柔性复合压电薄膜的制备及其电导率研究

将具有优异导电性能的碳纳米管(CNT)与压电材料钛酸钡(BTO)复合于高分子有机材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,制备出了具有低内阻的柔性复合压电薄膜,研究了制备的薄膜在不同极化条件下的开路电压以及不同体积配比的BTO/CNT压电薄膜的电导率。实验结果表明,在电场为3.6 kV/mm、温度是90℃、时间为60 min的极化条件下,当BTO与CNT的体积比N为2∶3以及BTO与CNT混合颗粒占PDMS基体的总体积比V为8%时,能得到具有最佳电导率的复合压电薄膜。     

基于高压静电纺丝法制备P(VDF-TrFE)/ZnO/GR复合膜压电性能的研究

提出了一种利用高压静电纺丝法制备P(VDF-TrFE)/ZnO/Graphene(以下简称GR)复合纳米纤维薄膜的方法，并对其压电性能进行了研究。首先，利用扫描电镜（SEM）观测复合薄膜的表面形貌并分析其X射线衍射（XRD）图谱。其次，将薄膜封装为三明治结构的压电纳米发电机(PNG)并研究了其压电性能。结果表明，含10%ZnO、0.1%GR的P(VDF-TrFE)/ZnO/GR复合薄膜压电纳米发电机开路输出电压和短路输出电流峰值为12.6V、7.88μA，约是纯P(VDF-TrFE)薄膜的2.7倍、3.1倍。在激振力大小3.5N，频率为5HZ的条件下P(VDF-TrFE)/ZnO/GR压电纳米发电机的最大瞬时输出功率为33.85μW，持续激振21分钟后，LTC3588-1毫微功率能量收集电源可以稳定输出3.3V电压1.5s。P(VDF-TrFE)/ZnO/GR压电纳米发电机具有良好的压电性能，具有成为自供电设备的潜力。     

基于静电纺丝法制备P(VDF-TRFE) /石墨烯(GR)薄膜的柔性复合压电纳米发电机

提出了一种利用静电纺丝工艺制备P(VDF-TRFE)/石墨烯(Graphene,以下简称GR)复合纳米纤维薄膜的方法并对其压电性能进行了研究。首先,以复合薄膜为功能层设计并制备了柔性压电纳米发电机。使用扫描电镜(SEM)表征了复合纤维薄膜表面的微观形貌。其次,对各纳米发电机样品进行了压电响应对比实验,含0.2%石墨烯的P(VDF-TRFE)/GR纳米发电机的开路输出电压、短路输出电流峰值分别为12.3 V、1.41 μA,比纯P(VDF-TRFE)样品分别增加了大约2.0倍、2.2倍。此外,通过理论分析和周期激振测试探究了纳米发电机电响应输出的影响因素和规律,证实在激振器驱动信号150 mV^300 mV振幅、10 Hz^30 Hz频率的范围内,其开路输出电压随着其振幅和振动频率增大而增大,电容充电效率随其振幅增大而增大。     

基于柔性基底的压电能量收集器的设计

以PDMS为柔性基底设计的PVDF压电薄膜新型压电能量收集器压电性能良好,柔韧性强,可适应复杂的振动环境,具有广阔的应用前景.首先设计了具有柔性基底的压电能量收集器的结构;其次,用PVDF颗粒采用静电纺丝法制备了PVDF压电薄膜;最后,实验表明设计的压电能量收集器在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,开路输出峰值电压为8.38 V,输出功率密度为6.32 μW/cm2;经Ansys有限元分析,发现增大激励源的振动幅度,可以提高压电能量收集器的开路输出电压和输出功率.     

基于PANI/PdO复合薄膜的压电甲烷传感器

研究了一种基于压电原理的甲烷传感器。运用化学氧化聚合法和层层自组装法制备了对甲烷气体敏感的PANI/PdO复合薄膜,通过溅射工艺将薄膜生成在压电材料上,利用敏感薄膜对甲烷的吸附改变晶振频率,从而检测出甲烷气体的含量。实验表明:压电甲烷传感器具有较好的选择性,在0%~2%的甲烷体积分数范围内具有较好的线性输出。     

Pt石墨烯-碳纳米管修饰玻碳电极对甲醛的电催化氧化

该文首先制备了石墨烯-碳纳米管复合材料,然后通过水热法将Pt纳米粒子修饰于该复合材料表面,制成了Pt／石墨烯（Graphene,Gr）-碳纳米管（Carbonnanotubes,CNTs）／玻碳电极（Glassycarbonelectrode,GCE）传感器。在磷酸盐缓冲溶液（pH=2．3）中利用循环伏安法研究了甲醛在Pt／Gr—CNTs／GCE上的电化学行为。实验结果表明,Pt／Gr-CNTs对甲醛具有良好的电催化氧化作用。     

基于高压应力的氮化铝MEMS压电微扬声器北大核心CSCD

基于微电子和微机械加工工艺制备了一类氮化铝AlN(Aluminum Nitride)压电微扬声器。研究了器件薄膜残余应力对器件性能的影响,采用带有高残余压应力的高c-轴取向氮化铝薄膜分别作为器件压电层和支撑层增大微扬声器的输出声压,同时利用工艺手段控制整体薄膜残余应力进一步增大器件输出声压。该微扬声器的悬膜直径仅为1.35 mm,厚度为0.95μm。在开放空间内,采用声压级检测仪对该微扬声器的输出声压级SPL(Sound Pressure Level)进行扫频测试(频率范围:0.5kHz～20 kHz)。测得单个微扬声器在距离为10 mm处,20 Vpp驱动电压下最大输出声压级约为75 dB。测试结果显示该氮化铝压电微扬声器在耳机、智能手机和可穿戴设备等方面都具有潜在的应用前景。     

基于高压应力的氮化铝MEMS压电微扬声器

基于微电子和微机械加工工艺制备了一类氮化铝AlN(Aluminum Nitride)压电微扬声器.研究了器件薄膜残余应力对器件性能的影响,采用带有高残余压应力的高c-轴取向氮化铝薄膜分别作为器件压电层和支撑层增大微扬声器的输出声压,同时利用工艺手段控制整体薄膜残余应力进一步增大器件输出声压.该微扬声器的悬膜直径仅为1.35 mm,厚度为0.95μm.在开放空间内,采用声压级检测仪对该微扬声器的输出声压级SPL(Sound Pressure Level)进行扫频测试(频率范围:0.5 kHz～20 kHz).测得单个微扬声器在距离为10 mm处,20 Vpp驱动电压下最大输出声压级约为75 dB.测试结果显示该氮化铝压电微扬声器在耳机、智能手机和可穿戴设备等方面都具有潜在的应用前景.     

溶胶-电雾化法在光纤表面制备PZT薄膜

首次提出了使用溶胶-电雾化法在光纤表面制备PZT压电陶瓷薄膜,分析了光纤表面PZT压电陶瓷薄膜的成膜机理与特点,系统的研究了溶胶-电雾化法制备PZT压电陶瓷薄膜的特点,并分析了前驱液浓度、电雾化条件、PZT压电陶瓷薄膜沉积过程温度等因素对于PZT压电陶瓷薄膜的表面质量的影响.针对整个工艺过程进行了优化,最终得到了表面质量较好的PZT压电陶瓷薄膜.     

高压静电纺丝工艺制备PVDF-ZnO/GR共聚物膜的压电性能研究

提出了一种利用高压静电纺丝工艺制备PVDF/ZnO及PVDF/Graphene(以下简称GR)共聚物膜的方法并对其压电性能进行了研究。通过在传统的PVDF溶液中混入氧化锌和石墨烯,制备得到PVDF共聚物膜,对PVDF,PVDF/ZnO,PVDF/GR三种膜进行电镜扫描以表征其表面结构。对三种压电薄膜进行了压电响应对比实验,PVDF,PVDF/ZnO,PVDF/GR三种薄膜的压电响应峰值分别达到16.8 V,29.6 V,21.7 V。PVDF/ZnO压电薄膜对比PVDF压电薄膜的电压峰值提高12.8 V。PVDF/GR压电薄膜对比PVDF压电薄膜的电压峰峰值提高了4.9 V。对三种压电薄膜进行了能量收集实验,PVDF,PVDF/ZnO,PVDF/GR三种薄膜分别令LED灯点亮11.3 s,17 s,14.6 s,输出功率密度为6.79μW/cm^2,19.28μW/cm^2,15.11μW/cm^2。PVDF共聚物膜对比PVDF膜在压电性上有显著提高,可应用于压电能量收集或可穿戴传感器等应用领域。     

Development of novel PZT thin films for active sliders based on head load/unload on demand systems

 Micromachined active sliders based on head load/unload on demand systems is an interesting concept technology for ultra-high magnetic recording density of more than 100 Gb/in². The active sliders that we proposed use PZT thin films as a microactuator and control the slider flying height of less than 10 nm. It is necessary to develop high performance microactuators in order to achieve active sliders operating at very low applied voltage. This paper describes the development of novel PZT thin films for active sliders. The sol–gel fabrication process for PZT thin films is developed and the fundamental characteristics for the PZT thin films are investigated. It is confirmed that the PZT thin films have good ferroelectric properties. Furthermore, novel thin film microactuators are proposed. The feature is that the sol–gel PZT thin films (thickness 540 nm) are deposited on the sputtered PZT thin films (thickness 300 nm) fabricated on bottom Pt/Ti electrodes. Therefore, the novel thin films consist of a thermal SiO₂ layer and the sputtered and sol–gel PZT thin films layers sandwiched with upper Pt and bottom Pt/Ti electrodes on a Si slider material. Fabricating the diaphragm microactuator, the piezoelectric properties for the novel composite PZT thin films are studied. As a result, the piezoelectric strain constant d ₃₁ for the novel PZT thin films is identified to be 130 × 10⁻¹² m/V. This value is higher than conventional monolithic PZT thin films and it is found that the novel composite PZT thin films have the good piezoelectric properties. This suggests the feasibility of realizing active sliders operating at lower voltage under about 10 V. Received: 22 June 2001/Accepted: 17 October 2001     

