TWI407607B - 壓電元件及其製備方法 - Google Patents

Description

壓電元件及其製備方法

本發明涉及一種壓電元件及其製備方法。

壓電元件為將壓力轉換為電訊號的元件，其包括一壓電材料層以及位於該壓電材料層兩側的電極層。當在該壓電元件表面施加一壓力時，可在該兩電極層檢測到相對應的電訊號輸出。該壓電材料層由具有壓電效應的材料製成，先前技術中較為常用的壓電材料為壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈦酸鉛及鎬鈦酸鉛等，以及壓電聚合物，如聚偏氟乙烯等。

聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)係由單體丙烯腈經自由基聚合反應而得到。聚丙烯腈係製造合成纖維的主要原料，可以用於製造腈綸及碳纖維等材料，主要用於紡織及化工領域(請參見W.WATT & W.JOHNSON，Mechanism of oxidisation of polyacrylonitrile fibres，Nature ，257,210-212(1975))。然而，目前尚未見到有採用聚丙烯腈用作壓電元件的報道。

有鑒於此，提供一種新型的壓電元件及其製備方法實為必要 。

一種壓電元件，其包括：一聚合物層，該聚合物層的材料包括熱解聚丙烯腈；一第一金屬層設置於該聚合物層一表面；以及一第二金屬層設置於該聚合物層另一表面，該第一金屬層與第二金屬層具有不同的功函數。

一種壓電元件的製備方法，其包括：提供一聚丙烯腈原料，將該聚丙烯腈原料在220℃至350℃加熱，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈；將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料；將該漿料塗覆於一第一金屬層表面，形成一聚合物層；乾燥該聚合物層；以及將一第二金屬層覆蓋於該聚合物層表面並相互壓合。

一種壓電元件的製備方法，其包括：提供一聚丙烯腈原料，將該聚丙烯腈原料在220℃至350℃條件下加熱，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈；將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料；提供一絕緣基板，在該絕緣基板表面形成一第一金屬；將所述漿料塗附於該第一金屬層表面，形成一聚合物層；以及在該聚合物層表面形成一第二金屬層。

相較於先前技術，本方法以聚丙烯腈為原料，製備得到了具有壓電效應的壓電元件，拓寬了聚丙烯腈的應用領域。該壓電元件通過具有不同功函數的金屬與該熱解聚丙烯腈相互層叠，當受到一壓力作用時，由於該熱解聚丙烯腈與不同功函 數的金屬具有不同的肖特基接觸(Schottky contacts)，從而產生電勢差。

100‧‧‧壓電元件

110‧‧‧第一金屬層

120‧‧‧聚合物層

130‧‧‧第二金屬層

圖1係本發明實施例一種壓電元件的結構示意圖。

圖2係本發明第一實施例一種壓電元件的製備方法的流程圖。

圖3係本發明第二實施例一種壓電元件的製備方法的流程圖。

圖4係圖1中壓電元件測試時的連接關係示意圖。

圖5係圖1中壓電元件的測試曲線。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例壓電元件100及其製備方法。

請參閱圖1，本發明實施例提供一種壓電元件100，其包括一聚合物層120、一第一金屬層110以及一第二金屬層130。該聚合物層120具有兩個相對的表面，該第一金屬層110及第二金屬層130分別設置在所述聚合物層120兩個相對的表面，形成三層貼合層叠設置結構，該聚合物層120設置在該第一金屬層110與該第二金屬層130之間。

該聚合物層120的主要材料為熱解聚丙烯腈(pyrolytic polyacrylonitrile,PPAN)。該熱解聚丙烯腈為將聚丙烯腈在350℃以下加熱一定時間得到。由於加熱的作用，該聚 丙烯腈中的分子鏈產生環化作用，形成聚並吡啶單元()。

進一步地，該聚合物層120還可包含少量黏結劑，使該聚合物層120更好的與金屬層相結合並成型。該熱解聚丙烯腈占聚合物層120總質量的90%以上，優選為95%以上。本實施例中，該聚合物層120包括占總重量比97%的熱解聚丙烯腈，以及占總重量比3%的黏結劑。本實施例中，該黏結劑為PAN。該聚合物層120的厚度為1微米~500微米，優選為100微米~200微米。本實施例中，該聚合物層120的厚度約為150微米。

該第一金屬層110的金屬的功函數與該第二金屬層130的金屬的功函數不相等。優選地，該第一金屬層110的金屬的功函數與該第二金屬層130的金屬的功函數差別較大，優選相差0.5eV以上。具有不同功函數的第一金屬層110與第二金屬層130與該聚合物層120相互層叠，當受到一壓力作用時，該熱解聚丙烯腈內部產生電荷分離，由於該熱解聚丙烯腈與不同功函數的金屬具有不同的肖特基接觸(Schottky contacts)，從而產生電勢差及電流。該第一金屬層110與第二金屬層130的金屬的功函數差別越大，則產生的電勢差越大。

具體地，該第一金屬層110與第二金屬層130的材料可以為鋁/銅(Al/Cu)，鋁/鎳(Al/Ni)、鋁/金(Al/Au)、鋅/金 (Zn/Au)的組合。本實施例中，該第一金屬層110的材料為Al(功函數4.28eV)，該第二金屬層130的材料為Au(功函數5.1eV)。該第一金屬層110及第二金屬層130可以均為金屬箔片或金屬薄膜，或分別為金屬箔片及金屬薄膜。該金屬箔片可與該聚合物層120相壓合，該金屬薄膜可通過電鍍或沈積等方法直接形成於該聚合物層120的表面。該金屬箔片的厚度優選為1毫米~200微米。該金屬薄膜的厚度優選為200微米~1微米。本實施例中，該第一金屬層110及第二金屬層130均為厚度約為0.5毫米的金屬箔片。

請參閱圖2，本發明第一實施例提供一種壓電元件100的製備方法，其包括以下步驟：S10：提供一聚丙烯腈原料，並將該聚丙烯腈原料在220℃至350℃加熱1小時至10小時，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈。

由於加熱的作用，該聚丙烯腈中的分子鏈產生環化作用，形成聚並吡啶單元()。

優選地，該溫度為300℃，加熱時間為5小時。本實施例中，該聚丙烯腈為粉末狀，加熱後的熱解聚丙烯腈仍為粉末狀。

S11：將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料。該熱解聚丙烯腈與該黏結劑以質量比為90：10至 99：1的比例混合，優選為97：3。該揮發性溶劑使該漿料具有一定的流動性，易於塗膜。該揮發性溶劑可以為乙醇、甲醇或丙酮等有機溶劑。本實施例中，將9.7克熱解聚丙烯腈與0.3克丙烯腈，並加入10毫升二甲基甲醯胺(Dimethylformamide，DMF)，在研鉢中充分混合均勻。

S12：將該漿料塗覆於一第一金屬層110表面，形成一聚合物層120。該聚合物層120的厚度優選為500微米~10微米。本實施例中，具體採用一刮刀將所述漿料塗覆於一鋁箔表面，所形成的聚合物層120的厚度約為150微米。

S13：乾燥該聚合物層120，以去除所述溶劑。具體地，可將該第一金屬層110連同該聚合物層120放置於一烘箱中加熱乾燥。該烘箱的溫度可以為40℃~100℃，乾燥時間可以為2~10小時。本實施例中，乾燥溫度為60℃，乾燥時間為6小時。

S14：將一第二金屬層130覆蓋於該聚合物層120表面並相互壓合。本實施例中，該第二金屬層130為一金箔。

具體地，可將該第二金屬層130覆蓋在該聚合物層120表面後通過一軋輥，使第一金屬層110、聚合物層120以及第二金屬層130緊密貼合。

可以理解，所述壓電元件100並不限於採用上述方法製備，請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種壓電元件100的製備方法，其包括以下步驟：

S20：提供一聚丙烯腈原料，並將該聚丙烯腈原料在220℃至 350℃加熱1小時至10小時，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈。

S21：將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料。

該步驟S20及S21與第一實施例的步驟S10及S11相同。

S22：提供一絕緣基板，在該絕緣基板表面形成一第一金屬層110。該第一金屬層110可通過電鍍、沈積、蒸鍍或濺射等方式形成在該絕緣基板表面。通過上述方法形成的第一金屬層110可以具有較薄的厚度。本實施例中採用濺射方法在一矽基底表面形成一100微米厚的鋁膜作為該第一金屬層110。

S23：將所述漿料塗附於該第一金屬層110表面，形成一聚合物層120。該漿料可通過與上述第一實施例S12相同的方法塗附於該第一金屬層110表面。

S24：在該聚合物層120表面形成一第二金屬層130。該第二金屬層130可通過與所述步驟S22相同的方法形成。本實施例中採用濺射方法在該聚合物層120的表面形成一100微米厚的金膜作為該第二金屬層130。

