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扫描电镜下的多层压电陶瓷材料分析

发布:复纳科学仪器(上海)有限公司
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压电陶瓷片,是一种应用广泛的电子陶瓷材料,能够实现机械能与电能的相互转化。例如,压电陶瓷蜂鸣片,由压电陶瓷片和金属震动板粘粘而成,由振荡电路激励,通过逆压电效应,压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动,当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。压电陶瓷蜂鸣片广泛应用于电子钟表、汽车喇叭、音响、通讯、遥感、计算器,电子玩具等产品。

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单层压电陶瓷,在压电陶瓷两面涂覆导电电极

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压电蜂鸣片与压电蜂鸣器示意图

相比于单层压电陶瓷,多层压电陶瓷具有低压驱动、薄型化,高功率密度等优点,因此有更大的应价值。下图为某多层压电陶瓷,由 9 层压电陶瓷构成

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低温共烧多层压电陶瓷具有驱动电压低,器件可靠性高,位移量大,易于集成化等优点,且采用低温共烧技术,相比于传统的粘接技术,会改善元件的电学和机械特性。

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多层压电陶瓷结构示意图

多层压电陶瓷由数层压电材料组成,与内部电极交错排列。内部电极相继定位为正极和负极,所有正电极都连接到组件一侧的一个外部电极。负极连接在组件的另一侧。与单层压电陶瓷相比,多层压电陶瓷的很大优势在于,在实现与单层压电陶瓷相同的位移时,可以减少施加的电压。单层压电陶瓷的位移等于压电常数 d33 乘以电压,多层压电陶瓷的位移等于压电常数 d33 乘以电压乘以层数。

扫描隧道显微镜(STEM)使用了压电陶瓷技术,扫描隧道显微镜要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描,用普通机械的控制是很难达到这一要求的。压电陶瓷材料能以简单的方式将 1mV-1000V 的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。

多层压电陶瓷器件品质要求较高,其内部多层结构需要使用扫描电镜(SEM)观察,例如每一层陶瓷是否有缺陷,多层陶瓷的厚度是否均匀,作为电极的银层是否覆盖均匀,这些结构影响着器件的使用寿命。

以下采用飞纳台式场发射扫描电镜能谱一体机 Phenom Pharos 观察多层压电陶瓷内部结构。

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样品制备,将多层压电陶瓷使用导电胶固定在观察断面的样品台上

飞纳电镜采用低真空技术,对不导电样品,无需喷金,可直接观察。飞纳台式扫描电镜成像界面的右上角配置了彩色光学显微镜导航窗口,可以实时定位要观察的样品,结合全自动马达样品台,点击任意感兴趣的位置,视野即可快速移动到该位置。

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使用飞纳台式场发射电镜能谱一体机 Phenom Pharos 观察多层压电陶瓷断面

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9 层压电陶瓷内部结构

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陶瓷层与中间的电极层界面结合情况

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陶瓷层与中间的电极层能谱面扫结果,电极层主要成分是 Ag-Pd 合金

由于多层压电陶瓷对工艺要求高,因此非常有必要使用扫描电镜观察,飞纳操作简单,效率高,样品无需喷金可直接观察,是强有力的工具。

2021-01-13
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