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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:梁彥
研究生(外文):Yen Liang
論文名稱:PET基板上氧化鋅薄膜壓電換能器之低頻特性
論文名稱(外文):Low Frequency Characteristics of ZnO Thin Film Piezoelectric Transducers on PET Substrate
指導教授:高慧玲高慧玲引用關係
指導教授(外文):Hui-Ling Kao
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:壓電換能器壓電薄膜濺鍍可撓式基板氧化鋅薄膜綠能科技
外文關鍵詞:flexible substrategreen energy technology.ZnO thin filmpiezoelectric thin filmpiezoelectric transducersputtering
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氧化鋅(ZnO),是近年來在各領域熱門的研究的材料之一,本論文透過反應性磁控射頻濺鍍系統,在室溫的成長條件下,沉積在市售之ITO/PET基板上製備氧化鋅薄膜,並且結合簡易的加工完成壓電換能器元件;透過X光繞射實驗可得知製備的氧化鋅具有C軸(002)的從優取向,在FE-SEM的量測之下得知薄膜厚度,並推算薄膜沉積速度為150nm/HR,在改變不同厚度的元件製程參數之下,使用一變頻定外力施壓源,觀察其元件在低頻上的特性,以方便後續在低頻環境中收集壓力轉換成電能以便利用。
製作完成的壓電換能元件約為2.5cm2,壓電層厚度在2.4μm以上的元件,在頻率1HZ、進氣氣壓為6kg/ cm2,元件開路壓電電壓平均都有1.5V以上,已可讓市售LED燈發亮,在電能儲存的部分,壓電層厚度在4μm以上的元件,透過使用市售鈕扣型Ni-MH充電電池,電容量為40mAH、以脈衝充電的方法,已可將產生之壓電電壓儲存在儲電設備當中,提供電能的保存。


Zinc oxide (ZnO), is popular in recent years in various fields of research material, the paper by RF reactive magnetron sputtering system, the growth conditions at room temperature, deposited on commercially available ITO / PET substrate deposition zinc oxide thin films, combined with easy processing and completion of the piezoelectric transducer element; by X-ray diffraction experiments that can be prepared zinc oxide with C-axis (002) prefer orientation in the FE-SEM measurements under that film thickness and deposition rate of the Calculate is about 150nm/HR, changing the thickness of the components of different process parameters under external pressure using a fixed frequency source, to observe its properties on the low-frequency components, to facilitate follow-up in the low-frequency environment collected for the use of pressure into electrical energy.
Finished piezoelectric transducer element about 2.5cm2, the piezoelectric layer thickness 2.4μm or more components in the frequency of 1HZ, inlet pressure of 6kg / cm2, open-circuit piezoelectric voltage components on average more than 1.5V, already to commercially available LED lights up, the energy storage part of the piezoelectric layer thickness of 4μm or more components through the use of commercially available button-type Ni-MH rechargeable batteries, electric capacity 40mAH, the pulse charge method, already will produce the piezoelectric voltage electrical equipment were stored in the reservoir, to provide electrical energy saved.


第一章 導論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
1-1 研究背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
1-2 研究目的‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
第二章 研究背景理論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
2-1 氧化鋅材料特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
2-2 壓電效應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6
2-2-1 壓電方程式‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8
2-3 薄膜沉積‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11
2-4 薄膜結構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13
第三章 實驗系統簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18
3-1 濺鍍製程原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18
3-1-1 電漿輝光放電‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18
3-1-2 射頻濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19
3-1-3 反應性濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
3-2 X-ray繞射原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21
3-2-1 布拉格繞射定律‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21
3-2-2 θ-2θ scan‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
3-2-3 ω scan‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
3-2-4 ψ scan‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
3-3 電子顯微鏡‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25
3-3-1電子顯微鏡簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25
3-3-2電子顯微鏡工作原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
3-4壓電元件量測方式‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28
3-5 充電方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
3-5-1 定電壓充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
3-5-2 二段式定電壓充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
3-5-3 定電流充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
3-5-4 脈衝式充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
3-5-5 快速充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
3-6充電電池‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
第四章 實驗製程結果與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
4-1 氧化鋅製程參數與薄膜量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
4-1-1 磁控濺鍍參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
4-1-2 氧化鋅薄膜品質良測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
4-2 壓電元件製作‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
4-3 壓電量測架構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
4-4 壓電元件在低頻的特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44
4-5 壓電電能的應用與儲存‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47
4-5-1 使用壓電換能器推動發光元件‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47
4-5-2 壓電換能器電能儲存‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
第五章結論與未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
5-1 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
5-2 未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
參考文獻‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖目錄
圖2-1 ZnO晶體結構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6
圖2-2 壓電效應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8
圖2-3 壓電材料受力圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10
圖2-4 薄膜表面原子團聚結成核示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11
圖2-5 薄膜成長機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
圖2-6 基板溫度影響薄膜成長結構的模型示意圖‧‧‧‧‧‧14
圖2-7 化學氣相沉積薄膜成長機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
圖2-8 MOCVD腔體結構示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
圖3-1 輝光放電示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18
圖3-2 反應性濺鍍離子反應示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
圖3-3 Bragg繞射定律‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
圖3-4 光源解析度對繞射結果影響示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
圖3-5 平行入射X光繞射示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
圖3-6 電子顯微鏡結構示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27
圖3-7 電子束打至試品產生各種電子訊號示意圖‧‧‧‧‧‧27
圖3-8 掃描式電子顯微鏡系統圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28
圖3-9 垂直式施壓裝置之示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
圖3-10 懸臂樑式裝置之示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
圖3-11 週期性壓力法裝置之示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
圖3-12 氣動壓力法裝置之示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
圖3-13 光學干涉儀法裝置之模型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
圖3-14 二段式定電壓充電之曲線圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
圖3-15 定電流充電曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
圖3-16 脈衝式充電法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
圖3-17 快速充電與一般充電比較圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
圖4-1 SEM側向量測圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
圖4-2 JCSD氧化鋅XRD粉末繞射角度與峰值圖‧‧‧‧‧‧‧40
圖4-3 ZnO/ITO/PET XRD量測結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
圖4-4 銅箔導電膠帶‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
圖4-5 氧化鋅壓電元件製作流程示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
圖4-6 高壓進氣空壓機‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
圖4-7 定力外力源進氣控制閥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
圖4-8 垂直式直接施壓壓電量測系統‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44
圖4-9 改變施加外力對壓電電壓圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
圖4-10 改變元件厚度對壓電電壓圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
圖4-11 市售紅光Led 以半導體參數分析儀量測結果‧‧‧‧‧47
圖4-12 以壓電元件讓市售紅光led燈發亮‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
圖4-13 壓電元件輸出的脈衝訊號‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50
圖4-14 輕巧型鈕扣充電電池‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50
圖4-15 鈕扣型充電電池充電曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51
圖4-16 壓電元件充電曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52
圖5-1 壓電元件大面積並聯圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55
圖5-2 壓電元件縱向堆疊圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55

表目錄
表2-1 ZnO基本特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6
表2-2 常見壓電材料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8
表3-1各種顯微鏡解析度比較表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
表3-2 常見各種蓄電池之比較‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
表4-1 磁控濺鍍系統氧化鋅製程參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
表4-2 鈕扣型充電電池規格表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

參考文獻
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