压电陶瓷电特性测试与分析Word文档下载推荐.docx

压电陶瓷电特性测试与分析Word文档下载推荐.docx

《压电陶瓷电特性测试与分析Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电陶瓷电特性测试与分析Word文档下载推荐.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

0引言

　　压电陶瓷（PiezoelectricCeramics，PZT）受到微小外力作历时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。

它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结进程中发生固相反映而形成，其制造工艺与一般的电子陶瓷相似。

与其他压电材料相较，具有化学性质稳固，易于搀杂、方便塑形的特点[1]，已被普遍应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。

利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；

利用其压电性可制作各类压电器件；

利用其热释电性可制作人体红外探测器；

通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。

通过物理或化学方式制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。

　　为了爱惜生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全数禁止利用铅、水银、镉、六价铬等物质。

我国对生态环境的爱惜也是相当重视的。

因此，最近几年来对无铅压电陶瓷进行了重点进展和开发。

但无铅压电陶瓷性能相关于PZT陶瓷来讲，整体性能仍是不足以与PZT陶瓷相较。

因此，当前乃至尔后一段时刻内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。

　　本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。

1测量参数和实验方式依据

　　目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准要紧有以下：

　　GB/T3389-2020压电陶瓷材料性能测试方式

　　GB/T6427-1999压电陶瓷振子频率温度稳固性的测试方式

　　GB/T16304-1996压电陶瓷电场应变特性测试方式

　　GB11387-89压电陶瓷材料静态弯曲强度实验方式

　　GB11320-89压电陶瓷材料性能方式（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）

　　GB11312-89压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方式

　　GB11310-89压电陶瓷材料性能测试方式相对自由介电常数温度特性的测试

　　压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。

当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于逆压电效应，致使金属片机械变形。

因此，当交流电压穿过电极时，金属片弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波，如图1。

图1 

压电陶瓷蜂鸣片发声原理

　　本文将应用逆压电效应通过在压电陶瓷蜂鸣片两极间施加交变电压，使其产生振动并进入工作状态，然后参考上述标准对压电陶瓷蜂鸣片进行阻抗、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量。

