压电薄膜的特性、制备和应用总结分析

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1、压电薄膜的特性、制备和应用总结分析一、PVDF压电薄膜的概念二、压电薄膜材料的性能三、压电薄膜的制备方法四、压电薄膜材料的应用一、PVDF压电薄膜的概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

2、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（polyvinylidenefluoridepolymer)简称PVDF，具有极强的压电效应。PVDF薄膜主要有二种晶型即α 型和β 型，α型晶体不具有压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原来薄膜中的α型晶体变成β 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PZ

3、T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）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，

4、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。二、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

5、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ρv≥108Ω•cm。AlN薄膜的电阻率2×1014~1×10

6、15Ω•cm，远高于108Ω•cm，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1nσ∝1/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1～2个数量级。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，是由于这些薄膜中除了有电导过程以外，

7、还存在着显著的弛豫现象。与介质薄膜类似，压电厚膜的tanδ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。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

8、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