一種測量壓電材料壓電係數d₁₅的動態諧振方法

2023-10-23 18:57:42 1

專利名稱：一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法
技術領域：
本發明屬於功能材料及測試技術研究領域，特別是涉及一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法。
背景技術：
壓電材料所具有的壓電效應使其在精密儀器、傳感器、加速度計、俘能器、致動器等微機電系統(Micro-electromechanical system, MEMS)中得到廣泛應用(Appl.Phys.Lett.92 (2008) 152901)。對MEMS器件中壓電材料的研究有助於新型功能器件的建模和設計，因此準確測量壓電材料的特性參數十分重要。目前，測量壓電材料壓電係數的方法主要分為兩大類，其原理分別利用了逆壓電效應和正壓電效應(IEEE T Ultrason.Ferr.52 (2005) 1897)。儘管壓電係數d33和d31的測量方法有很多種(IEEE T Ultrason.Ferr.54 (2007) 2562，Rev.Sc1.1nstrum.77(2006) 103903, Mater.Chem.Phys.75 (2002) 12)，但測量壓電係數 d15方法鮮有報導，d15為切向壓電常數。1.Naniwa et al.提出飛行高度控制滑塊模型，測量得到了壓電材料的壓電係數 d15(Microsyst.Technol.1619-1627 (2009) 15)。1.Kanno et al.利用雷射都卜勒振動計獲得了 PZT薄膜的壓電係數d15 (Appl.Phys.Express 2 (2009) 091402，Jpn.J.Appl.Phys.49 (2010) 09MA07)，此方法僅適用於單晶壓電薄膜壓電係數的測量；T.Aoki et al.利用掃描探針顯微鏡測量和有限元模擬獲得了多晶PZT薄膜的壓電係數 d15,其工藝複雜,不易操作(Key Engineering Materials 421-422 (2010) 95)。上述壓電係數d15測量方法，均是利用壓電材料逆壓電效應來實現的。目前尚未發現利用正壓電效應，測量壓電材料壓電係數d15的報導，正壓電效應指的是將機械能轉換成電能的效應。

發明內容
針對上述問題，本發明所涉及的一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法。利用了正壓電效應，即、通過將機械能轉換成電能效應的方法，利用懸臂梁產生共振現象時諧振電壓峰-峰值與激振電壓和頻率的關係，可測量壓電材料切向壓電係數d15。本方法具有工藝簡單、易操作的優點，且可廣泛應用於壓電陶瓷、壓電晶體、壓電薄膜材料等壓電係數d15的測量。對剪切模式壓電器件的開發應用，壓電材料設計和性能預測具有指導意義。本發明為了實現上述目的，可以使用以下技術方案:本發明提供了一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法，其特徵在於，包括下述步驟:(I)將兩塊壓電塊體進行水平極化後，兩塊壓電塊體的上表面和下表面分別貼有電極層並反向平行放置於支撐板層，製作一種共面電極結構壓電層合懸臂梁，使壓電層合懸臂梁處於d15剪切工作模式，d15為切向壓電常數；(2)通過導線將壓電層合懸臂梁與外接負載電阻連接，形成串聯測試電路；(3)搭建激勵振動裝置，調節振動器電壓、頻率和負載電阻，使壓電層合懸臂梁產生共振現象，記錄壓電層合懸臂梁的輸出電壓響應；(4)基於單自由度系統模型，建立振動方程，利用d15剪切工作模式的壓電層合懸臂梁的正壓電效應，建立方程模型:
權利要求
1.一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法，其特徵在於:包括下述步驟: (1)將兩塊壓電塊體進行水平極化後，所述兩塊壓電塊體的上表面和下表面分別貼有電極層並反向平行放置於支撐板層，製作一種共面電極結構壓電層合懸臂梁，使所述壓電層合懸臂梁處於d15剪切工作模式，所述d15為切向壓電常數； (2)通過導線將所述壓電層合懸臂梁與外接負載電阻連接，形成串聯測試電路； (3)搭建激勵振動裝置，調節所述振動裝置的電壓、頻率和所述負載電阻，使所述壓電層合懸臂梁產生共振現象，記錄所述壓電層合懸臂梁的輸出電壓響應； (4)基於單自由度系統模型，建立振動方程，利用所述d15剪切工作模式的所述壓電層合懸臂梁的正壓電效應，建立方程模型:
全文摘要
本發明公開了一種測量壓電材料壓電係數d15的動態諧振方法，包括下述步驟(1)將壓電塊體水平極化，製作一種共面電極結構壓電層合懸臂梁，使懸臂梁處於d15剪切工作模式；(2)將該壓電層合懸臂梁與外接負載連接，形成串聯測試電路；(3)搭建激勵振動裝置，調節振動器電壓、頻率和負載電阻，使懸臂梁產生共振現象，記錄輸出電壓響應；(4)利用d15工作模式壓電層合懸臂梁的正壓電效應，給出測量壓電係數d15的計算公式；(5)將懸臂梁結構尺寸、材料參數和諧振電壓響應峰-峰值代入計算公式，計算壓電係數d15。本發明涉及的方法可測量壓電材料的壓電係數d15，具有工藝簡單，易操作的優點。可用於測量壓電陶瓷、壓電晶體、壓電薄膜材料的壓電係數d15，應用範圍廣泛。
文檔編號G01R29/22GK103235200SQ20131013470
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者鄭學軍, 劉勳, 張勇, 孫靜, 程宏斌, 王獻英 申請人:上海理工大學