壓電陶瓷電特性測試與分析

1、摘  要： 通過對壓電陶瓷器件進(jìn)行阻抗測試可得到壓電振子等效電路模型參數(shù)與諧振頻率。通過對壓電陶瓷器件電容值、溫度穩(wěn)定性、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進(jìn)行測量與分析后可知：壓電陶瓷器件電特性符合一般電容器特點(diǎn)，所用連接線材在較低頻率下寄生電容不明顯，在常溫下工作較穩(wěn)定，厚度較厚的產(chǎn)品絕緣性和可靠性指標(biāo)較好。關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷；等效電路模型；電特性；可靠性0 引言壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用時，能把機(jī)械能變成電能，當(dāng)加上電壓時，又會把電能變成機(jī)械能。它通常由幾種氧化物或碳酸鹽在燒結(jié)過程中發(fā)生固相反應(yīng)而形成，其制

2、造工藝與普通的電子陶瓷相似。與其他壓電材料相比，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于摻雜、方便塑形的特點(diǎn)1，已被廣泛應(yīng)用到與人們生活息息相關(guān)的許多領(lǐng)域,遍及工業(yè)、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等。利用鐵電陶瓷的高介電常數(shù)可制作大容量的陶瓷電容器；利用其壓電性可制作各種壓電器件；利用其熱釋電性可制作人體紅外探測器；通過適當(dāng)工藝制成的透明鐵電陶瓷具有電控光特性，利用它可制作存貯，顯示或開關(guān)用的電控光特性器件。通過物理或化學(xué)方法制備的PZT、PLZT等鐵電薄膜，在電光器件、非揮發(fā)性鐵電存儲器件等有重要用途2-5。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，歐盟成員國已規(guī)定自2006年7月1日起，所有在歐盟市場上出售的電子電氣產(chǎn)品設(shè)備全部禁止使用

3、鉛、水銀、鎘、六價鉻等物質(zhì)。我國對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也是相當(dāng)重視的。因此，近年來對無鉛壓電陶瓷進(jìn)行了重點(diǎn)發(fā)展和開發(fā)。但無鉛壓電陶瓷性能相對于PZT陶瓷來說，總體性能還是不足以與PZT陶瓷相比。因此，當(dāng)前乃至今后一段時間內(nèi)壓電陶瓷首選仍將是以PZT為基的陶瓷。本文將應(yīng)用逆壓電效應(yīng)以壓電陶瓷蜂鳴片為例進(jìn)行阻抗測試、電容值、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進(jìn)行測量與分析。1 測量參數(shù)和實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)目前我國現(xiàn)有的關(guān)于壓電陶瓷材料的測試標(biāo)準(zhǔn)主要有以下：GB/T 3389-2008 壓電陶瓷材料性能測試方法GB/T 6427-1999 壓電陶瓷振子頻率溫度穩(wěn)定性的測試方法GB/T 16304-1996 壓電陶

4、瓷電場 應(yīng)變特性測試方法GB 11387-89 壓電陶瓷材料靜態(tài)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法GB 11320-89 壓電陶瓷材料性能方法（低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)壓電陶瓷材料性能的測試）GB 11312-89 壓電陶瓷材料和壓電晶體聲表面波性能測試方法GB 11310-89 壓電陶瓷材料性能測試方法相對自由介電常數(shù)溫度特性的測試壓電陶瓷蜂鳴片由一塊兩面印刷有電極的壓電陶瓷板和一塊金屬板（黃銅或不銹鋼等）組成。當(dāng)在壓電振動板的兩個電極間施加直流電壓時，由于逆壓電效應(yīng)，導(dǎo)致金屬片機(jī)械變形。因此，當(dāng)交流電壓穿過電極時，金屬片彎曲就會交替重復(fù)發(fā)生，從而在空氣中產(chǎn)生聲波，如圖1。圖1  壓電陶瓷蜂鳴片發(fā)聲原理本文將

5、應(yīng)用逆壓電效應(yīng)通過在壓電陶瓷蜂鳴片兩極間施加交變電壓，使其產(chǎn)生振動并進(jìn)入工作狀態(tài)，然后參考上述標(biāo)準(zhǔn)對壓電陶瓷蜂鳴片進(jìn)行阻抗、電容值、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進(jìn)行測量。主要工作是通過對壓電陶瓷蜂鳴片的阻抗測量找出其最大、最小阻抗頻率點(diǎn)，再以其為準(zhǔn)則確定等效電路模型參數(shù)，同時通過改變頻率觀察電容值的變化。然后再通過使用不同線材和不同的連接方式觀察對壓電陶瓷電容值測量的影響，最后再進(jìn)行溫度特性、絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓的參數(shù)測量研究其可靠性。2 測試研究開展2.1 壓電阻抗特性確定諧振頻率fr壓電振子是經(jīng)過極化處理的壓電體是彈性體，具有固有振動頻率fr。當(dāng)加在壓電振子上的電信號的頻率等于其固有振

6、動頻率fr時，壓電振子的彈性能最大，發(fā)生諧振。此外，它還具有反諧振頻率fa、串聯(lián)諧振頻率fs、并聯(lián)諧振頻率fp、最小阻抗頻率fm、最大阻抗頻率fn等重要的臨界頻率。圖2是壓電振子的等效電路模型。L1是壓電振子動態(tài)電感、C0、C1分別為靜電容和動態(tài)電容、R1為動態(tài)電阻。L1、R1、C1分別于壓電振子的質(zhì)量、內(nèi)摩擦系數(shù)和彈性常數(shù)有關(guān)，并非電學(xué)量，只是為了處理方便才模擬成電學(xué)量。模型中只有C0才是電學(xué)量。而壓電振子材料的彈性、壓電和介電常數(shù)都可以通過測量壓電振子的集合尺寸、串聯(lián)諧振頻率、材料密度和電容等參數(shù)來測定。圖2  傳統(tǒng)壓電振子當(dāng)動態(tài)電阻R1為0時，最大導(dǎo)納頻率fm和最小導(dǎo)納頻率fn

7、分別為：當(dāng)系統(tǒng)處于fm時，輸出的應(yīng)變振幅和振子上流過的電流達(dá)到最大值，此時對應(yīng)的頻率稱為最小阻抗頻率(或稱為最大導(dǎo)納頻率)。當(dāng)外加電信號的頻率繼續(xù)增大，振子輸出的電流減小，阻抗達(dá)到最大時對應(yīng)的頻率稱為最大阻抗頻率(或最小導(dǎo)納頻率)fn。即當(dāng)動態(tài)電阻R1=0時，有fm=fs=fr，fn=fp=fa。而實(shí)際情況下，此近似偏差一般小于1%6。壓電振子的阻抗|Z|與頻率的關(guān)系如圖3所示。圖3  壓電振子的阻抗|Z|與頻率的關(guān)系使用HP公司E4980A CLR測試儀分別對標(biāo)稱頻率為9 kHz的總厚度0.12 mm尺寸樣品5只和標(biāo)稱頻率為6 kHz的總厚度0.15 mm尺寸的樣品5只進(jìn)行掃頻測量

8、。找出阻抗最小和最大時的頻率點(diǎn)fm、fn，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6427-1999中的測量方法：使試樣的阻抗最小，此時頻率為諧振頻率fr，見圖4。圖4  蜂鳴片樣品阻抗測試均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試電壓1 V通過該測試可以確定0.12 mm厚度樣品的fm1=8.6 kHz，fn1=8.9 kHz，0.15 mm厚度樣品的諧振頻率為fm2=5.9 kHz，fn2=6.2 kHz。與廠家所給標(biāo)稱頻率9 kHz和6 kHz相比較，標(biāo)稱頻率更接近fn。然后以fm近似代替諧振頻率fr，并通過提高頻率觀察電容值的變化情況。圖5為0.12 mm、0.15 mm樣品的電容值測試數(shù)據(jù)，在諧振頻率fr處是使

9、電壓、電流同相位的，所測得電容值在皮法級，非常微弱，掃頻測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而此處轉(zhuǎn)換為電感值測量后可穩(wěn)定顯示，由此也可以證明其諧振頻率值近似一致。圖5  某樣品在不同頻率下電容值測試值，測試電壓1 V通過分析圖5數(shù)據(jù)，可以看出其電容測試曲線符合圖3的變化規(guī)律，然后通過逐漸提高頻率的情況下測量電容值的數(shù)據(jù)可以看出電容值隨著頻率的升高慢慢趨于穩(wěn)定，并且在相對高的頻率下電容值的變化區(qū)間越來越小，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，0.12 mm樣品靜電容C0約為11 nF，0.15 mm樣品靜電容C0約為14 nF。將以上參數(shù)代入式(1)、式(2)?？傻?.12 mm厚度樣品C0=11 nF，C1=1.15

10、nF，L1=0.63 H；0.15 mm厚度樣品C0=14 nF，C1=0.99 nF，L1=0.35 H。此外，通過對比諧振頻率點(diǎn)與廠家所標(biāo)識的頻率，發(fā)現(xiàn)所標(biāo)識的頻率應(yīng)該是其諧振頻率，只是與實(shí)際測試值存在偏差，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10709-1996（壓電陶瓷蜂鳴片總規(guī)范）中諧振頻率標(biāo)識的要求，但是對于標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于材料、結(jié)構(gòu)、電極形狀等參數(shù)，廠家卻并沒有按標(biāo)準(zhǔn)所要求的格式標(biāo)識出來。2.2 串、并聯(lián)連接測試本實(shí)驗(yàn)將從兩個尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片(0.12 mm和0.15 mm)中各取兩只樣品進(jìn)行電橋法實(shí)驗(yàn)。首先，分別測量單只樣品的電容值，然后按照串聯(lián)和并聯(lián)方式連接后進(jìn)行測量，并與串聯(lián)、并聯(lián)公式結(jié)果

11、進(jìn)行比較。串聯(lián)公式如下式（3），則0.12 mm、0.15 mm樣品的串聯(lián)計(jì)算值分別為3.34 nF、2.32 nF。并聯(lián)公式如式(4)，則0.12 mm、0.15 mm樣品的并聯(lián)計(jì)算值分別為13.35 nF、9.28 nF。參考如圖2壓電振子傳統(tǒng)等效電路模型(BVD電路)，若簡單采用并聯(lián)或者串聯(lián)連接，組件諧振頻率偏差未能考慮到，且蜂鳴片之間振子參數(shù)機(jī)械損耗、互感效應(yīng)也未能考慮，因此實(shí)際測量結(jié)果偏差較大。而通過表1數(shù)據(jù)可以得出壓電陶瓷的串、并聯(lián)電容參數(shù)還是較符合一般電容器的串、并聯(lián)公式計(jì)算結(jié)果。2.3 線材寄生電容的影響我們通常把分布在導(dǎo)線之間、線圈與機(jī)殼之間以及某些元件之間的分布電容等稱為寄

12、生電容。雖然數(shù)值不大，但很多時候往往是造成干擾的原因之一，特別是在高頻下尤其明顯。為了解連接線材寄生電容對壓電陶瓷器件的影響，分別選取0.12 mm和0.15 mm兩個尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片作為測試樣品：選取三種不同芯線徑的多股線和一種芯線徑的鍍銀線作為引線，通過改變引線長度來測量蜂鳴片的電容值。圖6  蜂鳴片連接引線電容測試通過分析圖6數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)盡管引線所用的線材、線徑、長度的差異都比較大，但是最后測量的結(jié)果互相之間的差異卻非常小，對于來自引線寄生電容的影響幾乎可以忽略不計(jì)。探究其原因可能有以下兩點(diǎn)：(1)引線所產(chǎn)生的寄生電容值約皮法級，相對于在納法級的樣品電容值而言，是微乎其微

