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Piezotech FC 加工處理制程指南

來源:本站日期:2022-03-19 07:18:32 瀏覽:215

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:

       ● 傳感器(壓力、溫度、超聲波、紅外線)
       ● 鍵盤
       ● 揚(yáng)聲器
       ● 內(nèi)存
       ● 致動器

為提升其應(yīng)用性,常以電極涂層方式將這些聚合物透過印刷制程形成薄膜來使用。

Piezotech® FC 為鐵電聚合物,該薄膜的極化與電場關(guān)系如圖1所示。從關(guān)系圖可觀察到?jīng)]有施加電場時(shí)的殘留極化電場(Pr),并且其極化方向?qū)⒃赱E]>Ec(矯頑場)時(shí)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)置。

共聚物于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于共聚物的組成,如圖2所示。 在極化后,聚合物將表現(xiàn)出壓電及熱電特性。




         

II – 加工處理制程


II – 1. 油墨配方


共聚物可溶于不同的溶劑當(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,獲得不同印刷制程所需對應(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,為了制得具有高電擊穿性(絕緣破壞性)的均勻薄膜,會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: 印刷與后處理

在干凈的環(huán)境下,油墨配方(聚合物溶液)可由不同的印刷制程(溶劑澆鑄、網(wǎng)版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、噴墨、凹版印刷等)涂覆在特定的基材(PET、PEN、PC、玻璃等)上,形成干燥且均勻的薄膜。 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并提升薄膜性能,可在低于溶劑沸點(diǎn)的溫度下,于大氣壓或真空環(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)晶形成并增強(qiáng)材料的電學(xué)及機(jī)械特性,因此,薄膜可能需要于居禮溫度與結(jié)晶溫度之間的適當(dāng)溫度進(jìn)行退火數(shù)分鐘(通常低于熔點(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。于材料表層施加遞增的低頻電壓以及高于矯頑場值(50V/µm)的電場,并根據(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及磁滯曲線特征的應(yīng)用:

 

        以電壓產(chǎn)生器通過電極直接施加電場(此情形無法量測感應(yīng)電極、電荷位移)

        Sawyer-Tower電路(電荷量測、磁滯曲線)

        在高電場的要求下(取決于薄膜厚度),以鐵電測試儀(精密鐵電輻射技術(shù))配合外部放大器行之


當(dāng)電壓產(chǎn)生器與訊號產(chǎn)生器形成耦合時(shí),可以根據(jù)以下參數(shù)施加電場:

 

        達(dá)到電場峰值(Emax)的周期數(shù): 15

        頻率: 0,05Hz或以上

        訊號: 正弦波

        Emax > 2Ec

        Emax=100V/µm



對于印刷組件(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,如圖8所示;而對于非印刷組件(厚層),可透過兩個電極之間的接觸和施壓來完成極化,如圖9所示;而針對大表面對象,則可以使用電暈極化。

 


 



III –  驅(qū)動與量測

III – 1.  電場下的變形

由施加電場引起的變形可由簡單的公式來定義:

其中
 

        表示材料在 x i 方向上的應(yīng)變(相對變形)

        d 31  為壓電應(yīng)變常數(shù)(相對于施加電場的垂直方向)
 

由以下材料參數(shù)進(jìn)行舉例:
 

長度: l=1cm

寬度: w=2mm

厚度: t=9µm

施加電壓: V=200V  ->  電場: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.  傳感器 :  量 級 計(jì) 算 、電壓產(chǎn)生
 

受力后形成的電場(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.  訊號量測
 

壓電傳感器在受到機(jī)械應(yīng)力與頻率(f)的激振后,產(chǎn)生電荷(q),其生成電壓值(v t )與應(yīng)力值成比例關(guān)系,

而該比例模式與導(dǎo)數(shù)模式間的范圍由截?cái)囝l率(fc)界定。訊號的量測可以將傳感器直接連接到數(shù)據(jù)采集

卡(DAC)或示波器,而該量測結(jié)果將受外部阻抗(傳感器電容、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:


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

下表為建議使用于溶解與配制Piezotech FC ® 和Piezotech ® RT之溶劑:


 

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