CN103000802A - 一种在绝缘基板上制造具有离子交换增强层的压电元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在绝缘基板上制造具有离子交换增强层的压电元件的方法，包括：准备压电聚合物材料，将该压电聚合物材料在160～190℃条件下加热使其分解；将分解后的压电聚合物材料与粘结剂及挥发性溶剂混合形成浆料；提供绝缘基板，在该绝缘基板表面形成第一电极层；将该浆料涂附于第一电极层表面，形成第一压电层，干燥该第一压电层；在第一压电层上涂覆离子交换增强层；将该浆料涂附于离子交换增强层表面，形成第二压电层，干燥该第二压电层；以及在该第二压电层表面形成第二电极层；本发明以新颖的压电聚合物材料形成压电层，其电致伸缩应变比现有技术中常用的压电聚合物的压电元件提高4～6％。

Description

一种在绝缘基板上制造具有离子交换增强层的压电元件的方法
技术领域
本发明涉及一种压电元件的制造方法。
背景技术
压电元件为将压力转换为电信号的元件，其包括压电材料层以及位于该压电材料层两侧的电极层。当在该压电元件表面施加压力时，可在该两电极层检测到相对应的电信号输出。该压电材料层由具有压电效应的材料制成，现有技术中较为常用的压电材料为压电陶瓷，如钛酸钡、钛酸铅及镐钛酸铅等，以及压电聚合物，如聚偏氟乙烯( PVDF)等。
聚偏氟乙烯及其共聚物作为最常见的有机压电聚合物。由于它们具有良好的柔韧性并易制成大面积的薄膜，因而在音频和超声传感器、生物医学传感器、机电换能器以及热释电和光学器件中具有重要的应用前景。但其致动能力低下，在150MV/m 电场下，其电致伸缩应变仅为7%。因此，本领域研究人员希望找到提高电致伸缩应变的可以代替聚偏氟乙烯的压电聚合物，提高压电器件的性能。
发明内容
本发明公开了一种压电元件的制造方法，其包括如下步骤：
准备压电聚合物材料，将该压电聚合物材料在160～190℃条件下加热使其分解；
将分解后的压电聚合物材料与粘结剂及挥发性溶剂混合形成浆料；
提供绝缘基板，在该绝缘基板表面形成第一电极层；
将该浆料涂附于第一电极层表面，形成第一压电层，干燥该第一压电层；
在第一压电层上涂覆离子交换增强层；
将该浆料涂附于离子交换增强层表面，形成第二压电层，干燥该第二压电层；以及
在该第二压电层表面形成第二电极层；
其中，离子交换增强层包含离子交换增强材料和纳米导电颗粒；离子交换增强材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇，纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
压电层由压电聚合物形成，该压电聚合物为具有化学结构式（I）的材料；
Figure BDA0000243676551
其中
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和
G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
本发明的有益效果是：以新颖的压电聚合物材料形成压电层，制备得到了新颖的压电元件。该压电元件通过具有不同功函数的金属与压电聚合物相互层叠，当受到压力作用时，该压电层与第一电极层和第二电极层具有不同的肖特基接触，从而产生电势差。该压电元件的电致伸缩应变比现有技术中包括常用压电聚合物，例如聚偏氟乙烯的压电元件提高4～6％。
附图说明
图1是根据本发明的方法制造的具有离子交换增强层的压电元件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明的技术方案，以下将结合附图详细说明本发明的压电元件及其制造方法。
本发明公开了一种在绝缘基板上制造具有离子交换增强层的压电元件的方法，制造的压电元件的结构参照图1，该方法包括以下步骤：
第一，提供压电聚合物材料，并将该压电聚合物材料在160～190℃加热1～5小时，使该压电聚合物材料受热分解。
第二，将受热分解后的压电聚合物材料与粘结剂及挥发性溶剂混合形成浆料。
第三，提供绝缘基板，在该绝缘基板表面形成第一电极层1。第一电极层1可通过电镀、沉积、蒸镀或溅射等方式形成在该绝缘基板表面。通过上述方法形成的第一电极层1可以具有较薄的厚度。本实施例中采用溅射方法在硅基底表面形成100微米厚的铝膜作为第一电极层1。
