行 老 勞 度 精 類 行 年 年 行 參 理 禮 理 林柳 理 年

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1 行 老 勞 度 精 類 行 年 年 行 參 理 禮 理 林柳 理 年

2 PZT The Aging & Fatigue Reliability Test and Analysis of PZT Ferroelectric Structures NSC E Abstract (Kt) (tan ) Fr Fa Zm C Kt factor, lose coefficient tans tan 100 (Kt) 200 Kt PZT piezoelectricity changes can nearly be ignored. Keywords: ferroelectric materials, aging, fatigue, reliability 1 This plan study on the aging and fatigue reliability test of five kinds of commonly used piezoelectric ceramic disks. Recording and calculating the electromechanical coupling factor, lose coefficient, etc. Compare the change of before and after relatively testing. The fatigue tests is to make use of function generator and signal amplifier to make a disks of vibration of piezoelectric ceramic produce the fatigue effect, the aging tests is to utilize the electric heater to produce the high-temperature environment. Because the vibration and high temperature will influence the efficiency of the piezoelectricity component, shorten the life of piezoelectric ceramic. Use the imp edance analyzer measurement the values of resonance frequency Fr, against resonance frequency Fa, impedance Zm, electric capacity C, etc., utilize these value and calculate the electromechanical coupling and observe the metallography structure of piezoelectric ceramic used the scanning electron microscope, the reason the discussion piezoelectric ceramic is invalid. The experimental result shows the piezoelectric ceramic one while testing through more than 100 degrees Centigrade of high-temperature environments, make electric capacity and against resonance impedance drop, resonance impedance and loss coefficient rise; Resonance frequency and against resonance frequency is not change. The electromechanical coupling factor reduce gradually with temperature raise, will totally damage in 200 degrees Centigrade. The ring-type electromechanical coincidence coefficient value nearly lies between , lower than the round disks will cause the electrode membrane material of the piezoelectric ceramic to diffuse to the piezoelectric ceramic border partly that the reliability is tested in 10 days, the ones that made the electrode became thin, and reduce its electric capacity, and make resonance impedance rise. After the mould group of piezoelectric ceramic is tested by the reliability of vibration of 30 days, the electrode and PZT are not change, so its

3 60 80, 70 80, Jaffe (lead zirconate 100, 150, 165, 180, 200 titanate, PZT) piezoelectric charge constant, d 33, d 31 3C ( 2) ( 3) PbO (2) 30 P r (3) ( 4) 6-10 (4) 60 SEM( 5) (aging) (fatigue) (reliability) MD PZT SEM 1 6 KA (1) 3 5 2

4 7 KB 8 QB 12. KA Zm 9 QS 10 SB KB C 4.1 (A). KA KA 180 ~ KB C Zm (C). QB ( QB ) ~60 C Zm Fa RFa (B). KB RFa KB Fa 180 ~60 70 C Zm RFa KA (D). QS 150 C QS Zm 150 ~ KA C Zm Fa RFa RFa Fa 125 RFa 3

5 15. QB RFa 19. SB14 Fr 16. QB Fa 20. SB14 Zm 17. QS RFa 21. SB14 RFa 18. QS Fa 22. SB14 tan (E). SB (Kt) SB 150 ~60 Fr(KHz), SB14 Rfa( ), Tan (%), Zm( ) 200 Fr Zm RFa Kt tan

6 片之原始金相結構 而圖 29 為 KA 壓電陶 瓷片經 天可靠度試驗後之金相 結構 比較兩圖可發現試片經 天可靠度試驗後 電極薄膜材料有部分擴 散至壓電陶瓷邊界上 使電極變的較薄 且壓電陶瓷之孔洞明顯變少而呈較集中的 分佈 這是使其電容量 C 急遽下降及阻抗 Zm 上升的主要原因 圖 23. KA 壓電陶瓷片 Kt 隨時效溫度的變化曲線 圖 28. KA 壓電陶瓷片 (a)350x, (b)2000x 圖 24. KB 壓電陶瓷片 Kt 隨時效溫度的變化曲線 圖 29. KA 天可靠度試驗後之金相 (a)350x, (b)2000x 圖 30 為 KB 壓電陶瓷片未經可靠度試 片之原始金相結構 而圖 31 為 KB 壓電陶 瓷片經 天可靠度試驗後之金相 結構 與 KA 相互比較同樣的 也有孔洞 變小且集中分佈的現象 另外 也發現 KB 試片加溫 200 度後 壓電陶瓷在界面附近 有一區變質層 這是因為電極薄膜材料擴 散至壓電陶瓷的結果 且可明顯看出龜裂 發生在變質層的邊界上 圖 25. QB 壓電陶瓷環 Kt 隨時效溫度的變化曲線 圖 26. QS 壓電陶瓷環 Kt 隨時效溫度的變化曲線 圖 30. KB 壓電陶瓷片 (a)350x, (b)2000x 圖 27. SB14 壓電陶瓷片 Kt 隨時效溫度的變化曲線 4.2 金 相 結 果 圖 31. KB 天可靠度試驗後之金相 (a)350x, (b)2000x 在阻抗分析儀測定後 以掃描式電子顯 微 鏡 來 觀 察 壓電陶瓷元件的顯微結構變 化 圖 28 為 KA 壓電陶瓷片未經可靠度試 圖 32 為 QB 壓電陶瓷片未經可靠度試 片之原始金相結構 由此圖可以明顯的看 出 PZT 顆粒燒結成塊 並帶有 5vol%以下 5

