多次壓電效應(yīng)對壓電力傳感器靜態(tài)特性的影響_圖文

1、收稿日期:2008209220基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50675026,50475152作者簡介:張忠華(19802,男,吉林省松原市人,博士生,主要從事傳感器與執(zhí)行器技術(shù)研究。文章編號:100422474(20090320360204多次壓電效應(yīng)對壓電力傳感器靜態(tài)特性的影響張忠華,孫寶元,錢敏,張軍,石銀輝,周喜(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024摘要:采用兩片由壓電系數(shù)d 11轉(zhuǎn)換的x y 切型壓電石英晶片構(gòu)成單元晶組,研究了多次壓電效應(yīng)對壓電傳感器的影響,通過與傳感器并聯(lián)電容的方法使其不發(fā)生多次壓電效應(yīng),得出了多次壓電效應(yīng)對傳感器靜態(tài)靈敏度的影響

2、,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在0.1F 的并聯(lián)電容下,傳感器的靈敏度從4.00pC/N 增大到4.07pC/N ,提高了1.75%,進(jìn)一步分析表明,傳感器靈敏度發(fā)生變化的實(shí)質(zhì)是多次壓電效應(yīng)影響了壓電系數(shù),同時(shí)探討了靈敏度提高后多次壓電效應(yīng)對彈性系數(shù)以及傳感器剛度和固有頻率的影響。多次壓電效應(yīng)的研究為壓電類傳感器性能的提高提供了一種新方法。關(guān)鍵詞:多次壓電效應(yīng);石英晶體;壓電傳感器;靈敏度;壓電系數(shù)中圖分類號:T H82;TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AInfluence of Multiple Piezoelectric E ffects on Static Performance of Piezoelectri

3、c SensorsZHANG Zhong 2hu a ,SUN B ao 2yuan ,QIAN Min ,ZHANG Jun ,SHI Yin 2hui ,ZH OU Xi(Key Lab.for Precision &Non 2traditional Machining Technology of Ministry of Education ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China Abstract :Through composing a piezoelectric group consisting of two

4、x y cutting 2type quartz wafers transformed by d 11,the influence of multiple piezoelectric effects on piezoelectric quartz sensors is studied.The influence of the static sensitivity of piezoelectric sensors is obtained by means of the method that a capacitor is paralleled with the sensor to elimina

5、te the multiple piezoelectric effects.The experimental result shows that sensor s static sensitivity in 2creases f rom 4.00pC/N to 4.07pC/N under 0.1F parallel capacitor ,improving sensitivity by 1.75%.Further a 2nalysis indicates that the multiple piezoelectric effects have an influence on the piez

6、oelectric coefficient that makes the sensitivity alter.Meanwhile ,the influence on the elastic coefficient and the stiffness and the natural frequency of sensors is investigated after sensitivity is improved.The study of multiple piezoelectric effects provides a new meth 2od for the improvement of p

7、erformance of piezoelectric sensors.K ey w ords :multiple piezoelectric effects ;quartz crystal ;piezoelectric sensors ;sensitivity ;piezoelectric coeffi 2cient隨著人類對微觀物質(zhì)和宇觀世界的探索不斷向新的深度和廣度拓展,對攝取信息的關(guān)鍵器件傳感器提出了更高的要求1。一直以來,人類社會不斷致力于改變信息攝取落后的現(xiàn)狀,傳感器技術(shù)成為迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一,它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。壓電式傳感器以其頻響高,體積小

8、,質(zhì)量輕,頻帶寬和應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)而備受青睞2,目前國內(nèi)外研究者仍在不懈努力地提高壓電傳感器的性能以擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)3已證明壓電體不僅存在一次壓電效應(yīng),還發(fā)生多次感生壓電效應(yīng),即在外場作用下壓電體的機(jī)械能與電能發(fā)生連續(xù)相互轉(zhuǎn)化,而且二次、三次.感生效應(yīng)影響方向總是與所施加外場方向相反,對原效應(yīng)的效果產(chǎn)生阻礙作用,因此,多次壓電效應(yīng)的存在勢必對壓電傳感器與執(zhí)行器的性能產(chǎn)生影響。靈敏度是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo),指輸出量的增量與相應(yīng)輸入量的增量之比,它已成為傳感器技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一4。本文以兩片x y 切型石英晶片組成的壓電傳感器為實(shí)驗(yàn)對象,研究了多次壓電效應(yīng)對壓電石英傳感器靜態(tài)靈敏度的影響,并在

