薄膜电容十篇

薄膜电容篇1

【关键词】能源；薄膜电容器；电解电容器；逆变器；新能源汽车

1.引言

随着工业的迅速发展、人口的增长和人民生活水平的提高，能源短缺已成为世界性问题，能源安全受到越来越多国家的重视。随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量在不断地呈现上升趋势，全球汽车行业的发展面临着能源和环保的双重压力，各个国家为了将来在世界汽车业中占得一席之地，纷纷推出了各自的的新能源汽车的规划蓝图，并大力发展新能源汽车。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品[1]。

电机，电池和电机控制技术是新能源汽车的三大核心。电机控制技术的核心就是需要高效电机控制的逆变器技术，高效电机控制的逆变器技术则需要一个功能强大的IGBT模块和一个与之匹配的直流支撑电容器，如图1所示。

本文主要介绍薄膜电容的优点、采用的先进技术、相关的选型标准及应用分析。

2.薄膜电容的技术优点

早期直流支撑薄膜电容都是采用电解电容，随着薄膜电容技术的发展，特别是基膜本身技术的发发展和金属化采用分割的技术出现，不仅使得薄膜电容的体积在越做越小的同时，产品的耐压水平还保持在相当的水平，现在越来越多的公司采用高温聚丙烯薄膜电容器的作为直流支撑电容，一个典型的例子就是丰田公司的PRIUS车型的改进；而国内车企典型代表是比亚迪F3DM和E6，都使用薄膜电容器作为直流支撑电容。第一代丰田Prius使用的滤波电容器是电解电容器，见图2；从第二代开始，便开始使用薄膜滤波电容器组，见图3。

目前用于直流支撑的薄膜电容器，大部分是使用高温聚丙烯膜作为介质，聚丙烯薄膜电容器有如下的优点。

a.产品安全性好，耐过压能力强

由于薄膜电容器具有自愈额现象，而且薄膜电容的设计是按照IEC61071的标准，电容抗浪涌电压能力大于1.5的额定电压，加上电容采用分割膜技术，见图4，电容理论上不会产生短路击穿的现象，这大大提高了这类电容的安全性，典型的失效模式是开路。在特定应用中电容的抗峰值电压能力也是考察电容的重要指标。实际上，对电解电容而言，允许承受的最大浪涌电压是1.2倍，这种情况迫使使用者不得不考虑峰值电压而非标称电压。

b.良好的温度特性，产品温度使用范围广，可以从-40℃-105℃

直流支撑薄膜电容器采用的高温聚丙烯薄膜，具有聚酯薄膜和电解电容没有的温度稳定性，具体如下图5，图6。

从图5中可以看出，随着温度的升高，聚丙烯膜电容器容量总体是下降的，但下降的比例是很小的，大概是300PPM/℃；而聚酯膜不管是在高温阶段还是在低温阶段，容量随温度变化则大了很多，为+200～+600PPM/℃。

从图6可以看出，聚丙烯膜介质电容器的损耗随温度变化基本不变的，但聚酯膜介质电容器在低温和高温显示变化规律是不一样的。

由于聚丙烯膜介质电容器具有良好的温度特性，不管是在低温(比如说中国北方)或者高温地区(比如说沙漠地区)都可以得到正常的使用，但对于电解电容器来说，如果在低温地区，由于电解液的存在，电解液可能会凝固，电容的性能在低温的时候，性能发生较大的变化，可能导致电机控制器不能正常使用。

c.频率特性稳定，产品高频特性好

目前大部分的控制器开关频率在约10KHZ，这就要求产品的高频性能好，对于电解电容器和聚酯膜电容器来说，这个要求是个难题。具体见图7，图8。

从图7可以看出，随着频率的升高，聚酯膜介质电容器的所测容量是随着频率的上升是逐步减少的，但聚丙烯膜介质电容器则基本不变。

从图8可以看出，随着频率的上升，聚酯薄膜介质电容器的损耗急剧加大，但聚丙烯介质电容器基本不变。

d.没有极性，能承受反向电压

薄膜电容器的电极是蒸镀在薄膜上纳米级的金属，产品是没有极性的，故对使用者来说非常方便，不需要考虑正负极的问题；而对电解电容器来说，如果超过1.5倍Un的反向电压被加在电解电容上时，会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间，电容会发生爆炸，或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。

e.额定电压高，不需要串联和平衡电阻

为了提高输出功率，混合动力汽车和燃料电池汽车的母线电压有不断提高的趋势。现在市场上给电机提供的电池电压典型值有280V，330V及480V，与之匹配的电容不同厂家不太一样，但大体是会选择比如450V，600V，800V，容量从0.32mF到2mF，而电解电容器的额定电压不高于500V，所以当母线电压高于500V时，系统只能通过串联电解电容器来提高电容器组的耐压水平。这样，不仅增加了电容器组的体积、成本，也增加了电路中的电感和ESR。

f.低ESR，通过耐纹波电流能力强

薄膜电容器大于200mA/μF，电解电容通过纹波电流能力为20mA/μF，这个特点能大大减小系统中所需要的电容器的容量。国内厂家比如厦门法拉主推的产品目前0.4-0.5mΩ，最大纹波电流值从几十安培到几百安培不等。

g.低ESL

逆变器的低电感设计要求其主要元件DC-Link电容器要有极其低的电感。高性能DC-Link直流滤波薄膜电容器通过把母线整合到电容器模块里，使它的自感降到最低(

h.抗浪涌电流能力强

能够承受瞬间的大电流，采用波浪分切的技术和电容镀膜加厚边技术，可以提高产品浪涌电流温度和机械冲击的能力。

i.使用寿命长

薄膜不易老化的特性决定了薄膜电容器优很长的寿命，特别在额定电压和额定使用温度下，使用寿命大于15000小时；如果按平均30Km/H，则在寿命期可以有450000Km，电容的寿命对于汽车的行驶里程是足够的。

3.薄膜电容的选择

为了达到节能的目的，提高电机的效率，减少线损，就必须把系统电压提高(见公式一)，电压提高后，可以降低通过回路的电流，由于电流可以比较低，线损就会比较低。

P线损=I2R

(1)

目前系统电压范围从100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驱动的达到400多伏，由于控制电路自感及其在汽车在不同工况下使用的缘故，大多公司选用是额定电压450V以上的电容。

根据电机功率的不同，目前有不同的IGBT模块可以使用，同样，对于直流支撑电容器，不同的厂家也推出了不同的产品，主流薄膜电容器厂商比如厦门法拉和EP公司都推出了不容容量和结构的电容可供选择。选择时主要考虑额定容量、允许容量的偏差、额定电压、最大电压、电池电压的波动范围、开关频率、纹波电流有效值、最大峰值电流、相间续流电流大小、电机额定功率、峰值功率、环境温度、最高工作温度、最高工作海拔、散热方式和寿命要求等指标。

4.应用分析

4.1 纹波电压产生的原因

IGBT工作的时候，电路两端负载发生变化，母线上会产生纹波电流。如果没有C3电容器，那么电流将全部流经电池组，导致Ur产生波动(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U两端将产生较大的纹波电压，影响IGBT的正常工作。

4.2 电容器组的作用

如果在母线两端并上电容器组，当ESR+1/ωC

4.3 电容器的选择

要使ESR+1/ωC

工程应用上，可以通过计算机模拟得到系统需要的最小电容器容值。当然，如果设计前已知了电路中的最大允许纹波电压和纹波电流的有效值。那么，系统中需要的最小容值可以通过下面的公式计算：

(2)

由于系统中的滤波电流相对较大，而电解电容又有0.02A/μF的滤波电流限制，所以在开关频率较高的逆变器中一般不按最小容值选择电解电容器，而是按下面公式选择电解电容器的容值：

(3)

下面以某电机电机驱动系统是30KW的纯电动车型举例说明，驱动器上的参数为：Vw=336V；　Uripple=4V；Irms=100A @10KHz。需要的最小容值为：

(4)

这个容量的薄膜电容器很容易找到。如果选用电解电容器，则需要的容量是：

(5)

由此可以得出，开关频率较高的逆变器中使用薄膜电容器可以大大减小应用中所需要的容值。

5.总结

高性能DC-LINK薄膜电容器是一种采用新的制作工艺和金属化薄膜技术的电容器，它增加了传统薄膜电容器的能量密度，即电容的体积也随之缩小。另一个方面它通过将电容器芯子和母排整合的方式来满足客户灵活的尺寸要求，不仅使得整个逆变器模块更加紧凑，也大大降低应用电路中的杂散电感，使电路的性能更加优越。电动汽车中使用的电路设计有高电压、高有效值电流、有过压、有反向电压、有高峰值电流、同时还有长寿命的要求，薄膜电容无疑是电动汽车作为直流支撑电容的最佳选择

参考文献

[1]王文伟,毕荣华编著.电动汽车技术基础[M].北京机械工业出版社,2010.

[2]TOYOTA.TOYOTA HYBRID SYSTEM THSII[J/OL].toyota.co.jp,2003.

[3]陈渊伟.高性能DC-Link薄膜电容器的应用及相关技术.

[4]厦门法拉电子股份有限公司产品目录,2012.

[5]陈清泉,詹宜君.21世纪的绿色交通工具-电动汽车[M].北京:清华大学出版社,2001.

薄膜电容篇2

关键词：真空测量 电容薄膜真空计 标准 校准 精度调整

中图分类号：TB772 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0087-02

真空测量是通过真空测量仪表即各种真空计实现的。真空测量涵盖的范围约为（10-4～105）Pa，在这个范围提供真空计的校准和量值溯源，可以保证真空计的统一性和准确性。各单位在真空计量的日常工作中有大量真空计量器具需要校准，以保证真空测量的准确可靠及研制、操作人员的人身安全。

1 真空校准装置

目前国内研制的真空校准装置多采用复合型真空校准方式，通常用不同量程的电容薄膜真空计和磁悬浮转子真空计作为参考标准。尤其是美国MKS公司生产的690 A电容薄膜真空计虽然价格高一些，但其稳定性好、精度高达0.05%，是公认的二等标准。

2 MKS-690A标准电容薄膜真空计精度调整的背景

我们在用MKS-690A电容薄膜真空计进行校准时发现：被校的真空计不合格率较高，改用其他标准进行检测，结果大部分是合格的，故怀疑MKS-690A电容薄膜真空计有问题，送中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）检测、校准结果见表1。

由表1可得绝对误差最大值为-102.1 Pa，该电容薄膜真空计满量程为13333.3 Pa，故精度最差值为-0.77%。

3 电容薄膜真空计精度调整电路

图1是其内部电子线路中的精度调整电路。由图2可导出下式：

（1）

式中：R0为零点调节电位器，RS为满点调节电位器，RL为线性度调节电位器，C1=（R6+R2）R8/（R5R1），C2=R3/R4，RLT=R2+RL，RST=R6+RS，R0T=R7+R0

4 MKS-690A电容薄膜真空计精度的调整

MKS电容薄膜真空计由于其技术的敏感性，国内尚无厂家可以调修。在无厂家技术支持、无参照标准比对的情况下，研究摸索出一套“影像”法的调整方法，即把表1的数据传递给一个重复性好的真空计，形成一个“影像”真空计，由该真空计复现出表1的数据，即我们可溯源的值。然后把“影像”真空计与我们要调整的MKS-690A电容薄膜真空计（简称被调真空计）一起接到真空系统上，按中国计量院所给数据点进行调试，就可测出被调真空计调整前后精度的变化。选定MKS公司型号为220DA-D4B、量程为100torr、精度为1.5‰的电容薄膜真空计作为“影像”真空计。

调试过程

把被调和影像真空计接到真空校准装置上。先把中国计量院表1的数据传递给影像真空计：按照表1上示值在校准室上逐点调试出相应的压力值，同时利用接到校准室上的影像真空计测试出相对应的数值并记录。表2就是在表1的相应数据点上测出的被调真空计和影像真空计的数据。

由表2可知：越往满点走误差值越大，此时应调整满点电位器。点10097 Pa（影像）处的误差值最大，选该点调整Rs，Rs调整后，引起中间点误差值变大，这时要再调整线性度电位器RL。经反复多次调整Rs-RL-Rs方可达到理想结果。

5 结语

（表3）是被调真空计进行精度调整后，由中国计量院给出的数据校准结果。

由表3可得，绝对误差最大的值为3.2 Pa，此时精度最差为0.024%。由此可证明这种调整方法是可行的。该方法可为国内其他单位所借鉴。

参考文献

[1] 刘洪庆.真空计量[M].中国计量出版社.

[2] MKS Type 690A Absolute High Accuracy Pressure Transducer Instruction Manual.

薄膜电容篇3

[关键词]氧化钒，薄膜，锂电池，ALD包覆

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0004-03

1 引言

大量的可穿戴式电子设备使得薄膜型的电极材料重新受到了广泛的关注。在热门的正极材料中，V2O5具有最高的理论容量，是薄膜电池中的一个重要研究方向。然而正常工艺制备的V2O5材料并不稳定，在多次充放电过程中比容量会发生较大的衰减，其主要原因除了多次充放电过程中材料本身结构的坍塌，还有包括在电解液中、电极/电解液表面发生的副反应[1]。

为了提升V2O5材料的稳定性，减少电极表面溶解、副反应对纳米电极的影响，许多研究者们尝试为电极表面提供一层物理性的保护，在纳米材料表面包覆碳[2-4]、金属氧化物（ZnO2、TiO2、Al2O3[5-12]）、金属氟化物（AlF3[13-15]），以提高纳米材料的电化学性能。对于导电性较差的电极材料来说其表面的钝化层会加大材料的电阻，所以精确的控制包覆层的厚度和均匀性至关重要。相比于其他常用的表面包覆手段如：物理机械研磨、化学液相包覆、化学气相沉积等方式，ALD原子层沉积（Atomic Layer Deposition）对薄膜生长的精确控制达原子数量级，沉积层均匀平滑、厚度可控、重复性好、呈现优异的一致性，目前已经在多种电极材料中实现了有效的性能提高。

本文利用溶胶凝胶法制备制备了一种多孔V2O5爆膜，并利用ALD技术在V多孔薄膜上包覆原子级厚度的Al2O3，并研究了包覆后的V2O5薄膜的电化学性能，从电解液/电极界面的角度探究V2O5材料容量衰减的原因。

2 实验制备与测试

将V2O5粉末（分析纯，纯度≥99.6%）、异丙醇（IP，（CH3）2CHOH，分析纯，纯度≥99.7%）、苯甲醇（BA，C6H5CH2OH，分析纯，纯度≥99.0%）以一定摩尔比混合，在常温环境下搅拌30 min后，放在110℃油浴环境中加热搅拌4h，搅拌结束后，待溶液冷却至室温，真空抽滤，过滤掉溶液中未反应完的V2O5粉末，13 形成黄色透明状的V2O5溶胶，将得到的溶胶在 110°C温度下蒸馏至原体积的 。再将溶胶以 2500 r/min 速度离心 30min，去除溶胶中的颗粒、大分子，留作备用。

选用镀有 ITO（In2O3：Sn）的导电玻璃为基片，基片先分别用中性洗涤剂、丙酮、酒精超声振荡清洗，再用去离子水冲洗、氮气吹干，再将基片放于 50°C 烘箱中备用。提拉镀膜在充满饱和丙酮蒸汽的环境中进行，制得的V2O5薄膜利 用表面张力较小的有机溶剂丙酮和环己烷进行溶剂替换，常温真空干燥后得到 V2O5多孔薄膜。V2O5薄膜在空气气氛 300°C下处理3h，然后在反应器200°C的环境下进行 Al2O3原子层沉积，其中V2O5厚度在几 十纳米左右，Al2O3薄膜厚度为2。

薄膜样品的电化学测试在自主设计的三电极测试装置中进行，工作电极（W.E） 为镀在 ITO（In2O3：Sn）导电玻璃基底上的薄膜，对电极（C.E）与参比电极（R.E） 均为锂片，电解液采用含有 LiPF（6 1M）的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC） 和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶液，其中 EC：EMC：DEC=1：1：1（体积比）。薄 膜的反应电极面积为 2.5cm×1.5cm。

电化学性能测试在 CHI660C（上海辰华仪器有限公司）电化学工作站上进 行。恒流充放电在蓝电测试系统（CT2011A）上进行，所有的电化学测试均在充 满氩气的手套箱中进行，其中 O2、H2O 的含量均小于1ppm。扫描电子显微镜（SEM，Philips-XL-30FEG），透射电子显微镜（TEM，Jeol-1230），X射线光电子能谱（XPS，Phi-5000C-ESCA）用于表征材料的表面形貌、微观结构。

3 测试与讨论

图1是V2O5薄膜进行ALD包覆Al2O3前后的SEM图象，可以看到V2O5薄膜表面具有纳米孔洞，进行ALD循环后，Al2O3均匀覆盖在V2O5的薄膜表面上，薄膜表面变得致密、更平整，薄膜表面仍然保持平滑，表明ALD包覆的Al2O3层具有高度的一致性。

图 2 是V2O5薄膜包覆Al2O3后表面的X射线光电子能谱，能谱中有Al 2p的 区域，由标准XPS数据库中查到Al-O化学键的结合能为 75.2eV，因此可以确 定ALD包覆在薄膜表面的是Al2O3。

图3是V2O5- Al2O3复合薄膜与V2O5薄膜充放电循环的比容量图，放电区间4.0-2.0V，放电电流200mA/g下的放电比容量对比图，V2O5薄膜首次放电比容量为185.0 mAh/g，50次后比容量下降了18.1%，V2O5-Al2O3薄膜放电比容量最高为205.0 mAh/g，50次循环后比容量仍然保持了89.7%，可以得到Al2O3包覆层确实对V2O5薄膜的循环稳定性有很好的提升。

有研究表明V2O5材料在充放电过程中易于溶解在电解液中，而包覆Al2O3后，包覆层对薄膜起到了保护作用，使得电极上的V2O5的有效质量不减少，保持放电极电比容量的不变，而没有包覆层的薄膜电极，随着充放电的进行，活性物质慢慢溶解，质量减少，比容量持续下降。这与国际上一些研究者的发现相类似，美国的Jung等人[5]发现镀有3-4的Al2O3对LiCoO2材料的循环稳定性有显著提升，Scott等人[16]的实验证明镀有2的Al2O3使得纳米化的LiCoO2材料在200次充放电循环后，比容量仍然保持97.0%，而未包覆的LiCoO2在50次循环后比容量只剩首次比容量的77.0%。

图4是V2O5- Al2O3复合薄膜第1次、第60次的循环伏安曲线，扫描区间4-1.5V， 扫描速率5mV/s。在V2O5- Al2O3复合薄膜中存在一对氧化还原峰

还原峰对应着Li+离子的注入：

V2O5 + xLi+ + xe- = Lix V2O5 （1）

氧化峰对应着Li+离子的退出：

Lix V2O5 = V2O5 + xLi+ + xe- （2）

峰位分别在2.765V（氧化峰）、2.325V（还原峰），第60次循环时，峰位移动到2.695V（氧化峰）、2.315V（还原峰）。并且薄膜第60次循环的峰电流比首次的变大。峰位的飘移以及峰电流变大都说明薄膜在电化学扫描过程中存在一个电化学激活的过程，这可能与ALD包覆的Al2O3有关。

在图3中，V2O5- Al2O3复合薄膜首次的放电比容量并不高，只有190mAh/g，而在后续的几个循环里，比容量慢慢达到最高205mAh/g，因此与循环伏安曲线相对应，在图4中复合薄膜的比容量也存在一个相应的激活过程。

图5是V2O5- Al2O3复合薄膜与V2O5薄膜在3.7-1.7V的倍率性能，表1统计图5中的数据，图中分别是在3.7-1.7V的放电区间内，依次以200 mA/g、400 mA/g、800 mA/g、1600 mA/g的放电电流下测得的材料的放电比容量，可以看到在小电流时，两种材料的比容量基本维持在一个数量级，在200mA/g的放电电流下，V2O5薄膜比容量为240mAh/g，V2O5- Al2O3薄膜的比容量为245mAh/g。但当放电电流逐步增大时，V2O5薄膜的比容量出现了明显的下降，而Al2O3- V2O5薄膜的比容量下降较小，800mA/g的放电电流下，V2O5薄膜比容量仅为131mAh/g，而V2O5- Al2O3薄膜比容量仍然维持在184mAh/g，这充分显示了V2O5- Al2O3薄膜在大电流下良好的倍率性能，尤其是在1600mA/g的放电电流下V2O5- Al2O3薄膜的比容量为136.0mAh/g，相对于V2O5薄膜，Al2O3-V2O5薄膜比容量提升了43.0%。

Scott等人[16]在LiCoO2材料上也发现了同样的现象，利用ALD镀有2、6的Al2O3的LiCoO2在倍率性能上远远优越于纯LiCoO2材料。Sun等人[17]利用溶胶-凝胶法在LiCoO2材料上包覆10-20nm的AlF3后测试电化学性能也出现了此现象。

3.4 总结

利用溶胶凝胶法和ALD技术成功制备了Al2O3包覆的V2O5薄膜电池材料，恒流充放电测试上显示包覆层显著提升了薄膜的循环稳定性，在放电电压范围为4.0-1.5V，放电电流为200 mA/g下，首次放电容量高达448 mAh/g，经过55个循环后，薄膜仍然保持384 mAh/g的容量。通过对比未包覆薄膜的倍率性能，可以看到包覆Al2O3的V2O5薄膜展现出优异的倍率性能，尤其在大电流充放电下仍然具有较高的比容量， SEM图上看到的两种薄膜在循环后表面出现了不同的结晶，结合循环伏安曲线的分析得到，验证了包覆层影响电解液与电极之间的相互作用。

参考文献

[1] Zeng Y.， Gao GH， Wu GM. et al. Nanosheet-structured vanadium pentoxide thin film as a carbon- and binder-free cathode for lithium-ion battery applications [J]. JOURNAL OF SOLID STATE ELECTROCHEMISTRY， 2015， 19（11）： 3319-3328

[2] Xiong YJ.， Chen， Y， Zeng， DQ. et al. The Preparation and Electrochemical Performance of Olivine Cathode Materials Based on LiMn1/3Fe1/3CO1/3PO4/C [J]. JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY， 2016， 16（1）： 465-470.

[3] Liu Jun， Wang Qiongyu， Reeja-Jayan B.et al. Carbon-coated high capacity layered Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2 cathodes[J]. Electrochemistry Communications， 2010， 12（6）： 750-753.

薄膜电容篇4

[关键词]安规电容；金属化薄膜电容；损耗；自愈性；寿命；老化

中图分类号：G88 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0065-02

近年中南空管局双电源静态自动切换开关STS（Static Transfer Switch）内部滤波板电容故障频发，严重时甚至因温度过高而爆浆，并引起设备停机断电，因此对STS滤波板电容的了解和研究，对STS稳定运行有着重要的意义。

1 安规电容

1.1 安规电容的概念

STS滤波板电容主要为安规电容，安规电容具有电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全的特点，通常用于抗干扰电路中的滤波作用。

1.2 安规电容的特点

安规电容的放电和普通电容不一样，普通电容在外部电源断开后电荷会保留很长时间，如果用手触摸就会被电到，而安规电容则没这个问题。在交流电源输入端，一般需要增加安规电容来抑制EMI传导干扰，它们用在电源滤波器里，起到源滤波作用，分别对共模，差模干扰起滤波作用。

1.3 安规电容的分类

安规电容分为X型和Y型。交流电源输入分为3个端子：火线L/零线N/地线G，跨于“L-N”之间，即“火线-零线”之间的是X电容；跨于“L-G/N-G”之间，即“火线-地线或零线-地线”之间的是Y电容。

STS滤波板电容主要为X型安规电容，X型安规电容即是金属化薄膜型安规电容器，按耐压等级不同可分为X1、X2、X3，主要差别在于：

1）X1耐高压大于2.5kV小于等于4kV

2）X2耐高压小于等于2.5kV

3）X3耐高压小于等于1.2kV

2 金属化薄膜电容

2.1 概念和生产过程

金属化薄膜电容器是在真空高温条件下，把铝或锌蒸发到聚酯等上面形成薄膜，制作成金属化聚酯薄膜，然后经过自动化卷绕机卷绕成电容器芯子，再依次经过热压、芯子编带、喷金、焊接、赋能、真空浸漆、刻字、选择、检验、包装等工序制作而成的电容器，具有耐压高，高绝缘电阻，阻抗频率特性好，较低的ESR，高容量稳定性，低损耗角正切等特点。其结构如图1、图2所示。

通常，X电容多选用纹波电流比较大的聚酯薄膜类电容，这种类型的电容，体积较大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小。

2.2 金属化薄膜电容的损耗

金属化薄膜电容器的损耗主要由介质损耗、漏导损耗和金属损耗三部分组成。通常以损耗角正切值tanδ表示电容器损耗的大小，tanδ也称为损耗因数，是衡量电容器品质优劣的重要指标之一。

在电容器的损耗中，电容器薄膜上金属层的电阻具有很大的影响。如果金属层过厚，会造成金属层的方块电阻小于1.8欧，此种情况下电容器不会发生自愈现象，如果较大电流通过，金属化膜温度升高，电容器就会被击穿；如果方块电阻大于5欧，就说明金属层太薄，这种情况下金属层易发生腐蚀现象，导致电容器不精准，增加电容器的损耗。所以，方块电阻的最适宜阻值应在2-3欧。

在金属化薄膜电容器生产过程中只要原材料质量保证，介质损耗、漏导损耗则相对不变，可视为一常数。由此可见金属化薄膜电容器的损耗角正切值tanδ变化是其金属损耗变化引起的，其变化的是喷金接触及焊接点的接触电阻Re形成的金属损耗tanδe：

薄膜电容篇5

（1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，江苏无锡214135）

摘要：基于柔性印刷电路板（FPC）技术，制造了2种柔性ZnO纳米发电机。首先，使用简单的一步溶剂热法制备ZnO纳米线，前驱体为二水合醋酸锌（Zn（Ac）2·2H2O）和氢氧化钠（NaOH），溶剂为乙醇。绝大部分ZnO纳米线的直径在20~30 nm之间，表明制备的纳米线具有均匀的形貌。然后，使用一种新颖的离心方法制备有序堆积的ZnO纳米线薄膜。SEM表征表明，ZnO纳米线薄膜中，纳米线横向紧密有序排列。最后，采用柔性印刷电路板技术，制造了2种柔性ZnO纳米发电机。对使用示波器纳米发电机的输出电压进行测试，开路电压最高达到10 V。纳米发电机是利用ZnO纳米线的压电效应和广泛存在的摩擦电静电效应，将周围环境中广泛存在的各种有用机械能转换为电能。这里制造的纳米发电机的工艺兼容传统的柔性印刷电路板技术，未来，这种柔性纳米发电机能够集成在柔性电路板中，形成自供电的小型化电子系统。

关键词 ：ZnO；纳米发电机；压电效应；摩擦电静电；柔性印刷电路板

中图分类号：TN705?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0141?04

收稿日期：2015?01?05

基金项目：重大科学技术专项（2013ZX02502?004）

0 引言

自从2006 年纳米发电机（NG）第一次被报道[1]，就引起了全世界范围的关注。在过去几年中，研究人员在纳米发电机领域取得了许多突破性的成果[2?4]。目前，研究人员已经制造了多种纳米发电机，比如压电纳米发电机[5]、摩擦电静电纳米发电机[6]、热电纳米发电机[7]、超声波纳米发电机[8]等。当今的电子时代，在微纳尺度范围，急切需要独立的、无需维护的、可持续的、可连续运行的能源技术，用于可植入生物传感器、超灵敏度化学传感器、纳米机器人、微电机械系统、远程或移动环境传感器[9]、国土安全，甚至可穿戴个人电子产品[10]等。在未来，构建完整的物联网需要安置无数的传感器或执行器，独立免维护的驱动能量将可以节省大量维护成本。

纳米发电机能够收集周围环境中的微弱的振动能、机械能、电磁能或超声波能量等，并转化为电能，为其他电子器件提供能量。纳米发电机是一种理想的独立免维护的能量来源。在不久的将来，纳米发电机将会在物联网等领域有广阔应用前景。

由于ZnO 纳米线（NW）具有良好的半导体特性、压电特性[11]、生物兼容性[12]和低制造成本[13]，所以其是制造压电纳米发电机的一种很有潜力的候选材料。

本文首先采用一步溶剂热法制备ZnO 纳米线，本文采用离心方法制备有序堆积的ZnO 纳米线薄膜（NF），基于柔性印刷电路板（FPC）技术，将ZnO 纳米线薄膜埋入柔性电路板中，制造2种具有不同基底的柔性ZnO 纳米发电机。制造的纳米发电机可以同时利用ZnO纳米线的压电效应和摩擦电静电效应，将机械能转化为电能。在未来的工作中，这种柔性纳米发电机能够集成到柔性电路板中，形成自供电的小型化电子系统。

1 实验内容

1.1 离心方法制造有序堆积的ZnO纳米线薄膜

采用简单的一步溶剂热法制备ZnO纳米线，二水合醋酸锌（Zn（Ac） 2·2H2O）和氢氧化钠（NaOH）作为前驱体，乙醇作为溶剂。对比其他的制备方法，溶剂热法具有相对低成本、低毒性和易于规模生产等优点。然后，依次使用丙酮、乙醇、去离子水对制备的ZnO纳米线进行离心清洗。相对于水，ZnO纳米线更容易分散在丙酮和乙醇中，需要用超声或搅拌来帮助纳米线在溶剂中分散。

采用离心方法制造ZnO纳米线薄膜。首先，将清洗后的ZnO 纳米线分散在乙醇中形成均匀的悬浊液；然后，将适量的悬浊液加入离心管中，离心机型号为CENCE TG16?WS，通过控制离心转速和离心时间，纳米线将被离心沉淀在离心管管底。由于离心原理，纳米线沉淀中的纳米线近似平行有序排列。去除上清液后，纳米线沉淀在50 oC 烘干30 min；这样纳米线沉淀就可以从离心管管底剥离，完成制造ZnO纳米线薄膜。ZnO纳米线薄膜使用Hitachi S4800进行SEM表征。图1（a）为ZnO 纳米线薄膜中纳米线的SEM 表征结果，可以看到ZnO纳米线薄膜中绝大部分的纳米线横向有序排列，纳米线紧密接触，密实堆积；图1（b）为制备的纳米线的直径分布统计。所得纳米线的直径小于50 nm，绝大多数纳米线的直径在20~30 nm 之间，这表明制备的纳米线具有相对均匀的直径。

1.2 制造柔性ZnO纳米发电机

在此2 种设计方案分别制造柔性ZnO 纳米发电机。它们的基本结构相同，但使用不同的基底，一种是聚酰亚胺（PI）薄膜，另一种是铜箔。

1.2.1 PI薄膜基底方案

基底采用50 μm厚的PI薄膜。PI薄膜是柔性印刷电路板工艺中经常使用的基板材料，采用lift?off工艺在PI薄膜上制作Ag图形化电极。图2是在PI薄膜上制作Ag图形化电极的详细步骤。首先，将PI膜进行清洗；然后，PI膜的一面覆盖一层干膜，并使用UV 光对干膜进行曝光显影。干膜的性质与正性光刻胶类似，在显影时，曝光的干膜被保留而未曝光的干膜将被刻蚀掉；在覆盖干膜的一面依次溅射一层TiW（厚度20 nm）和一层Ag（厚度200 nm），TiW 层用作粘附层；最后，将基底浸入丙酮中30 min，剥离基板上剩余的干膜。这样，就完成了PI薄膜上Ag图形化电极的制备。

图3（a）是制作完成Ag 图形化电极的PI 薄膜；图3（b）是将PI薄膜切割成单个单元后的Ag图形化电极。图3（b）中，单元中间的Ag方块是放置ZnO纳米线薄膜的位置，Ag和ZnO纳米线接触形成欧姆接触，单元边缘的Ag线条用作焊接外部电路的导线。

纳米发电机具有一个“PI?NF?PI”三明治结构，上下两层PI薄膜的中间放置ZnO 纳米线薄膜，周围使用非导电胶进行严密封装。上下两层PI薄膜需要有一定的位错，保证中间的Ag 方块完全对齐，并露出PI 薄膜边缘的Ag 线条，用于焊接导线。单个纳米发电机的三明治叠层方法如图3（c）所示。

1.2.2 铜箔基底方案

本方案中，纳米发电机的基底采用一种应用于柔性电路板工艺中的铜箔（厚度20 μm）。铜箔的表面已经做过防氧化处理，所以铜箔可以直接使用并能保证良好的导电性。铜箔既作为纳米发电机的基底又用作与外电路进行电连接。纳米发电机具有“Cu?NF?Cu”三明治结构。具体的制造步骤如图4所示。

第一步：在铜箔的一面依次溅射一层TiW（厚度20 nm）和一层Ag（厚度200 nm），TiW层作为粘附层，Ag层与ZnO纳米线薄膜形成欧姆接触。由于铜箔表面无法制作图形化电极（铜箔具有良好导电性），使用一种热固化胶膜作为上下铜箔基底之间的绝缘层。这种热固化胶膜经常应用在柔性电路板工艺中，可以在热固化后仍然保持柔性。

第二步：在胶膜上制作用于放置ZnO 纳米线薄膜的方块窗口（6 mm×6 mm）阵列，如图4 中的（b）所示。第三步：将胶膜覆盖在溅射Ag层的铜箔表面。

第四步：将ZnO纳米线薄膜切割成与胶膜上的方块窗口一样大小并放置在方块窗口内。切割的纳米线薄膜的尺寸需要尽量能够覆盖方块窗口，防止上下基底接触造成短路失效。

第五步：将另一块溅射Ag层的铜箔覆盖在胶膜上，如图4 中的（e）所示。因为胶膜具有很大的粘性，当将铜箔覆盖在胶膜上时很容易产生气泡，所以覆盖上层铜箔时需要非常小心。“Cu?NF?Cu”三明治结构使用真空压膜机MVLP?500 进行热固化层压。胶膜固化的条件是在压力4.6 MPa和温度160 oC下热固化90 min。

2 结果与讨论

基于两种不同基底，制造了两种柔性ZnO纳米发电机。纳米发电机的输出电压使用实时示波器ATTENADS1102c进行测试。为了方便测试，将铜导线焊接在纳米发电机的上下电极。使用手指拍打纳米发电机表面，手指拍打的机械能作为能量来源。开路电压的测试结果如图5所示。PI薄膜基底纳米发电机的开路电压峰值可达10 V以上，如图5（a）所示；而铜箔基底纳米发电机的开路电压峰值仅为170 mV 左右，如图5（b）所示。PI薄膜基底纳米发电机比铜箔基底纳米发电机具有更高开路输出电压。

这2 种纳米发电机的基本结构相同，都具有“上电极?NF?下电极”三明治结构，如图5 所示。两种纳米发电机最大的不同就是基底。PI薄膜是绝缘体，而铜箔是良导体。铜箔基底纳米发电机的Ag层和铜箔可以整体看作一个电极，而PI薄膜基底纳米发电机的PI薄膜和Ag层形成了一个“绝缘层?金属层”结构。这种“绝缘层?金属层”结构类似一种基于人体皮肤的摩擦电纳米发电机[4]。所以，当用手指（人体皮肤）拍打PI薄膜基底纳米发电机的表面时，输出电压不仅来源自压电效应，而且来自摩擦电静电效应。PI薄膜基底纳米发电机可以看作是压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机的集成，所以比铜箔基底纳米发电机具有更高的输出电压。

3 结语

本文采用简单的一步溶剂热法制备ZnO纳米线，纳米线的直径小于50 nm，绝大多数纳米线的直径在20~30 nm 之间，这表明制备的纳米线具有相对均匀的直径。在此使用一种新颖的离心方法制造有序堆积的ZnO纳米线薄膜，ZnO纳米线薄膜中的纳米线近似平行有序排列，紧密接触，密实堆积。基于柔性印刷电路板工艺，制造了2种柔性ZnO纳米发电机。PI薄膜基底纳米发电机可以看作是压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机的集成，而铜箔基底纳米发电机仅是一种压电纳米发电机，所以PI薄膜基底纳米发电机比铜箔基底纳米发电机具有更高的输出电压。PI薄膜基底纳米发电机的开路输出电压可达10 V 以上，而铜箔基底纳米发电机的开路输出电压最高仅为170 mV。

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薄膜电容篇6

论文摘要：薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。

1膜材料的发展

在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

2膜材料的应用

人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。

利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。

膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。

更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1]

3膜材料的分类

近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。

薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。

3.1金刚石薄膜

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔[2]。

近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。

金刚石薄膜属于立方晶系,面心立方晶胞,每个晶胞含有8个C原子,每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键,牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小,是优良的绝缘体。

利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内,化学气相沉积的石墨是热力学稳定相,而金刚石是热力学不稳定相,利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理,将石墨去除,这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。

3.2铁电薄膜

铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展,推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管(FEET)、铁电随机存储器(FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域[3]。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等,以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点,预言了一种新的C-N化合物b-C3N4,Cohen计算出b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4,具有非常短的共价键结合的C-N化合物,其理论模量为4.27Mbars,接近于金刚石的模量4.43Mbars.随后,不同的计算方法显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度,不仅如此,b-C3N4还具有一系列特殊的性质,引起了科学界的高度重视,目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质.b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。

3.4半导体薄膜复合材料

20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。

这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。

3.5超晶格薄膜材料

随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。

半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。

3.6多层薄膜材料

多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。

1991年，法国特拉斯.博斯卡大学的Decher首先提出由带正电的聚合物和带负电的聚合物组成两层薄膜材料的设想，由于静电的作用，在一层材料上添加另外一层材料非常容易，此后，多层薄膜的研究工作进展很快。通常，研究人员将带负电的天然衬材如玻璃片等，浸入含有大分子的带正电物质的溶液，然后冲洗、干燥，再采用含有带负电物质的溶液，不断重复上述过程，每一次产生的薄膜材料厚度仅有几钠米或更薄。由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料[4]。

4展望

迄今，人们已经设计和开发出了多种不同结构和不同功能的薄膜材料，这些材料在化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的潜在应用价值，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。

参考文献：

[1]医疗设备信息.2007,(27)8.

[2]稀有金属材料与工程.2007,(36)8增刊1.

薄膜电容篇7

关键词 纳米ZnO薄膜；特性；进展

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0008-02

纯ZnO及其掺杂薄膜具有优异的晶格和光电性能，易于产生缺陷和进行杂质掺杂，并且具有价格低、无毒性、良好的机电耦合性能，低的电子诱生缺陷等优势，使其在光电元器件领域得到广泛开发和应用。

1 薄膜的特性

ZnO晶体为II-VI族六方纤锌矿结构宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度约为3.37eV，ZnO的另一个特点是激子结合能（60meV）高，能有效地工作于室温及更高温度。ZnO的熔点为1975℃，化学稳定性和热稳定性较高，500℃以下就可以制备出ZnO薄膜，这比SiC、GaN和其他II-VI族宽禁带半导体材料的制备温度要低很多。这使ZnO成为室温短波长光电子材料的研究热点。本征态的ZnO理论上是绝缘体，但事实上由于ZnO中锌间隙和氧空位的存在，为n型半导体。优质的ZnO薄膜具有c轴择优取向生长。ZnO薄膜在可见光区透过率高达90%，电阻率低至10-4Ω・cm，是一种理想的透明导电薄膜。

2 薄膜的发光机理

2.1 紫外光的发射

一般认为ZnO的紫外发射与带边激子对的复合有关，其发射强度由化学配比、晶格完整性和结晶质量决定，结晶质量越好的ZnO薄膜紫外发射强度越高。

2.2 绿光的发射

ZnO薄膜的蓝-绿发光一直是人们研究的热点。不同于紫外发射，人们对绿光发射持有不同见解。通常认为绿光源于氧空位与价带空穴间的复合跃迁[1]和氧空位与锌空位间的跃迁[2]。还有研究认为锌间隙与绿光有关。近几年的研究认为绿光来自导带底到氧位错缺陷能级间的跃迁[3]。对于确切的哪种点缺陷在绿光发射中占据主导作用学者们仍在探究。

2.3 其他光的发射

图1 利用全势线性多重轨道的方法计算的ZnO本征缺陷能级[7]

在研究ZnO薄膜的发光中，还常伴有紫光、黄光、橙光和红光。其机理为：紫光源于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间的跃迁[4]。黄光与氧间隙[5]或一种ZnO2的配比结构有关。橙、红光与富氧的ZnO 结构[6]或沉积过程中形成的自然缺陷相关。

文献[7]是利用全势线性多重轨道的方法计算ZnO本征缺陷能级水平，这对发光机理的研究起到了推动性作用。

3 ZnO薄膜的研究现状及展望

ZnO以其优异的性能（主要是低阈值高效光电特性、强烈的紫外吸收和紫外激光发射、量子限域效应、光催化和压电等性能）在半导体氧化物中独占鳌头，ZnO薄膜以其原料廉价易得，生长温度相对低，成膜质量高，较易实现掺杂，成为了应用广泛的透明导电薄膜。自1997年发现ZnO薄膜具有紫外受激发射的特性以来，此后在室温下观测到具有纳米结构的微晶薄膜光泵激光发射，因其激子结合能（60meV）比同是宽禁带材料的ZnSe（20meV）、GaN（28meV）高出许多，能有效工作于室温（26mev）及更高温度，且制备温度比GaN和其他II-VI族半导体宽禁带材料的制备温度低很多，使得薄膜与衬底原子的互扩散得到了大大降低。ZnO成为继GaN之后新的短波长半导体材料的研究热点。ZnO薄膜在可见光范围内透过率高达90%，可以应用于优质的太阳能电池透明电极。在紫外和红外光谱范围内具有强烈的吸收作用，可做为相应光谱区的阻挡层。目前ZnO薄膜在表面声波器件和压电传感器领域已投入应用，随电阻率变化的气敏元件正在研发中，但从实验室研究向大生产转化还需时日。

3.1 掺杂和PN结的制作

纯ZnO由于载流子浓度较低，电阻率较高，可以通过掺杂改变其性能。目前n型ZnO研究较多的是铝掺杂氧化锌（AZO），但由于Al原子半径比Zn原子半径大，掺杂中晶格畸变较大，会影响到薄膜的光电特性，而且Al较活泼，易被氧化。因此AZO在高温下氧缺位会因Al的氧化而消失，从而抑制了Al的掺杂效率，使薄膜的电阻率升高，影响薄膜的稳定性。但在温度相对低的情况，Al的掺杂提高其电导率，又不影响光的透过率。AZO薄膜在活性氢和氢等离子体环境中稳定性高，不易降低太阳能电池材料的活性，且廉价易得，在太阳能电池、平板显示器、半导体器件领域应用广泛。可见掺杂是ZnO薄膜改性的手段，不同物质和条件下的掺杂使ZnO薄膜具备不同的特性。

ZnO薄膜作为一种光电半导体材料，制作出p-n 结是实现应用的关键。制备出稳定的可重复的高性能的p型ZnO薄膜异常困难，大多存在着高电阻率、低迁移率、低载流子浓度和不稳定等问题。其原因一是ZnO中氧空位、锌间隙及生长中引入的H杂质等大量施主缺陷，对掺杂的受主缺陷的补偿。二是ZnO中受主能级较深，室温状态离化产生空穴太难。三是一些受主杂质元素在薄膜中的固溶度低，难以提高载流子浓度。目前Minegishi等已经制备出了p型掺杂的ZnO薄膜，但其少子密度较低，且远低于实现pn结所需要的浓度。高质量、低电阻、稳定的p型ZnO薄膜仍亟待研究。

制备出高浓度p型掺杂的ZnO从而制作出pn结是目前学者们的努力方向。除了努力实现高浓度p型掺杂之外，由于GaN和ZnO晶格匹配性较好，且p-GaN已经实现，因此利用p- GaN和n-ZnO来制作pn结相对容易实现。

3.2 应用前景

ZnO薄膜在光电、晶格、气敏、压敏、压电等方面性能优异且热稳定性高，目前，ZnO薄膜的应用主要有：制作紫外光器件、制作表面声波器件、LED（发光二极管）、液晶显示、LD（激光二极管）、气敏和压敏器件、可与GaN互作缓冲层、用于光电器件的单片集成，纳米ZnO薄膜以其无毒稳定且廉价易得的特性，有替代太阳能电池材料ITO（氧化铟锡）和二氧化锡等透明导电薄膜的趋势，推动了廉价太阳电池的发展。还可做为玻璃窗的热反射涂层，提高建筑物的热量利用率。用作紫外光阻挡层有效妨害紫外线辐射等。

4 ZnO薄膜的制备方法

有射频磁控溅射、分子束外延（MBE）、溶胶凝胶（Sol-gel）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、脉冲激光沉积（PLD）等。脉冲激光沉积由于其工艺参数易于控制，沉积温度相对低，沉积薄膜的成分更接近于靶材，即使是多种成份的合金靶也可以用此方法获得，且成膜质量高，薄膜与衬底粘结度高。采用激光器做光源，避免了污染等优点。此法已广泛应用于制备高质量的ZnO薄膜。

5 结论

纳米ZnO薄膜性能优异、应用广泛、价格低廉，且其制备方法相对简单多样、易于实现掺杂且与硅IC兼容，利于实现电子元器件的集成，这些元器件已成为各类光学器件的重要组成部分，是极具开发前景的光电薄膜材料之一。随着研究的不断开展，ZnO薄膜的技术及应用必将更广泛地影响到人们的生产和生活。

参考文献

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[7]Y.M. Sun， Ph.D. thesis， University of Science and Technology of China， July， 2000.

薄膜电容篇8

【关键词】PVDF压电薄膜;传感器;多物理因素

1.引言

聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）是半晶质有机聚合体，此聚合体由重复的CF2-CF2长链分子组成，经过一定化学工艺处理使得PVDF薄膜具有压电性、热释电性。PVDF可输出较大的电压值，薄膜质量轻、韧揉、变形强度高、频率响应很宽。应用PVDF制作的传感器种类甚多，与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件。PVDF压电薄膜优越的传感性能引起了用其作为力学量传感的研究热点，如用于结构健康监测智能结构与系统、各种力学传感器。在应用过程中，PVDF作为传感器几乎都是应用于单物理因素作用。而在本文中进行了PVDF压电薄膜在温度、风速、沙尘、水、噪音等五种物理因素下的信号变化研究，期望能将PVDF压电薄膜推广到多物理因素传感。

2.多物理因素测试

由于环境中的因素很多，不可能消除背景因素对信号的影响，因此此次实验都是基于背景因素的基础上，经过对波形的分析处理后，对实验结果没有影响。如图1所示，搭建信号测试系统，压电薄膜中的信号输入到数字示波器中分析，档位设置中噪音抑制打开，Auto档位打开。测试中所用的PVDF压电薄膜尺寸为40mm×40mm，实验环境为20℃、环境噪音20dB、无风、封闭。以下给出PVDF压电薄膜在不同因素下的信号反应。

图1 多物理因素测试示意图

2.1 温度

将PVDF压电薄膜置于太阳能灯前。实验测试范围25℃～60℃（当温度超过80℃，压电薄膜就会到达它的居里温度，使它内部的晶体结构发生变化，从而导致压电性的改变或消失），每隔5℃记录二十组数据。根据多组数据显示，在大约前2～4s内，波形电压值一直增加，接着处于平稳状态，频率值接近0Hz，其电压变化数值与温度成正比。下面给出温度为30℃、40℃、50℃、60℃下的实验数据统计，见表1。

表1

2.2 风速

用风扇模拟自然条件下的风。测试了风速为0.5m/s～8m/s十六组强度风速下的信号变化，每种因素下测试20组数据，每组数据间间隔2分钟。根据大量数据显示，频率范围大约在0.3Hz～66.17Hz。下面给出风速在约1m/s、约3m/s、约5m/s、约7m/s下的实验数据，见表2。

表2

2.3 沙尘

用直径小于0.25mm的细沙和粉沙，使其具有2m/s的速度，用带筛孔的容器内装有沙尘吹打在PVDF压电薄膜上。实验过程中测试了10mg/m3～500mg/m3含尘量下的沙尘，每隔10mg/m3记录十组数据。根据实验数据显示：当浓度出现量级的改变时，PVDF的波形变化更加明显。以下为50mg/m3、200mg/m3、500mg/m3 的数据，见表3。

表3

2.4 雨滴

用带筛孔的容器内装有水模拟下雨。控制雨滴打在PVDF薄膜上的速度为2m/s，使其打在PVDF压电薄膜上。分别测量雨流量0mm～50mm共10种因素强度，每种因素强度下测试20组数据，每组数据间间隔2分钟。以下为雨流量为5mm、10mm、20mm、50mm下的实验数据，见表4。

表4

表5

2.5 噪音

用频率发生器软件产生产生不同频率和分贝，由外置音响产生，分贝计软件粗略检测分贝大小。根据环境噪音标准查询，实验过程测试了10Hz～30000Hz的频率和不同分贝条件下的变化，大量数据结果显示，对于频率在约1.1×103Hz以上和约75Hz以下时，PVDF反应不大。下面给出1×102～1×103Hz下85dB、87dB、89dB、90dB、91dB、92dB影响下的波形反应（由于不同频率同一分贝下PVDF信号的频率和电压值也是不同的），表5。

3.分析

图2是数字示波器截取的各物理因素典型波形图。从图波形的差别看，理论上各物理因素是可以有PVDF压电膜区分的。风速波形与沙尘的波形较为接近，可引入环境差别传感加以区分。根据上面测试的数据绘制成的信号频率交叠图图3。在测试过程中，都是模拟实际生活中因素的强度进行测试的。根据结果显示，在判断这些因素时，可以将非交叠部分作为此种因素的识别调节条件。

图2 各物理因素典型波形图

图3 各因素信号频率交叠图

首先，温度因素的频率远低于其它因素，随温度增加传感电压确与其它因素相当，因此，如果仅传感电压增加而其频率在零处并无太大变化，即可判断仅温度单一物理因素作用。当雨滴雨流量超过50mm时，也能明显地粗略的识别。

在工程实践中，如果考虑将各各物理因素的强度进行一个阈值划分，比如有害和无害、或有益和无益，那么温度以外的其它四个因素依然可以区分。比如在智能家居中，环境风速大于5m/s（阈值）被认为有害，从图3看出，这时风速因素的频率与噪音频率段没有交叠，也因此很容易将风速区分出来。而当噪音超过90dB被认为有害，即使频率处于风速与噪音频率的交叠段，但由于噪音因素作用下的电压最大值远大于风速，因此也能区分出噪音。

在处理噪音、风速、沙尘条件，噪音、风速、沙尘之下的信号频率不是太悬殊，可引入环境差别传感加以区分。采用两片PVDF薄膜，一片在上面，能够接收到沙尘、雨滴因素的影响，一片置于下面，不受沙尘、雨滴的影响，两片PVDF薄膜除了沙尘、水滴的因素有差异，其他因素均相同。将其信号进行对比，相同即是噪音、风，不同则是沙尘。

4.结论

设置一系列的实验，测试在5种物理因素不同强度作用下PVDF压电薄膜信号的电压和频率，发现PVDF压电薄膜对这五种作用因素均有明显的反应。实验验证，PVDF压电薄膜信号是可以通过频率的差异、电压值的不同和环境差异处理方式（两片PVDF放置不同位置，同时对比两种信号的差异）分辨出来的。PVDF压电薄膜在单传感器多因素传感的工程实践中具有潜在的价值。

参考文献

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[3]具典淑，周智，欧进萍.PVDF压电薄膜的应变传感特性研究[J].功能材料，2004，35（4）：450-456.

薄膜电容篇9

我时常惊异于过去几年触摸屏市场的发展。三年前，我有幸成为应用材料公司位于德国的卷绕式镀膜(卷对卷式真空镀膜设备)事业部的主管。当年我们花费很多精力在柔性电子产品上，寻找各种应用产品的机会，如柔性太阳能电池板，显示器、印刷线路板以及几种基于透明导电薄膜的应用，包括触摸屏器件等。具有讽刺意味的是，我们的团队虽然多年执着于这一市场，而且自八十年代初已经开始销售卷对卷式氧化铟锡(ITO)溅射镀膜设备，但由于电阻式触控技术的市场成长空间有限，规模相对较小且一直不温不火。

直到多点触控技术应用于手机和平板电脑等产品，触摸屏市场才一改趋缓趋稳的状态。投射电容式触控技术的应用，因其具有优异的多点触控性能，掀起了制造业产能增加的新一轮热潮。起初，业界拥有彩膜工艺生产线的厂商纷纷转换了产品线，用既有设备生产触摸屏产品；之后，我们可应用于柔性基板的电阻式触摸屏及投射电容式触摸屏制造的SmartWeb卷对卷式镀膜设备的市场需求急剧增加，而最近两年，我们为触摸屏器件生产量身定制的NewAristo及AKT Aristo Twin镀膜设备的业绩再创历史新高，显现了市场对基于薄膜基板和玻璃基板触摸屏产品需求的强劲增长。

2010年，我开始担任应用材料公司显示事业群PVD产品部的总经理，继续驰骋于触控技术的领域，不过也取道于另一种方式，即基于玻璃基板的触摸屏技术。从触控技术的应用层面上看，两种设备的工艺何其相似，两种设备的机械设计又极其不同。相似之处在于两者均采用最先进的ITO镀膜技术，均采用结合额外薄膜(如SiQ，金属等)的方式改善ITO特性，均适于投射电容式触摸屏的生产，最终用于手机及平板电脑产品。不过，两种设备的基板搬运装置迥然不同(一种是单片玻璃搬运，一种是卷对卷柔性基板搬运)，而且薄膜光学特性的优化及应用方向各有所执。例如，柔性塑料基板的触摸屏器件更薄，更轻，更耐冲击；而玻璃基板的触摸屏器件则具有更佳的透光率，更强的耐划擦性。当然，两种方式都在积极进取，不断强化短板的改进，玻璃基板变得更薄更轻，而柔性基板变得更加透明，而且通过表面镀膜的方式不断强化表面硬度。

薄膜电容篇10

[关键词] 醋酸纤维薄膜；电泳；影响因素；对策

[中图分类号] R446.11 [文献标识码] B [文章编号] 1673-7210（2011）12（a）-162-02

The common factors and corresponding measures of affecting the experiment results of the cellulose acetate membrane electrophoresis of serum protein

HE zhiying

Medical College of Yan'an University, Shaanxi Province, Yan'an 716000, China

[Abstract] Cellulose acetate film electrophoresis is widely used in clinical examination and medical experimental teaching, but many factors affect the results. The analysis discussion is directed to the various factors in the experiment and concrete measures for improvement are put forward in order to obtain the ideal map for the analysis of the clinical examination and laboratory teaching.

[Key words] Cellulose acetate membrane; Electrophoresis; Influencing factors; Countermeasure

醋酸纤维薄膜电泳是以醋酸纤维薄膜作支持物的一种区带电泳技术，因其有快速省时、分辨能力强、操作简单、成本低廉、透明后利于扫描定量及长期保持等优点，被广泛应用于血浆蛋白、脂蛋白、糖蛋白、核酸及其他生物大分子的分析检测，已成为医学和临床检验的常规技术，血清蛋白醋酸纤维薄膜电泳实验也成为了生物化学实验课程必开的基础实验项目之一。但该实验影响因素很多，每个环节的失误都会对实验结果产生影响而得不到理想的图谱，并且还造成很大浪费。笔者结合多年的实验教学经验对影响本实验结果的常见因素进行分析探讨，并提出了相应的解决对策。现报道如下：

1 电泳前准备的影响因素

1.1 醋酸纤维薄膜的因素

1.1.1 醋酸纤维薄膜的选择 醋酸纤维薄膜如果厚度不一、粗面细孔不均、脆性不一，在电泳时会出现区带不均匀、白色斑点处蛋白质不泳动而影响图谱的效果[1]。对策：①购买知名度相对高的正规厂家生产的产品；②将干膜片漂浮于电极缓冲液表面，如漂浮20 s左右时，膜片出现白斑点或条纹，应舍去不用[2]。

1.1.2 醋酸纤维薄膜的浸泡 由于醋酸纤维薄膜亲水性比较低，浸泡时间过短，不能保证膜片上有一定量的缓冲液，难以使其恢复原来多孔的网状结构，所以浸泡时间不少于30 min。浸泡时用镊子将纤维薄膜条粗面向下平稳放入缓冲液中，使其自然湿润沉下液面或用手轻摇装液外盒，不要用镊子、玻棒等器材按压纤维素薄膜沉下液面，也不要同时将多条纤维素薄膜一起放进缓冲液盒。

1.2 标本的因素

1.2.1 血清标本的新鲜度 不新鲜血清标本蛋白质电泳图谱α2与β之间可能会多出现一条粗而染色均匀的区带，也可能会出现电泳图谱区带不清晰，比较离散，甚至有拖尾现象[1]。有研究证明，在2～8℃冰箱保存血清标本，第1天与第2天标本中各蛋白质组分百分比变化无统计学意义，从第3天开始，标本中白蛋白百分比下降，α1-球蛋白、α2-球蛋白和β-球蛋白百分比上升均有统计学意义[3]。因此，必须使用新鲜的血清，如新采取血清标本不是马上用，则必须放4℃冰箱贮存保鲜，但时间最多不能超过48 h。

1.2.2 溶血标本 溶血标本中白蛋白降低，α2-球蛋白、β-球蛋白升高。严重溶血时可见α2、β球蛋白区带重叠，区带百分比增加[4]，因此应采用清亮无溶血的血清标本。

1.2.3 点样标本的替代 有文献报道，在实验教学中用鸡蛋白（鸡蛋清∶缓冲液=1∶9）代替血清作为点样样品，加样量约3 μl，可取得卵转铁蛋白、卵白蛋白、溶菌酶和卵黏蛋白4条电泳区带[5]。用鸡蛋白作为实验材料，既取材方便，又能节约成本。

1.3 缓冲液的因素

1.3.1 缓冲液的离子强度及pH值 缓冲液的离子强度应为0.06，pH应为8.6。如离子强度过低缓冲容量小，不易维持缓冲液的pH值恒定，同时导致样品所载电流增加，电泳速度加快，带电颗粒在介质上扩散严重，分辨力明显降低，区带展开延长，导致区带拖尾[6]。pH过高、过低也会影响实验结果。研究证实，随着电泳次数的增加，巴比妥缓冲液的pH发生变化，且阳极变化明显，导致电流强度、蛋白迁移率、蛋向区带均变小，故巴比妥缓冲液实验6次左右就应更换，否则会发生明显拖尾现象[7]。对策：①选择没有失效的分析纯药品；②用电子天平准确称取药品，精确到0.001 g；③配好后用pH计校正；④学生多次使用时，应在每次电泳前将正负两极的缓冲液混匀再分别加入电泳槽两极，保证缓冲液pH值稳定或重新配置新的缓冲液。

1.3.2 缓冲液的替代 巴比妥缓冲液中巴比妥有毒性，长期接触会对人体产生伤害，且实验教学中大量使用费用较贵。有实验证明，用硼酸缓冲液（离子强度：0.08；pH 8.6）代替巴比妥缓冲液能得到更清晰、更理想的电泳图谱[8-9]。硼酸缓冲液连续电泳实验10次蛋白仍可分离清晰，这样既减少了避免了巴比妥对操作者的伤害，又减少了成本。

1.4 点样的因素

点样是本实验关键的一步，点样前薄膜的准备、点样器的选择、点样位置的选择、点样的量的多少都直接影响最后图谱的效果。

1.4.1 点样前薄膜的准备 浸泡好的薄膜吸得过干，电泳时电流不易通过薄膜，样品在薄膜上流动困难，易导致电泳图谱有条痕；亦不能留存过多的缓冲液，以避免点样时血清随着缓冲液而扩散开来，导致电泳图谱分离不齐[10]。因此只要用滤纸轻轻吸取薄膜上的多余水分即可。

1.4.2 点样器的选择 传统用载玻片端面点样，因其宽度稍大于薄膜宽度，点样血清会横跨薄膜，产生明显的边缘效应，且有拖尾现象。有文献报道，用自制点样器（将宽为1.3 cm的订书针折成0.4 cm宽，抛光，再将两头插入小块有机玻璃作为手柄）得到的电泳图谱中蛋白质条带无边缘效应，也无明显拖尾现象[11]，并且可以在同一张薄膜上点样两次，在实验教学中可增加学生的训练次数。

1.4.3 点样位置的选择 点样太靠薄膜边缘，易产生边流现象；点在薄膜光泽面上，则血清不能渗入薄膜，图谱不清晰。所以应点在无光泽面距边缘1.5～2.0 cm处，点样线与薄膜短边平行。

1.4.4 点样的量 点样的量太多易导致电泳图谱分离不良或产生拖尾现象；点样的量太少会使图谱区带显色过浅。加样量的多少与电泳条件、样品的性质、染色方法与检测手段灵敏度密切相关，如电泳后要用洗脱法定量时，每厘米加样线上加样量为0.1～0.5 μl，相当于5～1 000 μg；如是血清蛋白常规电泳分离时，加样量不超过每厘米1 μl，相当于60～80 μg。对策：对每一种样品的加样量应先做预实验；点样前应在滤纸上反复练习，掌握点样技术后，再以印章法使点样后的样品呈一条线涂于纤维薄膜[12]。

2 电泳时的影响因素

2.1 搭桥

根据电泳槽裁剪大小合适的滤纸或脱脂纱布，使其对折后一端的长边能浸入缓冲液中，另一端的长边与支架前沿对齐。待滤纸完全浸透后，用玻璃棒轻轻挤压膜支架上的滤纸或纱布以驱赶气泡，使其紧贴在膜支架上[13]。

2.2 平衡

薄膜倾斜放置，电泳图谱会出现要靠近阳极越窄。薄膜搭在滤纸桥时应将无光泽面向下，点样端放在负极，加样线距离桥垫2 mm左右；膜条要紧贴滤纸桥不能有气泡；膜条要拉直，不能下垂。盖上电泳槽盖平衡10～15 min。

2.3 通电

2.3.1 通电电压电流 电压过高，图谱展开短，蛋白质各组分之间出现挤压，区分困难；反之，以低电压进行电泳时，样品泳动速度慢且易扩散，所呈现的图谱常有“拖尾”现象。总电流要根据放入膜条的多少计算后调节，如果太大会将膜条烧断[6]。按电场强度10～12 V/em（指薄膜与滤纸桥总长度），电流强度0.5～0.8 mA/em膜宽（指薄膜数目的总宽度）进行计算，并以控制电流大小为主效果较好[14]。

2.3.2 通电时间 电泳时间的长短跟室温是密切相关的，具体可待电泳区带展开3.5～4.0 cm后关闭电源。

3 电泳后的影响因素

3.1 染色

染色时间过长，薄膜底色难以脱掉，时间过短，区带不易区分；多条薄膜放入染液时重叠易致染色不良。因此薄膜应一条一条逐次放入染液，保证前一条薄膜染色固定后再放入下一条，并轻轻摇动染色杯，染色10 min即可。

3.2 漂洗

漂洗液成分主要为乙醇，易发挥，所以应密封保存或在临用前配制。为节省洗液，用镊子将薄膜从染液中取出时尽量沥去染液。另外，温度对薄膜漂洗结果也有影响，如室温过低，可将漂洗杯放入恒温水浴箱，不能超过25℃，能提高漂洗效率，又不影响实验结果[15-16]。因此，只需准备3杯漂洗液，将薄膜依次放入3份洗液中，每次5 min即可达到漂洗的目的。

综上所述，影响血清蛋白醋酸纤维薄膜电泳实验的因素很多，在实际操作过程中想要得到理想的图谱而又不造成浪费和污染，就必须选择最佳的操作条件和操作方法，尽量避免和减少上述影响因素的影响，以达到临床检验和教学实验的目的。

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