ALN与PVDF 压电常数与温度、压力的线性相关性

ALN、PVDF的压电常数与温度、压力的相关性压电常数的含义•压电常数是表征压电材料电学性质的重要性能参数，压电系数的准确测量对探索材料压电机理改进和充分利用压电材料及压电传感器、执行器设计等都有重要意义•它反映压电材料弹性（机械）性能与介电性能之间的耦合关系。选择不同的自变量（或者说测量时选用不同的边界条件），可以得到四组压电常数d、g、e、h，其中较常用的是压电常数d。•其中压电常数d33是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般陶瓷的压电常数越高，压电性能越好。下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。压电常数的物理关系•当沿极化方向（Z轴）施加压应力T3时，在电极面A3上产生的电荷密度σ3=d33T3。在MKSQ制中，电位移D3=σ3，则•D3=d33T3•同理，沿X轴和Y轴分别施加机械应力T1和T2，在电极面A3上所产生的电位移为：•D3=d31T1，D3=d32T2。•若晶体同时受到T1，T2和T3的作用，电位移和应力关系为：•D3=d31T1+d32T2+d33T3影响压电常数的因素•压电常数易受多种外界因素的影响，温度和压力对其影响较大，这里就分别以温度、压力对ALN、PVDF两种压电材料的压电常数的影响进行比较。•注：本文所示图片和数据均来自查找到的论文及相关研究资料，非本人实验数据。一、ALN和PVDF的压电常数与温度的相关性•温度的变化对不同的压电材料压电常数的影响并不相同，不同温度区间同种压电材料压电常数受温度的影响也不相同。•ALN的压电常数在一定温度范围比较稳定，而PVDF的压电常数受温度影响很显著。1.ALN的压电常数温度的相关性•ALN压电常数d33与温度的关系：在20℃-300℃之间ALN的d33是一个常数，不会随温度的改变而变化2.PVDF压电常数与温度的相关性•PVDF压电系数d33对温度很敏感，当外界温度发生变化时，d33会发生显著地变化，且在低加载时很不稳定；这种变化与温度是否是线性变化，很少见到有关文献研究。•目前仅找到PVDF的d31随温度的变化关系（由于PVDF本身的特性，其压电常数并不是一个固定值，在不同温度下的压电数值不同），温度对d31有较大影响，相对于室温（20℃）的d31的值，温度每变化1℃，d31的值变化近1%，温度对d31的影响呈近似线性关系，应用时需要补偿。在同一温度下d31的值不变，说明PVDF的d31值在一定温度范围内可逆。右图是在-20~70摄氏度下测得的PVDF压电材料的d31数据，在同一温度下共测得18个d31的值，最后统计18个数据的平均值。最后根据所得的数据绘制d31随温度变化的曲线。二、ALN、PVDF压电常数与压力的相关性•ALN压电常数d33与压力的线性关系比PVDF好，基本上与压力成线性关系；•PVDF压电常数d33在压力加载和卸载开始阶段出现剧烈的波动，并且在倾斜情况下因为剪切力的存在而随着倾斜角的变化发生显著改变。1.ALN压电常数与压力的相关性•ALN压电常数d33与压力的线性关系：它与压力的线性关系比PVDF好，基本上与压力成线性关系；（由于溅射工艺和衬底平整度的影响，它的压力常数大约在0.5PC/N---3.8PC/N之间，较小。）•暂时没有找到ALN的压电常数与压力的相关性数据，右图是ZnO的极化强度随应力变化的曲线，ALN的压电性能与其有着相似的关系。2.PVDF压电常数与压力的线性相关性时不同，估计应用时也需要补偿修正，较适合于高速冲击，撞击。•（1）PVDF的压电常数在压力加载和卸载开始阶段出现剧烈的波动，应用时应先预加载，这时d33较稳定，同时在重复加载过程中，加载时的d33值与卸载•（2）在倾斜加载情形下，d33会因为剪切力的存在而随着倾斜角的变化发生显著改变，这一变化是否线性变化，还需要查是否有相关文献。•（3）在生理性相关压力范围，用PVDF（有的有少量TRFE加入）薄膜做的传感器，电压输出与压力成一个很好的线性关系，根据V=F.G3n.d/a(v是电压输出，F是压力，G3n是压电常数，d、a分别是PVDF薄膜的面积与厚度)，在相应温度范围内，压电常数应该趋向于一个固定值（不是很确定，因为做成的传感器器件一般都加有补偿）。•下图是不同层数PVDF，不同电极，不同厚度的PVDF做成传感器后电压输出随压力变化测得的实验数据三、ALN与PVDF压电性能比较•经过以上对比发现：ANL的压电性能随温度、压力变化的线性关系比PVDF的要好。然而PVDF的压电常数的极限要远大于ANL(ANL的极限压电常数d33为5，而PVDF的极限压电常数d33可以达到39，见下页图表)。•两种材料各有优缺点，可以根据不同的需求选择材料作为传感器的感应器件。