第四，将上述混合后浆料涂附于第一电极层1表面，形成第一压电层2。该第一压电层2的厚度优选为10～300微米。本实施例中，可以使用刮刀将所述浆料涂覆于铝箔表面，所形成的第一压电层2的厚度约为150微米。
第五，在该第一压电层2表面涂覆离子交换增强层3。配制离子交换增强层的方法是：将离子交换增强材料和溶剂混合，溶剂优选为乙醇或水；得到向质量百分比浓度为25～50%的离子交换增强材料溶液，超声震荡去除溶液中的气泡，将纳米导电颗粒加入溶液中，其中加入的纳米导电颗粒所占质量百分比优选为6～10%，超声震荡分散均匀得到离子交换增强溶液，其中超声震荡时间优选为200～500分钟。
第六，将上述混合后浆料涂附于离子交换增强层3表面，形成第二压电层4。该第二压电层4的厚度优选为10～300微米。本实施例中，可以使用刮刀将所述浆料涂覆于铝箔表面，所形成的第一压电层2的厚度约为150微米。
第七，在该第二压电层4表面形成第二电极层5。第二电极层5可通过电镀、沉积、蒸镀或溅射等方式形成在该绝缘基板表面。通过上述方法形成的第二电极层5可以具有较薄的厚度。本实施例中采用溅射方法在该第二压电层4的表面形成100微米厚的金膜作为第二电极层5。
如图1所示，根据本发明的方法制造的压电元件的结构为包括依次层叠的第一电极层1、第一压电层2、离子交换增强层3、第二压电层4和第二电极层5。离子交换增强层3设置在第一压电层2和第二压电层4之间，第一压电层2、离子交换增强层3和第二压电层4设置在第一电极层1和第二电极层5之间，形成五层贴合层叠设置结构。
第一压电层2和第二压电层4的材料均为具有化学结构式（I）的材料；
Figure BDA0000243676552
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
优选地，n和m各为5到600的整数，更优选n和m各为10到300的整数。
优选地，p为0或1到300的整数，更优选p为5到150的整数。
优选地，X和Z各为经取代或未经取代的C6-C40芳香族单元或脂肪族单元。
优选地，Y为经取代或未经取代的C3-C20脂肪族单元；优选地，Y为经取代或未经取代的C4-C12烃链或C4-C12双氧烷基，更优选地，Y为双氧丁基。
优选地，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C6脂肪族基，更优选为经取代或未经取代的甲基、乙基、丙基、丁基、甲氧基、乙氧基或丙氧基，更优选为甲基。
第一压电层2和第二压电层还可以包含少量粘结剂，使得压电层更好的与电极层以及离子交换增强层相结合并成型。该压电聚合物材料占压电层2总质量的90％以上，优选为95％以上。
在一个实施例中，该压电层2包括占总重量比97％的压电聚合物材料，以及占总重量比3％的粘结剂。
在一个实施例中，该粘结剂为PAN。该压电聚合物层2的厚度为10～300微米，优选为100～200微米。在一个实施例中，该压电聚合物层2的厚度约为150微米。
离子交换增强层是采用离子交换增强材料得溶液固化成型制得，离子交换增强溶液是在离子交换增强材料中均匀添加纳米导电颗粒；
离子交换增强材料优选为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇。纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
形成第一电极层1的金属的功函数与形成第二电极层5的金属的功函数不相等。优选地，第一电极层1的金属的功函数与第二电极层5的金属的功函数差别较大，优选相差0.5eV以上。具有不同功函数的第一电极层1与第二电极层5与第一压电层2以及第二压电层4相互层叠，当受到压力作用时，压电层内部产生电荷分离，由于该压电聚合物材料与不同功函数的金属具有不同的肖特基接触，从而产生电势差及电流。第一电极层1与第二电极层5的金属的功函数差别越大，则产生的电势差越大。由于在第一压电层2和第二压电层4之间设置了离子交换增强层3，可以显著提高电势差及电流。
优选地，第一电极层1与第二电极层3的材料可以为铝/铜(Al/Cu)，铝/镍(Al/Ni)、铝/金(Al/Au)、锌/金(Zn/Au)的组合。在一个实施例中，第一电极层1的材料为Al，其功函数4.28eV，第二电极层3的材料为Au，其功函数5.1eV。
第一电极层1及第二电极层3可以均为金属箔片或金属薄膜，或分别为金属箔片及金属薄膜。该金属箔片可与该压电聚合物层2相压合，该金属薄膜可通过电镀或沉积等方法直接形成于该压电聚合物层2的表面。该金属箔片的厚度优选为200～1000微米。该金属薄膜的厚度优选为10～200微米。在一个实施例中，第一电极层1及第二电极层3均为厚度约为0.5毫米的金属箔片。