要紧工作是通过对压电陶瓷蜂鸣片的阻抗测量找出其最大、最小阻抗频率点，再以其为准那么确信等效电路模型参数，同时通过改变频率观看电容值的转变。

然后再通过利用不同线材和不同的连接方式观看对压电陶瓷电容值测量的阻碍，最后再进行温度特性、绝缘电阻和介质耐电压的参数测量研究其靠得住性。

2测试研究开展

　　压电阻抗特性确信谐振频率fr

　　压电振子是通过极化处置的压电体是弹性体，具有固有振动频率fr。

当加在压电振子上的电信号的频率等于其固有振动频率fr时，压电振子的弹性能最大，发生谐振。

另外，它还具有反谐振频率fa、串联谐振频率fs、并联谐振频率fp、最小阻抗频率fm、最大阻抗频率fn等重要的临界频率。

图2是压电振子的等效电路模型。

L1是压电振子动态电感、C0、C1别离为静电容和动态电容、R1为动态电阻。

L一、R一、C1别离于压电振子的质量、内摩擦系数和弹性常数有关，并非电学量，只是为了处置方便才模拟成电学量。

模型中只有C0才是电学量。

而压电振子材料的弹性、压电和介电常数都能够通过测量压电振子的集合尺寸、串联谐振频率、材料密度和电容等参数来测定。

图2 

传统压电振子　

　当动态电阻R1为0时，最大导纳频率fm和最小导纳频率fn别离为：

　　当系统处于fm时，输出的应变振幅和振子上流过的电流达到最大值，现在对应的频率称为最小阻抗频率（或称为最大导纳频率）。

当外加电信号的频率继续增大，振子输出的电流减小，阻抗达到最大时对应的频率称为最大阻抗频率（或最小导纳频率）fn。

即当动态电阻R1=0时，有fm=fs=fr，fn=fp=fa。

而实际情形下，此近似误差一样小于1%[6]。

压电振子的阻抗|Z|与频率的关系如图3所示。

图3 

压电振子的阻抗|Z|与频率的关系

　　利用HP公司E4980ACLR测试仪别离对标称频率为9kHz的总厚度mm尺寸样品5只和标称频率为6kHz的总厚度mm尺寸的样品5只进行扫频测量。

找出阻抗最小和最大时的频率点fm、fn，按标准GB/T6427-1999中的测量方式：

使试样的阻抗最小，现在频率为谐振频率fr，见图4。

图4 

蜂鸣片样品阻抗测试均值与标准误差实验数据，@测试电压1V

　　通过该测试能够确信mm厚度样品的fm1=kHz，fn1=kHz，mm厚度样品的谐振频率为fm2=kHz，fn2=kHz。

与厂家所给标称频率9kHz和6kHz相较较，标称频率更接近fn。

　　然后以fm近似代替谐振频率fr，并通过提高频率观看电容值的转变情形。

　　图5为mm、mm样品的电容值测试数据，在谐振频率fr处是使电压、电流同相位的，所测得电容值在皮法级，超级微弱，扫频测量数据不稳固。

而此处转换为电感值测量后可稳固显示，由此也能够证明其谐振频率值近似一致。

图5 

某样品在不同频率下电容值测试值，@测试电压1V

　　通过度析图5数据，能够看出其电容测试曲线符合图3的转变规律，然后通过慢慢提高频率的情形下测量电容值的数据能够看出电容值随着频率的升高慢慢趋于稳固，而且在相对高的频率下电容值的转变区间愈来愈小，通过实验数据可知，mm样品静电容C0约为11nF，mm样品静电容C0约为14nF。

　　将以上参数代入式

（1）、式

（2）。

可得mm厚度样品C0=11nF，C1=nF，L1=H；

mm厚度样品C0=14nF，C1=nF，L1=H。

　　另外，通过对照谐振频率点与厂家所标识的频率，发觉所标识的频率应该是其谐振频率，只是与实际测试值存在误差，符合行业标准SJ/T10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总标准）中谐振频率标识的要求，可是关于标准中关于材料、结构、电极形状等参数，厂家却并无按标准所要求的格式标识出来。

　　串、并联连接测试

　　本实验将从两个尺寸的压电陶瓷蜂鸣片mm和mm）中各取两只样品进行电桥法实验。

第一，别离测量单只样品的电容值，然后依照串联和并联方式连接后进行测量，并与串联、并联公式结果进行比较。

　　串联公式如下式（3），那么mm、mm样品的串联计算值别离为nF、nF。

　　并联公式如式（4），那么mm、mm样品的并联计算值别离为nF、nF。

　　参考如图2压电振子传统等效电路模型（BVD电路），假设简单采纳并联或串联连接，组件谐振频率误差未能考虑到，且蜂鸣片之间振子参数机械损耗、互感效应也未能考虑，因此实际测量结果误差较大。

