压电薄膜的性能、制备与应用

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1、压电薄膜材料的性能、制备与应用摘要：压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，现在得到越来越多的应用。本文介绍了压电薄膜的性能，包括介电常数、体积电阻率、损耗角正切、击穿强度、体声波性能，表声波性能五个方面。对于压电膜材料的制备方法主要介绍了传统的真空镀膜方法，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积镀膜等制备厚度在0～18μm范围内薄膜材料的方法；新型溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法是制备10～100μm的压电厚膜材料新型主要方法。在压电薄膜的应用方面主要介绍了它在声表面波器件和压电薄膜体波膜中的应用。最后提出

2、了，未来压电薄膜的制备技术会向着高效率、低成本、高质量的方向发展，而CVD法由于具有突出的优点将是未来制备压电薄膜的最主要的方法。关键词：压电薄膜压电性能CVD压电薄膜体波膜1前言某些介质在机械力作用下发生电极化和电极化的变化，这样的性质称为压电效应[2]。电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两端面出现了等量反号的束缚电荷变化，这是由于压力造成了电荷的变化，这就是压电性的由来。具有这一性质的材料称为压电材料。压电效应还有逆压电效应。逆压电效应是指：当在材料的一定方向上施加外部电场时，该材料的对应方向上产生内应力和应

3、变现象。其应力和应变同所施的电场强度成正比。逆压电效应又称为电致变形现象，压电效应又称被称为正压电效应[3]。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年代居里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，压电材料的研究和发展迅速展开。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。压电薄膜材料是重要的信息功能材料[1-

4、7]11，它可以实现声信号与电信号之间的转变。微晶择优取向的压电薄膜材料兼备单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密，易于制备，价格低廉，便于调节性能，并可靠稳定，更重要的是使用压电薄膜可以使器件达到平面化和集成化。压电薄膜材料在实际生产的各个领域均有比较多的应用。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。2压电薄膜材料的性能2.1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[8]，但是在其中的原

5、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。2.2体积电阻率从降低压电薄膜的介质

6、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。AlN薄膜的电阻率为～，远高于，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1～2个数量级。2.3损耗角正切AlN压电薄膜的介质损耗角正切tanδ=0.003～0.005,ZnO薄膜的tanδ则较大，为0.005～0.01。这些薄膜的tanδ之所以有这样大，是由于

7、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tanδ11随温度和频率的上升以及湿度的增大，都逐渐增大。另外，在薄膜厚度减少时，tanδ趋向于增大。显然，tanδ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。2.2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

8、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