I – 介绍
Piezotech® FC 为一种可印刷式电活性聚合物P(VDF-TrFE)，可经由沉积、退火、极化等处理，展现其热电及压电特性。典型的应用为:
● 传感器(压力、温度、超声波、红外线)
● 键盘
● 扬声器
● 内存
● 致动器
为提升其应用性，常以电极涂层方式将这些聚合物透过印刷制程形成薄膜来使用。
Piezotech® FC 为铁电聚合物，该薄膜的极化与电场关系如图1所示。从关系图可观察到没有施加电场时的残留极化电场(Pr)，并且其极化方向将在[E]>Ec(矫顽场)时产生反向转置。
共聚物于铁电与顺电的特性将随居礼温度(Tc)变化，而铁电与顺电特性之间的变化温度将取决于共聚物的组成，如图2所示。 在极化后，聚合物将表现出压电及热电特性。
II – 加工处理制程
II – 1. 油墨配方
共聚物可溶于不同的溶剂当中，如附件2，因此可利用调节溶剂中聚合物浓度的方式，获得不同印刷制程所需对应的适当黏稠度。经由加热程序，将聚合物逐渐加入溶剂中即可取得油墨。然而，为了制得具有高电击穿性(绝缘破坏性)的均匀薄膜，会透过过滤筒或过滤注射等标准商业过滤方法去除杂质，以防止凝胶颗粒的形成，理想的过滤精度为1微米以内。
II – 2. 加工处理程序: 印刷与后处理
在干净的环境下，油墨配方(聚合物溶液)可由不同的印刷制程(溶剂浇铸、网版印刷、旋转涂布、喷墨、凹版印刷等)涂覆在特定的基材(PET、PEN、PC、玻璃等)上，形成干燥且均匀的薄膜。 为减少薄膜中的气泡产生，在印刷过程中应避免使用注射器。
II – 2.1. 溶剂蒸发
为了去除残留的溶剂并提升薄膜性能，可在低于溶剂沸点的温度下，于大气压或真空环境进行溶剂的蒸发。
II – 2.2. 退火
退火是获得具有最佳性能之薄膜的关键步骤。此步骤将控制材料的结晶形成并增强材料的电学及机械特性，因此，薄膜可能需要于居礼温度与结晶温度之间的适当温度进行退火数分钟(通常低于熔点15°C)，而退火的速度可藉由红外线或闪光退火来提升。
II – 2.3. 极化
为了活化共聚物材料，需进行将材料进行极化。于材料表层施加递增的低频电压以及高于矫顽场值(50V/µm)的电场，并根据薄膜厚度、薄膜表面与所需的精度使用不同的方法完成极化。
可由以下方式完成电场及磁滞曲线特征的应用:
● 以电压产生器通过电极直接施加电场(此情形无法量测感应电极、电荷位移)
● Sawyer-Tower电路(电荷量测、磁滞曲线)
● 在高电场的要求下(取决于薄膜厚度)，以铁电测试仪(精密铁电辐射技术)配合外部放大器行之
当电压产生器与讯号产生器形成耦合时，可以根据以下参数施加电场:
● 达到电场峰值(Emax)的周期数: 15
● 频率: 0,05Hz或以上
● 讯号: 正弦波
● Emax > 2Ec
● Emax=100V/µm
对于印刷组件(主要为薄层)，可透过探针接触系统直接通过薄膜电极施加极化电场，如图8所示；而对于非印刷组件(厚层)，可透过两个电极之间的接触和施压来完成极化，如图9所示；而针对大表面对象，则可以使用电晕极化。
III – 驱动与量测
III – 1. 电场下的变形
由施加电场引起的变形可由简单的公式来定义:
其中
● 表示材料在 x i 方向上的应变(相对变形)
● d 31 为压电应变常数(相对于施加电场的垂直方向)
由以下材料参数进行举例:
长度: l=1cm
宽度: w=2mm
厚度: t=9µm
施加电压: V=200V -> 电场:E=V/t
(d 31 , d 32 , d 33 ) = (11, 10, -30) pC/N
压电应变常数可被定义为:
III – 2. 传感器 : 量 级 计 算 、电压产生
受力后形成的电场(E)可被定义为:
其中
● σ i (N/m²)为施加的机械应力
● g ij (Vm/Nm²)为压电电压常数
由以下材料参数进行举例:
长度: l=2cm
宽度: w=2cm
厚度: t=100µm
压应力 0.1 Bar (104 Pa) 4N -> σ=10000N/m²
(g 31 , g 32 , g 33 ) = (216, 19, -339) *10 -3 - Vm/Nm²
III – 3. 讯号量测
压电传感器在受到机械应力与频率(f)的激振后，产生电荷(q)，其生成电压值(v t )与应力值成比例关系，
而该比例模式与导数模式间的范围由截断频率(fc)界定。讯号的量测可以将传感器直接连接到数据采集
卡(DAC)或示波器，而该量测结果将受外部阻抗(传感器电容、传导线损耗、示波器探头等)影响，若连
结电荷放大器则能够将外部阻抗影响降至最低。
直接量测:
连结电荷放大器:
附件 1: Piezotech ® FC & Piezotech ® RT 标准
附件 2: Piezotech ® FC/RT 溶剂
下表为建议使用于溶解与配制Piezotech FC ® 和Piezotech ® RT之溶剂: