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压电实验室团队成功制成高分子材料电极石英晶体谐振器
2020-12-30  

压电实验室团队成功制成高分子材料电极石英晶体谐振器


20201230日】经过与中国科学院宁波材料所方省众教授团队和台晶电子(宁波)公司的长期合作,宁波大学压电器件技术重点实验室利用导电高分子聚合物材料取代传统金属银作为电极,成功制造出使用高分子材料电极的石英晶体谐振器。最近经过完整加工流程,制成了以高分子材料为电极的谐振器,可以在设定的电路中正常使用。团队所使用的导电高分子材料的密度只有金属银的八分之一,从而电极质量效应较小,电极加工前后的谐振器共振频率改变很小,对石英晶体谐振器中的一个重要技术挑战提供了应对方案。整个加工过程在室温条件下完成,包括采用喷涂工艺加工高分子材料电极,室温封装工艺,极大地简化了现有的金属电极的加工流程,降低了生产成本。

高分子电极所主要采用的PEDOT:PSS是一种聚合物(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐)的水溶液,是目前商用最成功的导电高分子材料,具有高导电、低密度、低刚度、成膜性好、便于加工成型、节能、环境友好等特点。在研究过程中,通过在PEDOT:PSS中加入辅助材料,提高了聚合物的电导率、热稳定性和加工性能,进行稀释以后,就完成了导电溶液的配制。经过简易的手工喷涂过程,最后在石英晶片的设定区域形成了谐振器所需的电极。后续的工艺包括烘干、点胶和最后的封装,最终完成了石英晶体谐振器。这一完整的工艺过程是在和台晶电子(宁波)全面合作的基础上进行和完成的,是在石英晶体谐振器这一传统产品的成熟加工技术方面的重要创新,有助于实现压电声波器件技术和新材料技术的密切结合。目前所采用的高分子导电材料和电极工艺的谐振器的电阻是金属电极的8倍左右,相应的品质因数也是金属电极谐振器的八分之一,这是先前研究工作的预期结果。从我们研究过程的经历来看,谐振器电阻完全可以通过聚合物配方和加工工艺等改进进一步降低,从而不断使一些关键参数接近甚至优于传统金属电极技术。用于电路和传感器的谐振器关键性能和加工技术的改善是团队进一步持续努力的方向。

在谈到这一技术的未来研究时,王骥教授指出,“信息技术的发展对传统的压电声波器件提出了许多新要求,我们将从设计方法、材料和加工技术等方面持续开展合作,提供产品创新的思路和路径”。压电器件技术实验室将和合作伙伴继续努力,寻求关键技术突破,早日形成新产品的产业化技术。

 

 

 

图1.石英晶片加工电极前后对比 Crystal blank with polymer electrodes



2.装架点胶 A crystal resonator before packaging

 

 

3.封装完成的高分子电极谐振器 A resonator sample with polymer electrodes


 


 

PDL Made Quartz Crystal Resonators with Conductive Polymer Electrodes for Future Applications

 

The Piezoelectric Device Laboratory (PDL), Ningbo University, has made the world first quartz crystal resonator with polymer electrodes in collaboration with Polymer Laboratory of the Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) and TXC (Ningbo) Corporation. The research is directed by Professor Ji Wang, PDL, and Professor Xingzhong Fang, NIMTE with support by the TXC. With resonator samples from the PDL, it reported the resonators with polymer electrodes have electrical resistance about 8 times of that with silver electrodes and corresponding quality factor. The polymer electrodes can have a simple and less costly fabrication process in comparison with the traditional metal electrodes of silver, gold, or aluminum. In addition, it is more efficient, with low temperature, less pollution, and energy-saving.

The current electrodes are sprayed to the surface of a crystal blank with the mixture of PEDOT:PSS as designed. With the successful fabrication of resonator prototypes, the team is going to focus on better polymer mixtures and process technology. The team of PDL, NIMTE, and TXC will continue to improve the technology for real products in the near future.

In commenting the functioning resonators with polymer electrodes, Professor Ji Wang said: “The fast growth of communication and network technology has raised many challenges for the acoustic wave resonators, and efforts have to be made in design, materials, and process to enable future technology with creative ideas and products. The PDL works with collaborators and partners to support networking and communication of all forms and modes.”



 

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