微型硅基弯曲板波器件

介绍了基于ZnO压电薄膜的微型弯曲板波(FPW)器件的设计与制作。为减小薄膜的应力,器件采用LTO/ZnO/LTO/Si3N4多层复合板结构,并采用直流磁控溅射工艺制备ZnO压电薄膜,在压电复合板结构上沉积两对叉指电极,分别用于Lamb波的激发和接收。X射线衍射分析表明,沉积的ZnO薄膜C轴高度择优;扫描电子显微镜分析表明,制备的ZnO薄膜平整、致密,晶粒生长呈现明显的柱状结构;通过分析制备的高次谐波体声波谐振器(HBAR)器件性能来间接检验ZnO压电薄膜的电学性能,HBAR器件的品质因子较高,表明薄膜有较好的压电性能。利用安捷伦E5071C网络分析仪检测FPW器件的频率响应,结果表明反对称A0模式Lamb波的实测中心频率与理论计算的频率结果基本一致。     

纳米薄膜乙醇传感器的研制

在陶瓷管上用Ti O2溅射法研制纳米薄膜乙醇传感器,同时作了机理分析。利用X射线衍射技术分析确定,在利用溅射法制备Ti O2纳米薄膜时,随着退火温度的提高,所形成的Ti O2薄膜晶体结构由无定型结构,向锐钛矿结构转变,随后又随温度升高逐渐转向金红石结构。晶粒大小随着退火温度的升高而增大,分别为13nm(500℃)、16nm(700℃)、28nm(1100℃)。经500℃退火的样品为锐钛矿晶体结构,晶粒尺寸为13nm,其乙醇灵敏度特性最好。此时元件的最佳加热工作电压8.0V,对应的工作温度为370℃。利用红外光谱测定,反应的生成物中有H2O、CH3CHO、C2H4,分别对应1694cm-1、1756cm-1和1720cm-1的红外吸收峰。但在反应生成物中,没有发现有乙酸产生。     

基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究

根据压电陶瓷的非线性特性,提出了一种采用离散电压标定和控制压电微位移驱动器线性化的方法。利用数模输出卡,输出不同步长的单个的离散电压,控制压电陶瓷伸长的速度,从而达到利用选取的电压值参数来控制压电陶瓷伸长速度的目的。选取恰当的电压值,可以使得压电驱动器在时间域上线性地伸长而达到线性化。设计基于Labview的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该系统可以有效地在0—300V范围内使压电微位移驱动器的伸长量与时间成线性关系,定位精度为1nm。     

ZnO压电薄膜声传感器的有限元分析

阐述了ZnO压电薄膜声传感器的结构和工作原理,并用ANSYS 9.0对压电薄膜声传感器进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。通过静态分析,得到压电薄膜声传感器的灵敏度为16.4 mV/Pa;模态分析得出了传感器的第一阶固有频率为12.379 kHz;谐响应分析则获得感应电压与动态外力频率之间的关系。这些分析为此类声传感器的设计提供了理论依据。     

Membrane microcantilever arrays fabrication with PZT thin films for nanorange movement

Lead zirconate titanate (PZT) piezoelectric thin films have been prepared by sol-gel method to fabricate microcantilever arrays for nano-actuation with potential applications in the hard disk drives. In order to solve the silicon over-etching problem, which leads to a low production yield in the microcantilever fabrication process, a new fabrication process using DRIE etching of silicon from the front side of the silicon wafer has been developed. Silicon free membrane microcantilevers with PZT thin films of 1 μm in thickness have been successfully fabricated with almost 100% yield by this new process. Annealing temperature and time are critical to the preparation of the sol-gel PZT thin film. The fabrication process of microcantilever arrays in planar structure will be presented. Key issues on the fabrication of the cantilever are the compatible etching process of PZT thin film and the compensation of thin film stress in all layers to obtain a flat multi-layer structure.     

MWCNTs/nano-CeO_2/PANI修饰的H_2O_2传感器

采用循环伏安和滴涂的方法在玻碳电极上制备出一种均匀且具有高电活性聚苯胺(PANI)/多壁碳纳米管(MWCNTs)/纳米氧化铈(nano-CeO2)复合膜。从膜的厚度、pH值、碳纳米管(CNTs)与nanoCeO2的质量比等方面系统地研究了复合膜探测H2O2浓度的各影响因素。结果表明:循环伏安聚合25圈的聚苯胺分散和固定CNTs,nano-CeO2,以及辣根H2O2酶的能力较好,且以CNTs与nano-CeO2的质量比为15∶1的复合膜在pH=6.4的缓冲溶液中具有较高的电活性。该复合膜修饰的电极对H2O2具有良好的响应电流,较快的响应时间(5 s),较宽的检测范围为5.0×10-6~3.95×10-4mol/L,较低的检出极限7.6×10-7mol/L(S/N=3 dB)。