I – 介紹
Piezotech® FC 為一種可印刷式電活性聚合物P(VDF-TrFE)，可經由沉積、退火、極化等處理，展現其熱電及壓電特性。典型的應用為:
● 感測器(壓力、溫度、超聲波、紅外線)
● 鍵盤
● 揚聲器
● 記憶體
● 致動器
為提升其應用性，常以電極塗層方式將這些聚合物透過印刷製程形成薄膜來使用。
Piezotech® FC 為鐵電聚合物，該薄膜的極化與電場關係如圖1所示。從關係圖可觀察到沒有施加電場時的殘留極化電場(Pr)，並且其極化方向將在[E]>Ec(矯頑場)時產生反向轉置。
共聚物於鐵電與順電的特性將隨居禮溫度(Tc)變化，而鐵電與順電特性之間的變化溫度將取決於共聚物的組成，如圖2所示。 在極化後，聚合物將表現出壓電及熱電特性。
II – 加工處理製程
II – 1. 油墨配方
共聚物可溶於不同的溶劑當中，如附件2，因此可利用調節溶劑中聚合物濃度的方式，獲得不同印刷製程所需對應的適當黏稠度。經由加熱程序，將聚合物逐漸加入溶劑中即可取得油墨。然而，為了製得具有高電擊穿性(絕緣破壞性)的均勻薄膜，會透過過濾筒或過濾注射等標準商業過濾方法去除雜質，以防止凝膠顆粒的形成，理想的過濾精度為1微米以內。
II – 2. 加工處理程序: 印刷與後處理
在乾淨的環境下，油墨配方(聚合物溶液)可由不同的印刷製程(溶劑澆鑄、網版印刷、旋轉塗佈、噴墨、凹版印刷等)塗覆在特定的基材(PET、PEN、PC、玻璃等)上，形成乾燥且均勻的薄膜。 為減少薄膜中的氣泡產生，在印刷過程中應避免使用注射器。
II – 2.1. 溶劑蒸發
為了去除殘留的溶劑並提升薄膜性能，可在低於溶劑沸點的溫度下，於大氣壓或真空環境進行溶劑的蒸發。
II – 2.2. 退火
退火是獲得具有最佳性能之薄膜的關鍵步驟。此步驟將控制材料的結晶形成並增強材料的電學及機械特性，因此，薄膜可能需要於居禮溫度與結晶溫度之間的適當溫度進行退火數分鐘(通常低於熔點15°C)，而退火的速度可藉由紅外線或閃光退火來提升。
II – 2.3. 極化
為了活化共聚物材料，需進行將材料進行極化。於材料表層施加遞增的低頻電壓以及高於矯頑場值(50V/µm)的電場，並根據薄膜厚度、薄膜表面與所需的精度使用不同的方法完成極化。
可由以下方式完成電場及磁滯曲線特徵的應用:
● 以電壓產生器通過電極直接施加電場(此情形無法量測感應電極、電荷位移)
● Sawyer-Tower電路(電荷量測、磁滯曲線)
● 在高電場的要求下(取決於薄膜厚度)，以鐵電測試儀(精密鐵電輻射技術)配合外部放大器行之
當電壓產生器與訊號產生器形成耦合時，可以根據以下參數施加電場:
● 達到電場峰值(Emax)的周期數: 15
● 頻率: 0,05Hz或以上
● 訊號: 正弦波
● Emax > 2Ec
● Emax=100V/µm
對於印刷元件(主要為薄層)，可透過探針接觸系統直接通過薄膜電極施加極化電場，如圖8所示；而對於非印刷元件(厚層)，可透過兩個電極之間的接觸和施壓來完成極化，如圖9所示；而針對大表面物件，則可以使用電暈極化。
III – 驅動與量測
III – 1. 電場下的變形
由施加電場引起的變形可由簡單的公式來定義:
其中
● 表示材料在 x i 方向上的應變(相對變形)
● d 31 為壓電應變常數(相對於施加電場的垂直方向)
由以下材料參數進行舉例:
長度: l=1cm
寬度: w=2mm
厚度: t=9µm
施加電壓: V=200V -> 電場:E=V/t
(d 31 , d 32 , d 33 ) = (11, 10, -30) pC/N
壓電應變常數可被定義為:
III – 2. 感測器 : 量 級 計 算 、電壓產生
受力後形成的電場(E)可被定義為:
其中
● σ i (N/m²)為施加的機械應力
● g ij (Vm/Nm²)為壓電電壓常數
由以下材料參數進行舉例:
長度: l=2cm
寬度: w=2cm
厚度: t=100µm
壓應力 0.1 Bar (104 Pa) 4N -> σ=10000N/m²
(g 31 , g 32 , g 33 ) = (216, 19, -339) *10 -3 - Vm/Nm²
III – 3. 訊號量測
壓電感測器在受到機械應力與頻率(f)的激振後，產生電荷(q)，其生成電壓值(v t )與應力值成比例關係，
而該比例模式與導數模式間的範圍由截斷頻率(fc)界定。訊號的量測可以將感測器直接連接到數據採集
卡(DAC)或示波器，而該量測結果將受外部阻抗(感測器電容、傳導線損耗、示波器探頭等)影響，若連
結電荷放大器則能夠將外部阻抗影響降至最低。
直接量測:
連結電荷放大器:
附件 1: Piezotech ® FC & Piezotech ® RT 標準
附件 2: Piezotech ® FC/RT 溶劑
下表為建議使用於溶解與配製Piezotech FC ® 和Piezotech ® RT之溶劑: