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。典型的應用為:
● 傳感器(壓力、溫度、超聲波、紅外線)
● 鍵盤
● 揚聲器
● 內(nèi)存
● 致動器
為提升其應用性，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系如圖1所示。從關系圖可觀察到?jīng)]有施加電場時的殘留極化電場(Pr)，并且其極化方向將在[E]>Ec(矯頑場)時產(chǎn)生反向轉置。
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的適當黏稠度。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準商業(yè)過濾方法去除雜質，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，可在低于溶劑沸點的溫度下，于大氣壓或真空環(huán)境進行溶劑的蒸發(fā)。
II – 2.2. 退火
退火是獲得具有最佳性能之薄膜的關鍵步驟。此步驟將控制材料的結晶形成并增強材料的電學及機械特性，因此，薄膜可能需要于居禮溫度與結晶溫度之間的適當溫度進行退火數(shù)分鐘(通常低于熔點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，需進行將材料進行極化。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)配合外部放大器行之
當電壓產(chǎn)生器與訊號產(chǎn)生器形成耦合時，可以根據(jù)以下參數(shù)施加電場:
● 達到電場峰值(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 方向上的應變(相對變形)
● d 31 為壓電應變常數(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
壓電應變常數(shù)可被定義為:
III – 2. 傳感器 : 量 級 計 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)為施加的機械應力
● g ij (Vm/Nm²)為壓電電壓常數(shù)
由以下材料參數(shù)進行舉例:
長度: l=2cm
寬度: w=2cm
厚度: t=100µm
壓應力 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械應力與頻率(f)的激振后，產(chǎn)生電荷(q)，其生成電壓值(v t )與應力值成比例關系，
而該比例模式與導數(shù)模式間的范圍由截斷頻率(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，而該量測結果將受外部阻抗(傳感器電容、傳導線損耗、示波器探頭等)影響，若連
結電荷放大器則能夠將外部阻抗影響降至最低。
直接量測:
連結電荷放大器:
附件 1: Piezotech ® FC & Piezotech ® RT 標準
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: