I – 介紹
Piezotech® FC 為一種可印刷式電活性聚合物P(VDF-TrFE)，可經(jīng)由沉積、退火、極化等處理，展現(xiàn)其熱電及壓電特性。典型的應(yīng)用為:
● 感測(cè)器(壓力、溫度、超聲波、紅外線)
● 鍵盤
● 揚(yáng)聲器
● 記憶體
● 致動(dòng)器
為提升其應(yīng)用性，常以電極塗層方式將這些聚合物透過印刷製程形成薄膜來使用。
Piezotech® FC 為鐵電聚合物，該薄膜的極化與電場(chǎng)關(guān)係如圖1所示。從關(guān)係圖可觀察到?jīng)]有施加電場(chǎng)時(shí)的殘留極化電場(chǎng)(Pr)，並且其極化方向?qū)⒃赱E]>Ec(矯頑場(chǎng))時(shí)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)置。
共聚物於鐵電與順電的特性將隨居禮溫度(Tc)變化，而鐵電與順電特性之間的變化溫度將取決於共聚物的組成，如圖2所示。 在極化後，聚合物將表現(xiàn)出壓電及熱電特性。
II – 加工處理製程
II – 1. 油墨配方
共聚物可溶於不同的溶劑當(dāng)中，如附件2，因此可利用調(diào)節(jié)溶劑中聚合物濃度的方式，獲得不同印刷製程所需對(duì)應(yīng)的適當(dāng)黏稠度。經(jīng)由加熱程序，將聚合物逐漸加入溶劑中即可取得油墨。然而，為了製得具有高電擊穿性(絕緣破壞性)的均勻薄膜，會(huì)透過過濾筒或過濾注射等標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)過濾方法去除雜質(zhì)，以防止凝膠顆粒的形成，理想的過濾精度為1微米以內(nèi)。
II – 2. 加工處理程序: 印刷與後處理
在乾淨(jìng)的環(huán)境下，油墨配方(聚合物溶液)可由不同的印刷製程(溶劑澆鑄、網(wǎng)版印刷、旋轉(zhuǎn)塗佈、噴墨、凹版印刷等)塗覆在特定的基材(PET、PEN、PC、玻璃等)上，形成乾燥且均勻的薄膜。 為減少薄膜中的氣泡產(chǎn)生，在印刷過程中應(yīng)避免使用注射器。
II – 2.1. 溶劑蒸發(fā)
為了去除殘留的溶劑並提升薄膜性能，可在低於溶劑沸點(diǎn)的溫度下，於大氣壓或真空環(huán)境進(jìn)行溶劑的蒸發(fā)。
II – 2.2. 退火
退火是獲得具有最佳性能之薄膜的關(guān)鍵步驟。此步驟將控制材料的結(jié)晶形成並增強(qiáng)材料的電學(xué)及機(jī)械特性，因此，薄膜可能需要於居禮溫度與結(jié)晶溫度之間的適當(dāng)溫度進(jìn)行退火數(shù)分鐘(通常低於熔點(diǎn)15°C)，而退火的速度可藉由紅外線或閃光退火來提升。
II – 2.3. 極化
為了活化共聚物材料，需進(jìn)行將材料進(jìn)行極化。於材料表層施加遞增的低頻電壓以及高於矯頑場(chǎng)值(50V/µm)的電場(chǎng)，並根據(jù)薄膜厚度、薄膜表面與所需的精度使用不同的方法完成極化。
可由以下方式完成電場(chǎng)及磁滯曲線特徵的應(yīng)用:
● 以電壓產(chǎn)生器通過電極直接施加電場(chǎng)(此情形無法量測(cè)感應(yīng)電極、電荷位移)
● Sawyer-Tower電路(電荷量測(cè)、磁滯曲線)
● 在高電場(chǎng)的要求下(取決於薄膜厚度)，以鐵電測(cè)試儀(精密鐵電輻射技術(shù))配合外部放大器行之
當(dāng)電壓產(chǎn)生器與訊號(hào)產(chǎn)生器形成耦合時(shí)，可以根據(jù)以下參數(shù)施加電場(chǎng):
● 達(dá)到電場(chǎng)峰值(Emax)的周期數(shù): 15
● 頻率: 0,05Hz或以上
● 訊號(hào): 正弦波
● Emax > 2Ec
● Emax=100V/µm
對(duì)於印刷元件(主要為薄層)，可透過探針接觸系統(tǒng)直接通過薄膜電極施加極化電場(chǎng)，如圖8所示；而對(duì)於非印刷元件(厚層)，可透過兩個(gè)電極之間的接觸和施壓來完成極化，如圖9所示；而針對(duì)大表面物件，則可以使用電暈極化。
III – 驅(qū)動(dòng)與量測(cè)
III – 1. 電場(chǎng)下的變形
由施加電場(chǎng)引起的變形可由簡(jiǎn)單的公式來定義:
其中
● 表示材料在 x i 方向上的應(yīng)變(相對(duì)變形)
● d 31 為壓電應(yīng)變常數(shù)(相對(duì)於施加電場(chǎng)的垂直方向)
由以下材料參數(shù)進(jìn)行舉例:
長(zhǎng)度: l=1cm
寬度: w=2mm
厚度: t=9µm
施加電壓: V=200V -> 電場(chǎng):E=V/t
(d 31 , d 32 , d 33 ) = (11, 10, -30) pC/N
壓電應(yīng)變常數(shù)可被定義為:
III – 2. 感測(cè)器 : 量 級(jí) 計(jì) 算 、電壓產(chǎn)生
受力後形成的電場(chǎng)(E)可被定義為:
其中
● σ i (N/m²)為施加的機(jī)械應(yīng)力
● g ij (Vm/Nm²)為壓電電壓常數(shù)
由以下材料參數(shù)進(jìn)行舉例:
長(zhǎng)度: l=2cm
寬度: w=2cm
厚度: t=100µm
壓應(yīng)力 0.1 Bar (104 Pa) 4N -> σ=10000N/m²
(g 31 , g 32 , g 33 ) = (216, 19, -339) *10 -3 - Vm/Nm²
III – 3. 訊號(hào)量測(cè)
壓電感測(cè)器在受到機(jī)械應(yīng)力與頻率(f)的激振後，產(chǎn)生電荷(q)，其生成電壓值(v t )與應(yīng)力值成比例關(guān)係，
而該比例模式與導(dǎo)數(shù)模式間的範(fàn)圍由截?cái)囝l率(fc)界定。訊號(hào)的量測(cè)可以將感測(cè)器直接連接到數(shù)據(jù)採集
卡(DAC)或示波器，而該量測(cè)結(jié)果將受外部阻抗(感測(cè)器電容、傳導(dǎo)線損耗、示波器探頭等)影響，若連
結(jié)電荷放大器則能夠?qū)⑼獠孔杩褂绊懡抵磷畹汀?br/>
直接量測(cè):
連結(jié)電荷放大器:
附件 1: Piezotech ® FC & Piezotech ® RT 標(biāo)準(zhǔn)
附件 2: Piezotech ® FC/RT 溶劑
下表為建議使用於溶解與配製Piezotech FC ® 和Piezotech ® RT之溶劑: