseur du film augmente, sa résistance au champ de panne diminue progressivement. En plus des facteurs ci-dessus, la résistance au champ de panne du film diélectrique dépend également de la structure du film. Pour le film piézoélectrique, la force du champ de panne dépend également de la direction du champ électrique, c'est-à-dire qu'elle est également anisotrope dans la force du champ de panne. En raison de l'existence de joints de grains dans le film polycristallin, sa résistance au champ de décomposition est inférieure à celle du film amorphe; Pour des raisons similaires, la résistance au champ de panne du film piézoélectrique orienté préférentiellement dans la direction d'orientation des grains est plus élevée que celle dans la direction perpendiculaire. La résistance au champ de décomposition est plus faible.

Comme d'autres films diélectriques, la résistance au champ de dégradation du film piézoélectrique dépend également de certains facteurs externes, tels que la forme d'onde de tension, la fréquence, la température et les électrodes. Étant donné que la force du champ de dégradation du film piézoélectrique est liée à de nombreux facteurs, pour le même film, les valeurs de résistance au champ de décomposition rapportées dans la littérature pertinente sont souvent incohérentes et varient même considérablement. Par exemple, la résistance au champ de panne du film ZnO est de 0,01 ~ 0,4 mV / cm, le film ALN est de 0,5 ~ 6,0 mV / cm.

5. Performance d'onde acoustique en vrac
Les paramètres caractéristiques les plus importants des transducteurs piézoélectriques à ondes acoustiques en vrac sont la fréquence de résonance F0, l'impédance acoustique ZA et le coefficient de couplage électromécanique K, donc la vitesse du son υ et le coefficient de température du film piézoélectrique, l'impédance acoustique et le coefficient de couplage électromécanique sont particulièrement strictes. Ces propriétés du film dépendent non seulement de l'élasticité, des propriétés diélectriques, piézoélectriques et thermiques des grains de cristal dans le film, mais sont également étroitement liés à la structure du film piézoélectrique tel que le degré de compacité des grains et le degré de l'orientation préférée. Dans le film piézoélectrique, en raison des défauts et de la déformation du grain de cristal, ce n'est pas un seul cristal parfait, donc la constante physique du film est légèrement différente de la valeur cristalline. Parce que la structure du film piézoélectrique est étroitement liée au processus de préparation, même pour le même film piézoélectrique, les valeurs de performance rapportées dans les différentes littératures sont souvent incohérentes. Parmi tous les films piézoélectriques non ferreux inorganiques, le film ALN a une grande constante élastique, mais une faible densité et la vitesse sonore la plus élevée. Par conséquent, le film convient le plus aux appareils UHF et micro-ondes.

6. Performance d'onde acoustique de surface
Lorsque l'onde acoustique de surface se propage dans letransducteur de cylindre piézoélectrique, son amplitude de déplacement des particules s'atténue rapidement à mesure que la distance de la surface du milieu augmente, de sorte que l'énergie d'onde acoustique de surface est principalement concentrée dans les deux longueurs d'onde suivantes sur la surface. La performance d'onde acoustique de surface du matériau du film peut être exprimée comme la formule fonctionnelle suivante: performance d'onde acoustique de surface = F (matière première, substrat, structure du film, mode onde, direction de propagation, forme d'électrode interdigitale, produit du nombre d'onde d'épaisseur) Un tableau des paramètres de performance des ondes sonores ne peuvent pas être représentés par une seule valeur. Une autre propriété d'onde acoustique des films piézoélectriques est la perte de transmission. Étant donné que les films piézoélectriques sont souvent utilisés comme support de transmission acoustique dans les dispositifs d'ondes de surface, la source de perte de transmission est principalement la diffusion d'ondes acoustiques dans le film piézoélectrique et le substrat.

Méthode pour préparer le film piézoélectrique
Les méthodes de préparation des films minces piézoélectriques comprennent principalement des méthodes traditionnelles de revêtement sous vide, y compris le revêtement d'évaporation du vide, le revêtement de pulvérisation et le revêtement de dépôt de vapeur chimique avec une épaisseur de 0-18 μm, et une nouvelle méthode sol-gel, une méthode hydrothermique et une méthode de dépôt électrophorétique 10 ～ 100 μm de film d'épaisseur piézoélectrique.
Le film piézoélectrique épais fait généralement référence à un film piézoélectrique avec une épaisseur de 10 à 100 μm. Par rapport au film mince, ses propriétés piézoélectriques et ferroélectriques sont moins affectées par l'interface et la surface; En raison de son épaisseur relativement grande, ce type de matériau PZT peut également générer une grande force motrice et a une fréquence de fonctionnement plus large; Comparé au matériau en vrac, sa tension de fonctionnement est faible, la fréquence d'utilisation est élevée et elle est compatible avec les processus semi-conducteurs.

1. revêtement d'évaporation de l'aspirateur
Le revêtement d'évaporation sous vide consiste à évaporer une substance en le chauffant et à la déposer sur une surface solide, qui est appelée revêtement d'évaporation. Cette méthode a été proposée pour la première fois par M. Faraday en 1857, et la modernisation est devenue l'une des technologies de revêtement couramment utilisées.
Le revêtement d'évaporation sous vide comprend les trois processus de base suivants:
(1) Processus de chauffage et d'évaporation, y compris le processus de bordure du passage de la phase condensée à la phase gazeuse (phase solide ou phase liquide → phase gazeuse). Chaque substance évaporante a une pression de vapeur saturée différente à différentes températures. Lors de l'évaporation d'un composé, ses composants réagissent et certains d'entre eux entrent dans l'espace d'évaporation à l'état gazeux ou à la vapeur.
(2) Le transport d'atomes ou de molécules vaporisés entre la source d'évaporation et le substrat, et le processus de vol de ces exemples dans l'atmosphère ambiante. Le nombre de collisions avec des molécules de gaz résiduelles dans la chambre à vide pendant le vol dépend du libre parcours moyen des atomes évaporés et de la distance de la source d'évaporation au substrat, souvent appelé distance de base source.
(3) Le processus de précipitation des atomes ou des molécules évaporés à la surface du substrat, et la condensation de vapeur, la nucléation, la croissance nucléaire et la formation d'un film continu. Étant donné que la température du substrat est bien inférieure à la température de la source d'évaporation, le processus de transition de phase des molécules de dépôt sur la surface du substrat se produira directement de la phase gazeuse à la phase solide.
Lorsqu'une substance s'évapore, il est important de connaître la pression de vapeur saturée, le taux d'évaporation et le libre parcours moyen des molécules évaporées. Il existe trois types de sources d'évaporation.

2. revêtement de pulvérisation de l'aspirateur
Un exemple avec une énergie cinétique de plus de quelques centaines d'électrons volts ou un faisceau ionique bombarde la surface solide, de sorte que les atomes proches de la surface solide obtiennent une partie de l'énergie des particules incidents et quittent le solide pour entrer dans le vide . Ce phénomène est appelé pulvérisation. Le phénomène de pulvérisation implique un processus de diffusion complexe et s'accompagne de divers mécanismes de transfert d'énergie. On pense généralement que ce processus est principalement le processus de cascade dits de collision, c'est-à-dire que les ions incidents entrent en collision élastiquement avec les atomes cibles, de sorte que les atomes cibles obtiennent une énergie suffisante pour surmonter la barrière potentielle formée par les atomes environnants et quitter La position d'origine et les atomes plus loin et à proximité entrent en collision. Lorsque cette cascade de collision atteint la surface de l'atome cible afin que les atomes obtiennent une énergie plus élevée que l'énergie de liaison de surface, ces atomes quitteront la surface de l'atome cible et pénètrent dans un vide. Désormais, davantage de recherches sur le revêtement de pulvérisation sont le revêtement de pulvérisation magnétron. La pulvérisation du magnétron consiste à effectuer une pulvérisation à grande vitesse sous basse pression, et il est nécessaire d'augmenter efficacement le taux d'ionisation du gaz. En introduisant un champ magnétique à la surface de la cathode cible, le champ magnétique est utilisé pour restreindre les particules chargées pour augmenter la densité du plasma pour augmenter le taux de pulvérisation. Utilisez un champ magnétique externe pour capturer les électrons, étendre et contraindre le chemin de mouvement des électrons, augmenter le taux d'ionisation et augmenter le taux de revêtement.

