Les matériaux piézoélectriques 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 conversion entre 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 commencé à attirer une attention généralisée. Avec l'approfondissement de la recherche, un grand nombre de matériaux piézoélectriques sont en continu, comme les matériaux en céramique fonctionnels piézoélectriques, les films piézodisque en céramique piézoAyez une très large gamme d'utilisations et jouez un rôle important dans les dispositifs de conversion fonctionnels tels que l'électricité, le magnétisme, le 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 cristaux, à savoir le type α et le type β. Le cristal de type α n'a pas de piézoélectricité, mais après que le film PVDF soit 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 du matériau générera une certaine charge électrique, à savoir l'effet piézoélectriqueCrystal du disque en céramique piézo.

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 traité en forme spécifique peut être n'importe quelle 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 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.

Par conséquent, la contrainte et la déformation peuvent être mesurées en mécanique, les accéléromètres et les capteurs modaux de vibration peuvent être fabriqués en vibration, les capteurs modaux de rayonnement acoustique et les transducteurs à ultrasons peuvent être rendus acoustiquement et utilisés dans le contrôle actif, et peuvent être utilisés dans la recherche sur robot utilisé comme tactile capteur, a également des applications dans la mesure médicale et du poids des véhicules,

À l'heure actuelle, les recherches sur les matériaux en petits films se développent dans diverses directions, les performances élevées, les nouveaux processus, etc., et sa recherche fondamentale est également profonde dans le niveau moléculaire, le niveau atomique, le niveau nano, la structure mésoscopique, etc. La recherche sur les matériaux fonctionnels en film mince est d'une grande importance.

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 serré et ordonné que dans un cristal, donc la valeur constante diélectrique du film piézoélectrique est différente de la valeur du cristal . En plus de cela, il existe également de grandes contraintes internes résiduelles souvent trouvées dans les couches minces et les raisons de la mesure, qui font également que la valeur constante diélectrique du film mince est 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. De plus, la constante diélectrique du film piézoélectrique changera également de manière significative avec le changement de température et de 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 élevée, au moins ρv≥108Ω • cm. La résistivité 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 électrique 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 de TanΔ 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

Parce que la résistance au champ de dégradation diélectrique est un paramètre de résistance et divers défauts deTransducteur d'hémisphère piézoélectriquesont inévitables dans le film, la force du champ de panne du film piézoélectrique est assez dispersive; La théorie de la dégradation des diélectriques, pour un film complet et intact, la résistance au champ de panne devrait augmenter progressivement 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. En plus de la propre cause du film, la force du champ de panne du film est également affectée par le 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, sa résistance au 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 dégradation du film piézoélectrique orienté préférentiellement dans la direction d'orientation 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 bon cristal piézo-piétique, 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 diverses 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 le milieu 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.

Les performances d'onde acoustique de surface des matériaux de film mince peuvent être exprimées comme la formule fonctionnelle suivante: performance d'onde acoustique de surface = F (matière première, substrat, structure du film, mode d'onde, direction de propagation, forme d'électrode interdigitée, produit du nombre d'onde d'épaisseur)

Par conséquent, tout paramètre de performance d'onde acoustique de surface du film piézoélectrique ne peut pas être représenté 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.