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1-3压电复合材料兼具压电陶瓷和聚合物两者的优点,具有压电系数高、介电与机械损耗低、密度低、声阻抗低的特点。与0-3压电复合材料相比,1-3压电复合材料具有很强的各向异性,其最终性能与一维压电相在聚合物基体中的排布有重要联系。当压电相的轴向与电极方向(应力方向)一致时,压电相的应变达到最大,此时复合材料在压电相排布方向的性能远超其他方向。因此,1-3压电复合材料在超声医学和国防等领域有着非常广阔的应用前景。近年来,光声成像技术在内窥镜方面的应用引起了人们的关注。作为光声医学成像的核心器件,压电微机械超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducers,pMUTs)开始受到越来越多的重视。目前pMUTs的研制主要采用压电薄膜,与生物组织的声阻抗匹配性差。虽然在体外应用可以采用涂敷一层油膏来解决阻抗匹配问题,但对于内窥镜来说,这种解决方案显然行不通。因此,采用压电复合材料来研制光声内窥镜用的pMUTs是一项重要的技术要求。并且,由于pMUTs属于微小型化器件,有望实现阵列化的内窥镜光声成像。因此,实现光声内窥镜的阵列化成像应用,特别是实现pMUTs与Si基信号处理电路一体化集成,是pMUTs应用于光声内窥镜的另一项重要技术要求。由此,本文围绕1-3压电复合材料pMUTs与IC的集成,开展了以下几个方面的探索研究:1、开展了AlN薄膜的中频溅射制备研究,对中频溅射制备AlN薄膜织构特性的控制机制进行了系统研究,结果表明:采用富氮过渡层进行两步沉积,可以显著提高AlN薄膜织构程度,所制备的AlN薄膜不仅内应力小,而且压电系数高,d33系数达到3.4 pC/N,为开展AlN压电薄膜pMUTs研制奠定了基础。2、通过光刻-填充方法,制备了具有有序阵列的AlN微米柱/聚合物1-3压电复合薄膜,研究了压电相体积分数、聚合物种类对复合薄膜压电和介电性能的影响。制备出的AlN/PVDF 1-3压电复合薄膜性能良好,压电系数约为6 pC/N,为开展与Si基IC一体化集成的pMUTs研制奠定了材料基础。3、为了进一步提高压电薄膜的压电系数,增加pMUTs器件的信号强度,本论文开展了PMN-PT 1-3复合材料应用于pMUTs的技术方法探索,为了与Si基IC工艺兼容,本论文采用了水热制备PMN-PT纳米线。首先,本论文开展了工艺参数、表面活性剂等对PMN-PT纳米线生长过程的影响规律研究,在优化的工艺参数下,制备出了具有准同型相界的PMN-PT纳米线,并对PMN-PT纳米线的结构和电学性能进行了表征。测试结果显示:PMN-PT纳米线为钙钛矿结构的单晶,生长方向为[100]晶向,PMN-PT纳米线的压电系数约为409±4 pm/V,矫顽电场为2.8 kV/mm,剩余极化强度17.2μC/cm2,自发极化强度31.3μC/cm2,击穿电场强度约为2.8×106 V/m。4、在PMN-PT纳米线制备工艺研究基础上,论文开展了PMN-PT/PVDF 1-3压电复合材料的性能及其变化规律研究。以PMN-PT纳米线为压电相,采用共混-流延方法制备了PMN-PT/PVDF 1-3压电复合材料,在开展了压电相含量对复合材料力学和电学性能的影响研究的基础上,重点考察了压电相形态、聚合物基体和极化条件对压电复合材料输出特性的影响,研究结果表明:PMN-PT/PVDF 1-3压电复合材料具有良好的输出特性,并且,通过极化电场强度、极化温度和极化时间的改变,可以提高PMN-PT纳米线电畴的转向重排,从而提高复合材料的压电输出特性。5、为了演示PMN-PT/PVDF1-3压电复合材料在超声换能方面的应用潜力,本论文将所研制的PMN-PT/PVDF1-3压电复合材料研制成为柔性发电机,所研制的PMN-PT/PVDF发电机的输出电压达到20 V,输出电流达到60 nA,电流密度为20 nA/cm2,且输出电压与应变呈近似线性关系,从而显示了其良好超声换能特性。在此基础上,为了实现这种压电复合材料与Si基IC的一体化集成,论文还开展了PMN-PT纳米线有序阵列的制备研究,初步探索出了Pt/Si基片表面PMN-PT有序纳米线阵列的制备工艺,为后续pMUTs研究奠定了材料基础。