掃描電鏡下的多層壓電陶瓷材料分析2021/01/15 閱讀：3272
方案摘要
壓電陶瓷片，是一種應(yīng)用廣泛的電子陶瓷材料，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。例如，壓電陶瓷蜂鳴片，由壓電陶瓷片和金屬震動(dòng)板粘粘而成，由振蕩電路激勵(lì)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片產(chǎn)生一相對(duì)應(yīng)的形變即振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率在音頻波段內(nèi)時(shí)就會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的音響。壓電陶瓷蜂鳴片廣泛應(yīng)用于電子鐘表、汽車(chē)?yán)取⒁繇憽⑼ㄓ崱⑦b感、計(jì)算器，電子玩具等產(chǎn)品。
單層壓電陶瓷，在壓電陶瓷兩面涂覆導(dǎo)電電極
壓電蜂鳴片與壓電蜂鳴器示意圖
相比于單層壓電陶瓷，多層壓電陶瓷具有低壓驅(qū)動(dòng)、薄型化，高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，因此有更大的應(yīng)價(jià)值。
多層壓電陶瓷，由 9 層壓電陶瓷構(gòu)成
低溫共燒多層壓電陶瓷具有驅(qū)動(dòng)電壓低，器件可靠性高，位移量大，易于集成化等優(yōu)點(diǎn)，且采用低溫共燒技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的粘接技術(shù)，會(huì)改善元件的電學(xué)和機(jī)械特性。
多層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖
多層壓電陶瓷由數(shù)層壓電材料組成，與內(nèi)部電極交錯(cuò)排列。內(nèi)部電極相繼定位為正極和負(fù)極，所有正電極都連接到組件一側(cè)的一個(gè)外部電極。負(fù)極連接在組件的另一側(cè)。與單層壓電陶瓷相比，多層壓電陶瓷的很大優(yōu)勢(shì)在于，在實(shí)現(xiàn)與單層壓電陶瓷相同的位移時(shí)，可以減少施加的電壓。單層壓電陶瓷的位移等于壓電常數(shù) d33 乘以電壓，多層壓電陶瓷的位移等于壓電常數(shù) d33 乘以電壓乘以層數(shù)。
掃描隧道顯微鏡（STEM）使用了壓電陶瓷技術(shù)，掃描隧道顯微鏡要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將 1mV-1000V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。
多層壓電陶瓷器件品質(zhì)要求較高，其內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)需要使用掃描電鏡（SEM）觀察，例如每一層陶瓷是否有缺陷，多層陶瓷的厚度是否均勻，作為電極的銀層是否覆蓋均勻，這些結(jié)構(gòu)影響著器件的使用壽命。
以下采用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡能譜一體機(jī) Phenom Pharos 觀察多層壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
樣品制備，將多層壓電陶瓷使用導(dǎo)電膠固定在觀察斷面的樣品臺(tái)上
飛納電鏡采用低真空技術(shù)，對(duì)不導(dǎo)電樣品，無(wú)需噴金，可直接觀察。飛納臺(tái)式掃描電鏡成像界面的右上角配置了彩色光學(xué)顯微鏡導(dǎo)航窗口，可以實(shí)時(shí)定位要觀察的樣品，結(jié)合全自動(dòng)馬達(dá)樣品臺(tái)，點(diǎn)擊任意感興趣的位置，視野即可快速移動(dòng)到該位置。
使用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡能譜一體機(jī) Phenom Pharos 觀察多層壓電陶瓷斷面
9 層壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)
陶瓷層與中間的電極層界面結(jié)合情況
陶瓷層與中間的電極層能譜面掃結(jié)果，電極層主要成分是 Ag-Pd 合金
由于多層壓電陶瓷對(duì)工藝要求高，因此非常有必要使用掃描電鏡觀察，飛納操作簡(jiǎn)單，效率高，樣品無(wú)需噴金可直接觀察，是強(qiáng)有力的工具。