将通过第一实施例的方法形成的压电元件接入一回路中测试该压电元件的压电效应，其中，该回路的负载电阻R为4.0×106欧姆(Ω)，该压电元件的大小为20×20毫米。当该压电元件表面受到的压力随时间逐渐增大时，可测得该负载电阻R两端的电压值不断增大，具体数据如表1所示。该压力持续一段时间后，该电压值极为缓慢的下降，并可持续达数小时以上。当压力增大或减小时，该电压随压力的变化而迅速变化。当受到压力分别为4千牛及60千牛时，该压电元件的输出功率为0.9nW及8nw。
表1
Figure BDA0000243676553
该压电元件通过具有不同功函数的金属与压电聚合物层相互层叠，当受到压力作用时，该压电聚合物内部产生电荷分离，由于其与不同功函数的金属具有不同的肖特基接触，从而产生电势差及电流。经实验测定，该压电元件的电致伸缩应变比以聚偏氟乙烯作为压电聚合物的压电元件提高4～6％。
可以理解，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，本领域技术人员在本发明精神内可以对其做出各种变型或，这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种在绝缘基板上制造具有离子交换增强层的压电元件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备压电聚合物材料，将该压电聚合物材料在160～190℃条件下加热使其分解；
将分解后的压电聚合物材料与粘结剂及挥发性溶剂混合形成浆料；
提供绝缘基板，在该绝缘基板表面形成第一电极层；
将该浆料涂附于第一电极层表面，形成第一压电层，干燥该第一压电层；
在第一压电层上涂覆离子交换增强层；
将该浆料涂附于离子交换增强层表面，形成第二压电层，干燥该第二压电层；以及
在该第二压电层表面形成第二电极层；
其中，离子交换增强层包含离子交换增强材料和纳米导电颗粒；离子交换增强材料为聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯醇，纳米导电颗粒为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒；
压电层由压电聚合物形成，该压电聚合物为具有化学结构式（I）的材料；
Figure FDA0000243676541
其中
n和m各为大于1的整数；
p为0或大于1的整数；
X和Z各为经取代或未经取代的C4-C60芳香族单元或脂肪族单元；
Y为经取代或未经取代的C2-C40脂肪族单元；和
G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C12脂肪族基。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，n和m各为5到600的整数。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，n和m各为10到300的整数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，p为0或1到300的整数。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，p为5到150的整数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，X和Z各为经取代或未经取代的C6-C40芳香族单元或脂肪族单元。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，X和Z为经取代或未经取代的C4-C12烃链或C4-C12双氧烷基。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Y为双氧丁基。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的C1-C6脂肪族基。
10.如权利要求1或9所述的方法，其特征在于，G1、G2、G3和G4各为经取代或未经取代的甲基、乙基、丙基、丁基、甲氧基、乙氧基或丙氧基。
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