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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
[2]
效应。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
[3]
应又称被称为正压电效应。
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。
[1-7]
压电薄膜材料是重要的信息功能材料,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
1
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
[8]
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。
2.2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,
81415
至少应该10•cm。AlN薄膜的电阻率为210~110•cm,远高于
v
8,因而在这一方面,AlN是十分优异的薄膜。另外,AlN压电薄膜的
10•cm
1
电导性随温度的变化也服从规律。
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