9、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了多次壓電效應(yīng)對靈敏度影響的實(shí)質(zhì),以及壓電傳感器的靈敏度提高后多次壓電效應(yīng)對傳感器剛度和固有頻率產(chǎn)生的影響。第31卷第3期壓電與聲光Vol.31No.32009年6月PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICSJ un.20091實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)原理多次壓電效應(yīng)的產(chǎn)生與壓電體所處的邊界條件密切相關(guān)5。壓電體在外力作用下產(chǎn)生多次壓電效應(yīng)的前提是其處于電學(xué)開路邊界條件,此時(shí)通過正壓電效應(yīng)在電極面上產(chǎn)生的電荷不會流失,電極面上因有電荷累積而形成電場,那么壓電體必然會發(fā)生二次逆壓電效應(yīng),產(chǎn)生附加的壓電應(yīng)變,又引起晶體內(nèi)部的電極化發(fā)生變化,通過三次正壓

10、電效應(yīng)產(chǎn)生新的電場,壓電體中再次開始了新的機(jī)電轉(zhuǎn)換,即壓電體從只施加外應(yīng)力T開始,依次產(chǎn)生的一次及多次壓電效應(yīng)的過程為:應(yīng)力T電位移D(1應(yīng)變S(2電位移D(3應(yīng)變S(4.,由于感生效應(yīng)對原效應(yīng)所起的阻礙作用,多次壓電效應(yīng)產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)力學(xué)量的方向相反,產(chǎn)生的電學(xué)量亦然。因壓電體的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換極快,多次正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電位移疊加在一起,多次逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變也疊加在一起。可見,為了顯示出多次壓電效應(yīng)的影響,必須采取一定的方法使壓電體不發(fā)生多次壓電效應(yīng)。通過與壓電體并聯(lián)一個(gè)比它的等效電容量大得多的電容器,使壓電體在施加外力時(shí)產(chǎn)生的幾乎所有電荷都儲存于此電容器上,壓電體的電極面就沒有電荷來產(chǎn)

11、生附加電場,即壓電體上的附加電場幾乎為零,則不能發(fā)生二次逆及其后的多次壓電效應(yīng),從而就能得到不發(fā)生多次壓電效應(yīng)的壓電體。1.2實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)中的壓電體采用由壓電系數(shù)d11轉(zhuǎn)換的x y 切型壓電石英晶體6,為使實(shí)驗(yàn)效果顯著,使用兩片x y切型晶片對裝組成一個(gè)單元晶組,信號引出電極夾在兩片中間,晶組上、下電極連接在一起,石英晶組的面積為18mm×18mm,絕緣阻抗為5×1013,等效電容為19p F,d11為2.31p C/N,壓電石英傳感器的晶組結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖1所示。壓電石英傳感器并聯(lián)電容后將增加電路中的容性負(fù)載,輸出電壓就會因與電容成反比函數(shù)而變小,但傳感器所感生出來的電荷卻

12、與外接電容無關(guān),所以,該壓電測試系統(tǒng)中與壓電傳感器配接的前置放大器必須采用電荷放大器,它具有高輸入阻抗、高增益和電容深度反饋,其輸出電壓僅與傳感器上所產(chǎn)生的電荷和電荷放大級的反饋電容有關(guān),實(shí)驗(yàn)中使用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YE5850B電荷放大器,采用高質(zhì)量進(jìn)口器件,穩(wěn)定可靠,其輸入等效直流電阻可達(dá)1014。標(biāo)準(zhǔn)載荷的施加是靜態(tài)標(biāo)定的關(guān)鍵,實(shí)驗(yàn)采用高精度、高剛性的壓電石英晶體三向力傳感器靜態(tài)標(biāo)定裝置,配有三級標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)(測力環(huán),其精度為±0.3%,完全適合于石英力傳感器的標(biāo)定要求。顯示儀表采用高精度的惠普HP34401A萬用表,可提供6位數(shù)字分辨率。多次壓電效應(yīng)對壓電石英傳感器

