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薄膜主要有二种晶型即a 型和0 型，a型晶体不具有 压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原來薄膜中的a型晶体变成 B 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PVDF压电薄膜示总图工沦伸方向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 部分压电陶瓷己经退极化了；(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，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Pv2108Q・cm A1N薄膜的电阻率2X 1014^1 X 1015 Q-cm,远高于108Q・cm,因而在这一方面，A1N 是十分优异的薄膜。
另外，A1N压电薄膜的电导性随温度的变化 也服从lno *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A1N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A1N压电薄膜的介质损耗角正切tan 6 =0. 003〜0. 005, ZnO薄膜 的tan 5则较大，为0.005〜0.01这些薄膜的lan 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 6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，tan 8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. 01 〜0. 4MV/cm, A1N 薄膜为 0. 5〜6. OMV/cm5、体声波性能体声波压电转换器的最重要的特性参数是谐振频率0,声阻抗 Za和机电耦合系数K,所以对压电薄膜的声速u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，A1N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：表声波性能二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，传输损耗的來源主要是声波 在压电薄膜和基片中的散射三、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0〜18 Pin, 新型溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法是制备10-100 um的压 电厚膜材料。
压电厚膜通常是指厚度为10-100 um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，现代己 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(固相或液相一 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。
真空罩真空萦统图1 蒸发馋牍设备示意图 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① 电阻加热源：用难熔金属如钩、袒制成舟箔或丝状，通以电流, 加热在它上方的或置于堆埸中的蒸发物质（电阻加热源主要用于 蒸发 Cd、Pb、Ag、A］、Cu、Cr、Au、Ni 等材料② 高频感应加热源：用高频感应电流加热堵埸和蒸发物质③ 电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000［618-1］） 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制造各种光集成器件和各种超晶 格结构薄膜2、真空溅射镀膜 用带有几百电子伏特以上动能的例子或离子束轰击固体表面，使 靠近固体表面的原子获得入射粒子所带的能量的一部分而脱离 固体进入到真空中，这种现象称为溅射。
溅射现象涉及复杂的散 射过程，同时还伴有各种能量传递机制一般认为这一过程主要是所谓的碰撞联级过程，即入射离子与靶 原子发生弹性碰撞，从而使靶原子获得获得足够的能量克服周围 原子形成的势垒后离开原有位置，并进一步和附近的原子发生碰 撞当这种碰撞联级达到靶原子表面使原子获得高于表面结合能 的能量时，这些原子就会脱离靶原子表面而进入真空现在关于溅射镀膜研究得比较多的是磁控溅射镀膜磁控溅射是 为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率 通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高 等离子体密度以增加溅射率的方法利用外加磁场捕捉电子，延 长和束缚电子的运动路径，搞高离化率，增加镀膜速率fln冷印水I#环60L/Bin工艺电谭DC POIEt 卜：—ShtfttrIB场anPlasaa电于9K 2次肢出离子导 自2次、Ar ftwsurw5U0” tUr速失凤于3、化学气相沉积镀膜化学气相沉积是一种化学气相生长方法，简称CVD (Chemical Vapor Deposition)技术这种方法是把含有构成薄膜元素的一 种或几种化合物单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外 光乃至激光等能源，借助气相作用或在基体表面的化学反应生成 要求的薄膜。
由于CVD法是利用各种气体反应来制备薄膜，所以可以任意控制 薄膜的组成，从而可以制得许多新的膜材采用CVD法制备薄膜 时，其生长温度显著低于薄膜组成物质的熔点，所得膜层均匀性 好，具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基板由于其具有淀积速率高、膜层针孔少、纯度高、致密、形成晶体 的缺陷少等优点，因而化学气相沉积的应用范围非常的广利用 CVD法可以制备致密、表面光滑、厚度在0~18um,性能优异的 压电厚膜材料因此在压电厚膜的制备中，CVD法发展很快，已 被很多的研究者采用反应"体进入八眞0体球a片舍加热器4、新型溶液凝胶法新型溶胶凝胶法是将制备好的。