压电薄膜材料的性能与性能特点.doc
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1、压电薄膜材料的性能与性能特点压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料,它的发展有着十分悠久的历史。自19世纪80年代从CURIE 兄弟在石英晶体上发现了压电效应后,压电材料开始引起人们的广泛注意, 随着研究深入,不断涌现出大量的压电材料,如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。这些材料有着十分广泛的用途,在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。PVDF压电薄膜PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜,在1969年, 日本人 发现了高分子材料聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride polymer) 简称PVDF, 具有极强的压电效应 。PVDF
2、薄膜主要有二种晶型即型和型,型晶体不具有压电性,但PVDF膜经滚延拉伸后,原来薄膜中的 型晶体变成型晶体结构。 拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时,材料的极化面就会产生一定的电荷, 即压电效应。与压电陶瓷和压电晶体相比,压电薄膜主要有以下优点:(1)质量轻,它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一,粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响,高弹性柔顺性,可以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合,机械强度高,抗冲击;(2)高电压输出,在同样受力条件下,输出电压比压电陶瓷高10倍;(3)高介电强度,可以耐受强电场的作用(75V/um),此时大部分压电陶瓷已经退极化了;(4)
3、声阻抗低,仅为压电陶瓷PZT的十分之一,与水、人体组织以及粘胶体相接近;(5)频响宽,从10-3Hz到109均能转换机电效应,而且振动模式单纯。因此在力学中可以测量应力和应变,在振动中可以制作加速度计和振动模态传感器,在声学上可以制作声辐射模态传感器和超声换能器以及用在主动控制中,在机器人研究中可以用作触觉传感器,在医 和车辆重量测量上也有应用,目前对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方向发展,其基础研究也向分子层次、原子层次、纳米层次、介观结构等方向深入,因而功能薄膜材料的研究具有重大意义。压电薄膜材料的性能1、介电常数虽然压电薄膜为单晶薄膜或者为择优取向的多晶薄膜,但是在其中的原
4、子堆积却不像在晶体中那样紧密和有序,因此压电薄膜的介电常数值与晶体的数值有差异。除此之外,还有在薄膜中常有的较大的残留内应力以及测量上的原因,也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。已有研究表明:压电薄膜的介电常数不但与晶体方向有关,而且还依从于测试条件。压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原因,除了内应力大小和测试条件不同以外,海印薄膜成分偏离化学式计量比和薄膜厚度的差别;一般认为,薄膜的介电常数随厚度减薄而变小。另外,压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化也会发生明显的变化。2、体积电阻率从降低压电薄膜的介质损耗和弛豫频率来说,都希望它具有很高的电阻率,至少应该v108cm。AlN薄膜的电
5、阻率2101411015cm,远高于108cm,因而在这一方面,AlN是十分优异的薄膜。另外,AlN压电薄膜的电导性随温度的变化也服从1n1/T规律。有压电效应的晶体都不具有对称中心,所以其电子迁移率也是各向异性的,电导率也是各不相同的。AlN压电薄膜沿C轴方向的电导率就不同于垂直C轴的方向,前者约小12个数量级。3、损耗角正切AlN压电薄膜的介质损耗角正切tan=0.0030.005,ZnO薄膜的tan则较大,为0.0050.01。这些薄膜的tan之所以有这样大,是由于这些薄膜中除了有电导过程以外,还存在着显著的弛豫现象。与介质薄膜类似,压电厚膜的tan随温度和频率的上升以及湿度的增大,都逐
6、渐增大。另外,在薄膜厚度减少时,tan趋向于增大。显然,tan随温度的上升是由于电导的变大和弛豫子的增多,它随频率增大时因为时间内弛豫次数增多。4、击穿强度因为电介质的击穿场强属于强度参数,而且在薄膜中又难免有各种缺陷,所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性;安电介质的击穿理论,对于完整无缺的薄膜,其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而逐渐增大。但是实际上,因为薄膜中含有不少缺陷,厚度越小时缺陷的影响越显著,所以在厚度减到一定数值时,薄膜的击穿场强反而急剧变小。对薄膜击穿场强,除了薄膜自身的原因外,还有在测试时电极边缘的影响。由于薄膜越厚,电极边缘的电场越不均匀,所以随薄膜厚度的增加,其击穿场强逐渐