7 孔 洞 之 顯微組織 及表面電極的粗糙情 形 而圖 33 為 QB 壓電陶瓷片經 天可靠度試驗後之金相結構 比較兩圖 並無法明顯看出其顯微結構差異 因此其 壓電性質差異非常小 圖 32. QB 壓電陶瓷片 (a)電極, (b)pzt 陶瓷 圖 33. QB100,10 天可靠度試驗後之金相(a)電極, (b)pzt 陶瓷 圖 34 為 QS 壓電陶瓷模組未經振動可 靠度試片之原始金相結構 而圖 35 為 QS 壓電陶瓷片經 30 天振動可靠度試驗後之金 相結構 比較兩圖並未發現電極與 PZT 陶 瓷有太大改變 因此其壓電性質改變幾乎 可以忽略不計 7. 以上時 將隨溫度提高而呈線性下降 SB 壓電陶瓷模組經 150 ~60 時效 試驗 其共振阻抗 Zm 隨溫度提高逐漸 增加 反共振阻抗 RFa 隨溫度提高逐 漸下降 損失係數 tanσ當溫度超過 70 以上時 逐漸上升 五種壓電陶瓷的機電偶合係數(Kt)均 隨時效溫度提高而逐漸降低 SB14 壓 電陶瓷片在經 200 可靠度試驗時 將 完全損壞 環狀型試片的機電偶合係數 Kt 值約介 於 之間 而圓片狀則介於 之間 天可靠度試驗會造成 K 系 列壓電陶瓷之電極薄膜材料有部分擴 散至壓電陶瓷邊界上 使電極變的較 薄 使其電容量下降及共振阻抗上升 QS 壓電陶瓷模組經 30 天振動可靠度 試驗後 電極與 PZT 陶瓷均未有太大 改變 因此其壓電性質改變也幾乎可 以忽略不計 六 參考文獻 [1] IEEE Standard Definitions and Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators IEEE Standard , 345 East 47th St., New York, NY 圖 34. QS 壓電陶瓷片 (a)電極, (b)pzt 陶瓷 [2] A. Gruverman, O. Auciello, 1996, Nanoscale investigation of fatigue effects in Pb(Zr,Ti)O3 films, Appl. Phys. Lett. Vol. 69, No. 21, pp , November. [3] A. K. Jonscher, Dielectric relaxation in solids, Chelsea Dielectrics Press Ltd, London, [4] B. G. Chae, Y. S. 2002, Comparative analysis for 圖 35. QB30 天振動可靠度試驗後之金相(a)電極, (b)pzt 陶瓷 the crystalline and ferroelectric properties of Pb(Zr, Ti)O3 thin films deposited on metallic LaNiO3 and Pt electrodes, Thin Solid Films, Vol. 410, No. 1-2, pp , May. 五 結論 K 系列壓電陶瓷經十天高溫環境可靠 度試驗溫度提高至約 150 以上時 電 容 C 將急遽下降 而共振阻抗 Zm 急 遽上升 Q 系列陶瓷環狀片之共振頻率 Fr 與反 共振頻率 Fa 均不易受可靠度試驗溫度 所影響 但其反共振阻抗 RFa 在 70 [5] B. Jaffe, W. R. Cook, Jr. and H. Jaffe, Piezoelectric ceramics, Academic Press, India, [6] B. Vilquin, G. Le rhun, 2002, Effect of in situ Pt bottom electrode deposition and of Pt top electrode preparation on PZT thin films properties, Applied Surface Science, Vol. 195, pp.63-73, July. [7] Brody, P. S., Microstucture and ferroelectric properties of lead zirconate titanate films produced by laser evaporation, IEEEE publication No. 6

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