3. revêtement de dépôt de vapeur chimique
Le dépôt de vapeur chimique est une méthode de croissance chimique de vapeur, appelée technologie CVD (dépôt chimique de vapeur). Dans cette méthode, le gaz élémentaire contenant un ou plusieurs composés constituant l'élément de film mince est fourni au substrat, et le film mince requis est formé par la phase gazeuse ou la réaction chimique à la surface du substrat en utilisant des sources d'énergie telles que le chauffage, plasma, lumière ultraviolette ou même lumière laser. Étant donné que la méthode CVD utilise diverses réactions de gaz pour préparer le film mince, la composition du film mince peut être contrôlée arbitrairement, de sorte que de nombreux nouveaux matériaux de film peuvent être produits. Lorsque la méthode CVD est utilisée pour préparer un film mince, sa température de croissance est nettement inférieure au point de fusion du matériau constituant du film mince, la couche de film résultante a une bonne uniformité, a une couverture étape et convient aux substrats aux formes complexes. En raison de ses avantages tels que le taux de dépôt élevé, peu de trous d'épingle, de pureté élevée, de compacité et de peu de défauts de formation de cristal, la plage d'application du dépôt de vapeur chimique est très large. La méthode CVD peut être utilisée pour préparer des matériaux de film épais piézoélectriques avec une surface dense et lisse, une épaisseur de 0 ～ 18 μm et d'excellentes performances. Par conséquent, dans la préparation de films épais piézoélectriques, la méthode CVD s'est développée rapidement et a été adoptée par de nombreux chercheurs.

4. Nouvelle méthode de gel de solution
La nouvelle méthode sol-gel consiste à ajouter la poudre préparée (même composition que le sol) au SOL, puis à ajouter un certain solvant organique à la solution en tant que dispersant, ajouter d'autres solvants organiques pour ajuster la viscosité et le pH de la solution, et enfin ne pas les vibrations ultrasoniques continues dispersent les nano-pou-shot dans la solution et obtient enfin une solution de poudre uniforme. Le film requis est déposé sur le substrat par la méthode sol-gel. Dans ce processus de dépôt, les particules de poudre agissent comme des cristaux de graines.
De cette façon, un film épais avec une épaisseur de dizaines de microns peut être produit. Il évite le problème de la fissuration ou même de la perte de films causée par le film épais préparé par la méthode traditionnelle sol-gel. Les composants de film épais préparés sont uniformément mélangés et élevés en pureté et ne nécessitent pas de frittage à haute température, et le film épais résultant est compatible avec le processus de préparation des semi-conducteurs. Et l'équipement est simple, le coût est faible et la composition de la membrane peut être contrôlée, donc cette méthode est actuellement utilisée plus souvent.

5. Méthode hydrothermale
La méthode hydrothermale fait référence à l'utilisation d'une solution aqueuse comme milieu de réaction dans un vaisseau de réaction fermé spécialement fabriqué (autoclave). En chauffant le récipient de réaction, un environnement de réaction à haute température à haute pression est créé, de sorte que des substances normalement insolubles ou insolubles sont dissoutes et recristallisées. Le film épais préparé par cette méthode consiste à mélanger stœchiométriquement certains composés dans le composant de film épais pour être préparé dans une solution saturée dans un certain milieu alcalin et ajuster la valeur de pH. Après cela, la solution est transférée dans une autoclave et une certaine épaisseur peut être cultivée sur le substrat après un certain temps de réaction.