請參閱圖4，將通過第一實施例的方法形成的壓電元件100接入一回路中測試該壓電元件100的壓電效應，其中，該回路的負載電阻R為4.0×10⁶歐姆(Ω)，該壓電元件100的大小為20×20毫米。請參閱圖5，當該壓電元件100表面受到的壓力隨時間逐漸增大時，可測得該負載電阻R兩端的電壓值不斷 增大，具體數據如表1所示。該壓力持續一段時間後，該電壓值極為緩慢的下降，並可持續達數小時以上。當壓力增大或減小時，該電壓隨壓力的變化而迅速變化。當受到壓力分別為4千牛及60千牛時，該壓電元件100的輸出功率為0.3奈瓦(nW)及3nw。

該壓電元件100通過具有不同功函數的金屬與該熱解聚丙烯腈相互層叠，當受到一壓力作用時，該熱解聚丙烯腈內部產生電荷分離，由於該熱解聚丙烯腈與不同功函數的金屬具有不同的肖特基接觸(Schottky contacts)，從而產生電勢差及電流。該壓電元件100基於與先前技術不同的壓電原理，具有較為簡單的結構及製備方法，可應用於傳感器等壓力-電轉換領域。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能 以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧壓電元件

110‧‧‧第一金屬層

120‧‧‧聚合物層

130‧‧‧第二金屬層

Claims (18)

1. 一種壓電元件，其包括：一聚合物層，該聚合物層的材料包括熱解聚丙烯腈；一第一金屬層設置於該聚合物層一表面；以及一第二金屬層設置於該聚合物層另一表面，該第一金屬層與第二金屬層具有不同的功函數，當受到一壓力作用時，該第一金屬層與第二金屬層之間產生電勢差，該熱解聚丙烯腈包括聚並吡啶單元。
2. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該熱解聚丙烯腈為將聚丙烯腈在220℃至350℃下加熱1小時至10小時獲得。
3. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該熱解聚丙烯腈為將聚丙烯腈在300℃下加熱5小時獲得。
4. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該第一金屬層與第二金屬層的功函數相差0.5eV以上。
5. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該第一金屬層為鋁，該第二金屬層為金、鎳或銅。
6. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該第一金屬層為鋅，該第二金屬層為金。
7. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該聚合物層的厚度為1微米至500微米。
8. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該聚合物層進一步包括一黏結劑，該熱解聚丙烯腈占該聚合物層總質量的90% 以上。
9. 如請求項第1項所述的壓電元件，其中，該第一金屬層及第二金屬層為金屬箔片或金屬薄膜。
10. 一種壓電元件的製備方法，其包括：提供一聚丙烯腈原料，將該聚丙烯腈原料在220℃至350℃條件下加熱，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈；將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料；將該漿料塗覆於一第一金屬層表面，形成一聚合物層；乾燥該聚合物層；以及將一第二金屬層覆蓋於該聚合物層表面並相互壓合。
11. 如請求項第10項所述的壓電元件的製備方法，其中，該聚丙烯腈原料在220℃至350℃條件下加熱1小時至10小時。
12. 如請求項第10項所述的壓電元件的製備方法，其中，該聚丙烯腈原料在300℃下加熱5小時。
13. 如請求項第10項所述的壓電元件的製備方法，其中，該揮發性溶劑為二甲基甲醯胺。
14. 如請求項第10項所述的壓電元件的製備方法，其中，該熱解聚丙烯腈與該黏結劑的質量比為99：10至99：1。
15. 如請求項第10項所述的壓電元件的製備方法，其中，所述乾燥該聚合物層的步驟為將形成該聚合物層後的該第一金屬層放置於一烘箱中加熱，該烘箱的溫度為40℃至100℃，乾燥時間為2小時至10小時。
16. 一種壓電元件的製備方法，其包括： 提供一聚丙烯腈原料，將該聚丙烯腈原料在220℃至350℃條件下加熱，使該聚丙烯腈原料受熱分解為熱解聚丙烯腈；將該熱解聚丙烯腈與一黏結劑及一揮發性溶劑混合形成一漿料；提供一絕緣基板，在該絕緣基板表面形成一第一金屬；將所述漿料塗附於該第一金屬層表面，形成一聚合物層；以及在該聚合物層表面形成一第二金屬層。
17. 如請求項第16項所述的壓電元件的製備方法，其中，該第一金屬層通過電鍍、沈積、蒸鍍或濺射方式形成在該絕緣基板表面。
18. 如請求項第16項所述的壓電元件的製備方法，其中，該第二金屬層通過電鍍、沈積、蒸鍍或濺射方式形成在該聚合物層表面。