而通过表1数据能够得出压电陶瓷的串、并联电容参数仍是较符合一样电容器的串、并联公式计算结果。

　　线材寄生电容的阻碍

　　咱们通常把散布在导线之间、线圈与机壳之间和某些元件之间的散布电容等称为寄生电容。

尽管数值不大，但很多时候往往是造成干扰的缘故之一，专门是在高频下尤其明显。

为了解连接线材寄生电容对压电陶磁器件的阻碍，别离选取mm和mm两个尺寸的压电陶瓷蜂鸣片作为测试样品：

选取三种不同芯线径的多股线和一种芯线径的镀银线作为引线，通过改变引线长度来测量蜂鸣片的电容值。

图6 

蜂鸣片连接引线电容测试

　　通过度析图6数据，能够发觉尽管引线所用的线材、线径、长度的不同都比较大，可是最后测量的结果相互之间的不同却超级小，关于来自引线寄生电容的阻碍几乎能够忽略不计。

探讨其缘故可能有以下两点：

（1）引线所产生的寄生电容值约皮法级，相关于在纳法级的样品电容值而言，是微乎其微的。

（2）由于实验样品利用的是压电陶瓷蜂鸣片，因此测试频率在可听声范围，并非高。

而恰好寄生电容在低频下的阻碍并非明显，这也是致使最后测出的结果与不用引线测出的结果相差甚微的缘故之一。

　　综合来看来自引线的寄生电容，关于测量压电陶瓷蜂鸣片这种压电陶瓷产品的电容值来讲阻碍几乎是能够忽略不计的。

　　温度转变对电容值阻碍

　　选mm、mm、mm三种厚度的压电陶瓷蜂鸣片，利用高低温实验箱MC-711进行-55℃、25℃、65℃下三个温度点在谐振频率fr周围进行测量，观看温度转变对压电陶瓷电容值的阻碍。

　　通过图7测试结果，能够看出在低温下电容值的一致性不睬想，可是在常温及以上电容值的一致性却超级理想，该情形在三种尺寸的样品中均能表现，而且相互之间的转变趋势也大体相同，在常温下的电容值也相对照较稳固。

由此推测产品的温度特性应该是与其制造材料、生产工艺和配方有超级大的关系。

可是由于本实验的温度测量点相对较少，未能更充分地反映温度转变对电容值的阻碍，因此本实验的数据研究意义并非大，更多只作为初步的参考作用，为后续对这方面更深切的探讨和实验做基础。

　　绝缘电阻和介质耐电压测试

　　选取mm、mm、mm这3种尺寸的压电陶瓷蜂鸣片作为实验样品，利用HP公司的4339B高阻表别离测量绝缘电阻，其中mm和mm的利用100V直流电压测量，mm的利用500V直流测量，测试时刻1min。

测试结果如表二、表3。

　　通过对表二、表3数据的分析后发觉所有尺寸样品的绝缘电阻参数符合行业标准SJ/T10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总标准）中对绝缘性能的要求，对不同尺寸的介质耐电压数据进行比对后发觉，尺寸更大的产品其绝缘性能更好，靠得住性更高。

3结论

　　本文通过实验取得了五个方面的结论：

（1）在一级近似下，压电振子的等效电路模型参数能够通过最小阻抗频率fm和最大阻抗频率fn计算取得。

（2）通过实验验证了压电陶瓷片是电容性元件，而且通过改变串并联的方式找出了其叠加规律与一样电容器一致，为第一次接触压电陶瓷这种材料的人群提供了准确的参考依据。

　　（3）通过利用不同的线材、线径和长度的引线连接压电陶瓷蜂鸣片与测量设备，研究引线产生寄生电容对压电陶瓷蜂鸣片的阻碍，可知引线的阻碍在可听声频范围内微乎其微，对选取样品的电容值并无产生多大的阻碍。

　　（4）通过对压电陶瓷蜂鸣片进行温度特性的测量，发觉其在常温下能取得较稳固的工作状态，因此假假想提高压电陶瓷蜂鸣片的靠得住性，应该尽可能使其工作在常温环境下。

　　（5）最后通过对压电陶瓷蜂鸣片绝缘电阻和介质耐电压参数的测量了解了这些参数对产品靠得住性的阻碍，而且将其结果与国家相关标准所要求的对照，发觉产品的设计与制造仅仅只是有部份参数依照相关标准执行，尽管目前我国对压电陶瓷材料的标准大多数并非强制标准，可是随着压电陶瓷材料的利用愈来愈普遍，普及程度不断提高，对其标准化程度和靠得住性要求必然需要大幅度提高。

　　本实验功效可为研究产品靠得住性和制定相关标准的技术人员提供必然参考依据，为我国标准化工作和提升国产产品靠得住性添砖加瓦。

　　参考文献

　　[1]赁敦敏，肖定全，朱建