13、靜態(tài)特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。1.3實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)采用與壓電石英傳感器并聯(lián)電容的方法來檢測多次壓電效應(yīng)對傳感器的影響,即是要測試傳感器并聯(lián)電容前后的變化情況。此外,傳感器在制作完成后對其進(jìn)行檢定也是傳感器使用的必須步驟,即通過實(shí)測來建立輸入量和輸出量之間的關(guān)系。所以實(shí)驗(yàn)需要首先對壓電傳感器與電荷放大器、數(shù)字萬用表一起組成的系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,以確定測試系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)工作正常,然后在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測試傳感器并聯(lián)電容后的結(jié)果。為消除石英晶片與電極的接觸表面間隙,實(shí)驗(yàn)過程中先對傳感器進(jìn)行預(yù)載非常必要,該壓電石英傳感器的預(yù)載力優(yōu)選結(jié)果為600N,再將其產(chǎn)生的電荷消除,然后采用逐級加載法對并聯(lián)電容前后的壓

14、電傳感器進(jìn)行標(biāo)定,最后比較傳感器在兩種情況下的差異。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1壓電傳感器靜態(tài)靈敏度的標(biāo)定結(jié)果壓電傳感器靜態(tài)靈敏度的確定是由加載裝置對傳感器施加不同外力,通過調(diào)整電荷放大器靈敏度,最終使傳感器輸出量與輸入量成為一條歸一化曲線,則待標(biāo)定傳感器的靈敏度值隨之確定。圖3為此壓電傳感器在600N預(yù)緊力下的靜態(tài)靈敏度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)曲線,通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合,得出標(biāo)定特性曲線與理論直線間的非線性度為0.37%,表明傳感器在此靈敏度下具有很好的線性,該壓電傳感器靜態(tài)靈敏度S Q=4.00pC/N。第3期張忠華等:多次壓電效應(yīng)對壓電力傳感器靜態(tài)特性的影響361 圖3壓電傳感器的靜態(tài)靈敏度標(biāo)定特性曲線2.2

15、壓電傳感器并聯(lián)電容后的靜態(tài)靈敏度標(biāo)定結(jié)果圖4為在與上述實(shí)驗(yàn)相同的環(huán)境且預(yù)載荷600N 下,壓電傳感器并聯(lián)0.1F 電容后的靜態(tài)靈敏度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)曲線。計(jì)算得出與理論直線間的非線性度為0.21%,并聯(lián)0.1F (約為該傳感器等效容量5260倍電容后的傳感器靜態(tài)靈敏度S Q =4.07pC/N 。圖4并聯(lián)0.1F 電容的壓電傳感器靜態(tài)靈敏度標(biāo)定曲線為進(jìn)一步比較壓電傳感器并聯(lián)電容前后的情況,就在此電荷放大器的靈敏度(4.07p C/N 下去掉并聯(lián)電容,再次對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表中,U c 為并聯(lián)0.1F 電容的壓電傳感器輸出,U 為無并聯(lián)電容的壓電傳感器輸出。表1傳感器在4.07