7、降低。除了以上几种因素外,介质薄膜的击穿场强还依从于薄膜结构。对于压电薄膜,其击穿场强还依从于电场方向,即它在击穿场强方面也是各向异性的。由于多晶薄膜存在着晶界,所以它的击穿场强低于非晶薄膜;因为类似的原因,择优取向的压电薄膜在晶粒取向方向上的击穿场强,比垂直该方向上的击穿场强较低。与其他介质薄膜一样,压电薄膜的击穿场强还依从于一些外部因素,如电压波形、频率、温度和电极等。因为压电薄膜的击穿场强与多种因素有关,所以对于同一种薄膜,各有关文献上报道的击穿场强数值常不一致,甚至差别较大,例如ZnO薄膜的击穿场强为0.010.4MV/cm,AlN薄膜为0.56.0MV/cm。5、体声波性能体声波压电
8、转换器的最重要的特性参数是谐振频率f0,声阻抗Za和机电耦合系数K,所以对压电薄膜的声速及温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介电、压电和热性能,而且还与压电薄膜的结构如晶粒堆积紧密程度和择优取向程度等密切相关。在压电薄膜中,由于晶粒的缺陷和应变较多,因而它不是完好的单晶,所以薄膜的物理常数与晶体数值有一点不同。由于压电薄膜的组织结构与制备工艺密切相关,因而即使对于同一种压电薄膜,各种文献报道的性能数值也常不一致。在所有无机非铁性压电薄膜中,AlN薄膜的弹性常数大,密度却较小,声速最大所以该薄膜最适合于超高频和微波器件。6、表声波性能表声波在
9、压电介质中传播时,其质点位移振幅随着离开介质表面距离的增大而迅速衰减,因此表声波能量主要集中在表面下一两个波长的范围内。薄膜材料的表声波性能可以表述为下列函数式:表声波性能=F(原材料,基片,薄膜结构,波模式,传播方向,叉指电极形式,厚度波数积)因此,对于压电薄膜的任一表声波性能参数,都不能用单一数值表示。压电薄膜的另一个声波性能是传输损耗。因为在表面波器件中压电薄膜也常是兼做传声介质,传输损耗的来源主要是声波在压电薄膜和基片中的散射。压电薄膜的制备方法压电薄膜的制备方法主要有传统的真空镀膜方法,包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积镀膜是制备厚度在018m,新型溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积
10、法是制备10100m的压电厚膜材料。压电厚膜通常是指厚度为10100m的压电膜,与薄膜相比,它的压电、铁电性能较少受界面、表面等的影响;由于它的厚度比较大,所以这种材料也能产生大的驱动力,且具有更宽的工作频率;与块体材料相比,其工作电压低、使用频率高、与半导体工艺兼容。1、 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜是通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面,称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出,现代已成为常用镀膜技术之一。真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程:(1)加热蒸发过程,包括由凝聚相转变为气相(固相或液相气相)的镶边过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的饱和蒸汽压,蒸发化合物时,其组分之间
11、发生反应,其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间。(2) 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的运输,及这些例子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数,取决于蒸发原子的平均自由程以及从蒸发源到基片之间的距离,常称为源-基距。(3) 蒸发原子或分子在基片表面上的沉淀过程,及蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度,因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相的相转变过程。在物质蒸发时,了解物质的饱和蒸汽压、蒸发速率以及蒸发分子的平均自由程是主要的。蒸发源有三种类型。电阻加热源:用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩
12、埚中的蒸发物质(电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。高频感应加热源:用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。电子束加热源:适用于蒸发温度较高(不低于2000618-1)的材料,即用电子束轰击材料使其蒸发。为沉积高纯单晶膜层,可采用分子束外延方法。喷射炉中装有分子束源,在超高真空下当它被加热到一定温度时,炉中元素以束状分子流射向基片。基片被加热到一定温度,沉积在基片上的分子可以徙动,按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜,薄膜最慢生长速度可控制在1单层秒。通过控制挡板,可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。分子束外延法广泛用于
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