16、pC/N 靈敏度下并聯(lián)0.1F 電容前后輸出信號對比外力/N U c /VU /V-0.0473-0.01103000.25270.27016000.56170.56979000.86500.87231200 1.1667 1.17231500 1.4656 1.470718001.76601.76933討論由于壓電體存在多次感生壓電效應(yīng),并與電磁學(xué)中的楞次定律相似,具有阻礙原效應(yīng)的作用,那么其勢必對壓電類傳感器與執(zhí)行器產(chǎn)生一定的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)證明了多次壓電效應(yīng)會對壓電傳感器的靜態(tài)靈敏度產(chǎn)生影響,同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了多次壓電效應(yīng)理論。實(shí)驗(yàn)采取了在壓電傳感器上并聯(lián)電容的方法使其不發(fā)生多次壓電效應(yīng)

17、,再與無并聯(lián)電容的傳感器比較,得出了多次壓電效應(yīng)對壓電傳感器的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明并聯(lián)0.1F 電容的傳感器靜態(tài)靈敏度變化為S Q -S QS Q×100%=1.75%(1可見,多次壓電效應(yīng)的確對傳感器產(chǎn)生影響,但數(shù)值顯示其影響較小,主要是因?yàn)閴弘婓w機(jī)電變換中存在機(jī)械阻抗與電阻抗等消耗,感生效應(yīng)在尺度上逐漸變小。由表1可看出,并聯(lián)電容對傳感器產(chǎn)生的影響不大,無并聯(lián)電容的傳感器即使在4.07p C/N 的靈敏度下,其標(biāo)定特性曲線的非線性度也僅有0.5%,對于一些非嚴(yán)格要求的場合,傳感器在4.07p C/N 的靈敏度下仍可使用,且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然并聯(lián)電容可使傳感器靜態(tài)靈敏度提高,但并聯(lián)電容后使

18、電荷放大器的漂移變大,增加了測試系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此,如何在傳感器并聯(lián)電容后減小電荷放大器的漂移仍需進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)說明壓電傳感器在相同的外力下產(chǎn)生了不同的電荷量,正壓電效應(yīng)7D m =d mj T j(2式中D m (m =1,2,3,分別對應(yīng)x 、y 、z 個(gè)方向?yàn)殡娢灰?T j (j =1,2,6為應(yīng)力;d mj 為壓電應(yīng)變系數(shù),表示石英晶體受j 向力作用時(shí),在m 方向產(chǎn)生的電位移。對于該壓電石英傳感器可得電荷量Q 1=d 11F 1(3式中F 1為x 方向的外力。由式(3可知,多次壓電效應(yīng)對傳感器靜態(tài)靈敏度的影響實(shí)質(zhì)是多次壓電效應(yīng)改變了壓電體的壓電系數(shù),實(shí)際的壓電系數(shù)要比壓電體已知的壓

19、電系數(shù)大。對于一些高精度要求的場合,多次壓電效應(yīng)的影響不能忽略時(shí),壓電方程應(yīng)當(dāng)采用修正后的壓電系數(shù)以避免帶來系統(tǒng)誤差。多次壓電效應(yīng)不僅改變了壓電系數(shù),還對壓電體的彈性系數(shù)產(chǎn)生影響,若壓電體不產(chǎn)生二次逆壓電效應(yīng),就失去了對彈性變形的阻礙作用,那么在同樣的外力作用下壓電體產(chǎn)生的彈性應(yīng)變將變大,由彈性體的廣義胡克定律7S i =s ij T j(4式中S i 為應(yīng)變;s ij 為彈性柔順系數(shù);i ,j =1,2,6。由式(4可見,在增大傳感器靜態(tài)靈敏度的同時(shí),多次壓電效應(yīng)也增大了壓電體的s ij 。壓電傳感器的固有頻率f 0=12k m =12ED 28mt(5362壓電與聲光2009年式中k為壓電

20、晶體剛度,k=ED2/(8t;E為楊氏模量;D為壓電晶體直徑;t為壓電晶體厚度;m為慣性塊質(zhì)量。由式(5可知,壓電晶體的彈性柔順系數(shù)變大將使其剛度變小,導(dǎo)致壓電傳感器的固有頻率變小,由于壓電傳感器本身的固有頻率很大,且上限響應(yīng)頻率主要取決于機(jī)械部分的固有頻率,二次逆壓電效應(yīng)在尺度上又較小,所以并聯(lián)電容后壓電傳感器的上限頻率幾乎不受影響。實(shí)驗(yàn)中本應(yīng)通過測微儀檢測并聯(lián)電容前后傳感器在外力作用下的彈性位移變化,來定量得出多次壓電效應(yīng)對傳感器固有頻率的影響,但由于傳感器的形變很小,對其準(zhǔn)確測量還存在一定困難,為此仍需繼續(xù)進(jìn)行研究。4結(jié)束語傳感器是新技術(shù)革命和信息社會的重要基礎(chǔ),其技術(shù)水平從一個(gè)側(cè)面反映

21、了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、M EMS、納米技術(shù)、生物技術(shù)等高新技術(shù)的水平。本文基于多次壓電效應(yīng)主要對壓電傳感器靜態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究,采用兩片x y切型壓電石英晶片組成的壓電傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過與傳感器并聯(lián)比它的等效電容量大得多的電容器,消除了壓電傳感器中的多次壓電效應(yīng),從而得出了多次壓電效應(yīng)對傳感器靜態(tài)靈敏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,并聯(lián)電容前后傳感器的靜態(tài)靈敏度從4.00p C/N增大到4.07p C/N。理論分析表明,靈敏度產(chǎn)生變化的實(shí)質(zhì)就是多次壓電效應(yīng)影響了壓電系數(shù),同時(shí)它還影響壓電體的彈性系數(shù)及傳感器的剛度和固有頻率。壓電式傳感器的突出特點(diǎn)是具有很好的高頻響應(yīng)特性,動態(tài)性能決定了它質(zhì)量

22、的優(yōu)劣,本文探索性地研究了多次壓電效應(yīng)對壓電傳感器靜態(tài)特性的影響,為對壓電傳感器動態(tài)特性影響的研究提供了基礎(chǔ)與思路,相信隨著對多次壓電效應(yīng)研究的深入,它將在精密、超精密檢測以及微/納器件性能的改善中產(chǎn)生積極影響。參考文獻(xiàn):1MCGH EE J,H ENDERSON I A,SY DEN HAM P H.Sensor science2essentials for instrumentation and meas2 urement technologyJ.Measurement,1999,25(2:892113.2韓述斌.固體物理效應(yīng)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)J.壓電與聲光,1997,19(4:235223

23、8.3孫寶元,錢敏,張軍.機(jī)電耦合大于等于二次感生效應(yīng)探析J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,39(2:2682 273.4史麗萍,孫寶元,錢敏.二次壓電效應(yīng)的研究及利用其原理設(shè)計(jì)微驅(qū)動器的探析J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,37(11:152221525.5孫寶元,張貽恭.壓電石英力傳感器及動態(tài)切削測力儀M.北京:計(jì)量出版社,1985.6潘玉安,曹榮祥,曹良足,等.壓電陶瓷傳感器靈敏度的研究J.壓電與聲光,2005,27(2:1282130.7孫慷,張福學(xué).壓電學(xué)(上M.北京:國防工業(yè)出版社,1984.(上接第359頁參考文獻(xiàn):1常穎,彭太江,闞君武,等.超聲振動對摩擦系數(shù)影響的試驗(yàn)研究J.壓電與聲光,2003,25(6:5112514. 2趙麗,壯凌,張春林,等.壓電陶瓷控制系統(tǒng)及其在激光器中的應(yīng)用J.壓電與聲光,2007,29(5:5502 553.3林仲茂.20世紀(jì)功率超聲在國內(nèi)外的發(fā)展J.聲學(xué)技術(shù),2000,19(2:1012104.4陳思忠.我國功率超聲技術(shù)近況與應(yīng)用進(jìn)展J.聲學(xué)技術(shù)2002,21(1:46249.5王福亮,韓雷,鐘掘.鍵合時(shí)間對粗鋁絲超聲引線鍵合強(qiáng)度的影響研究J.焊接學(xué)報(bào),2006,27(5:47251.6潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教