13、的。(2)由于實(shí)驗(yàn)樣品使用的是壓電陶瓷蜂鳴片，因此測試頻率在可聽聲范圍，并不高。而恰好寄生電容在低頻下的影響并不明顯，這也是導(dǎo)致最后測出的結(jié)果與不用引線測出的結(jié)果相差甚微的原因之一。綜合來看來自引線的寄生電容，對于測量壓電陶瓷蜂鳴片這類壓電陶瓷產(chǎn)品的電容值來說影響幾乎是可以忽略不計(jì)的。2.4 溫度變化對電容值影響選0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm三種厚度的壓電陶瓷蜂鳴片，利用高低溫試驗(yàn)箱MC-711進(jìn)行-55 、25 、65 下三個溫度點(diǎn)在諧振頻率fr附近進(jìn)行測量，觀察溫度變化對壓電陶瓷電容值的影響。通過圖7測試結(jié)果，可以看出在低溫下電容值的一致性不理想，但是在常溫及以上電容值的

14、一致性卻非常理想，該情況在三種尺寸的樣品中均能體現(xiàn)，而且互相之間的變化趨勢也基本相同，在常溫下的電容值也相對比較穩(wěn)定。由此推測產(chǎn)品的溫度特性應(yīng)該是與其制造材料、生產(chǎn)工藝和配方有非常大的關(guān)系。但是由于本實(shí)驗(yàn)的溫度測量點(diǎn)相對較少，未能更充分地反應(yīng)溫度變化對電容值的影響，所以本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)研究意義并不大，更多只作為初步的參考作用，為后續(xù)對這方面更深入的探究和實(shí)驗(yàn)做基礎(chǔ)。2.5 絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓測試選取0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm這3種尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片作為實(shí)驗(yàn)樣品，使用HP公司的4339B高阻表分別測量絕緣電阻，其中0.12 mm和0.15 mm的使用100 V直流電壓測量，0

15、.27 mm的使用500 V直流測量，測試時間1 min。測試結(jié)果如表2、表3。通過對表2、表3數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)所有尺寸樣品的絕緣電阻參數(shù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10709-1996（壓電陶瓷蜂鳴片總規(guī)范）中對絕緣性能的要求，對不同尺寸的介質(zhì)耐電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比對后發(fā)現(xiàn)，尺寸更大的產(chǎn)品其絕緣性能更好，可靠性更高。3 結(jié)論本文通過實(shí)驗(yàn)得到了五個方面的結(jié)論：(1)在一級近似下，壓電振子的等效電路模型參數(shù)可以通過最小阻抗頻率fm和最大阻抗頻率fn計(jì)算得到。(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電陶瓷片是電容性元件，并且通過改變串并聯(lián)的方式找出了其疊加規(guī)律與一般電容器一致，為初次接觸壓電陶瓷這類材料的人群提供了準(zhǔn)確的參考依

16、據(jù)。(3)通過使用不同的線材、線徑和長度的引線連接壓電陶瓷蜂鳴片與測量設(shè)備，研究引線產(chǎn)生寄生電容對壓電陶瓷蜂鳴片的影響，可知引線的影響在可聽聲頻范圍內(nèi)微乎其微，對選取樣品的電容值并沒有產(chǎn)生多大的影響。(4)通過對壓電陶瓷蜂鳴片進(jìn)行溫度特性的測量，發(fā)現(xiàn)其在常溫下能獲得較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此若想提高壓電陶瓷蜂鳴片的可靠性，應(yīng)該盡量使其工作在常溫環(huán)境下。(5)最后通過對壓電陶瓷蜂鳴片絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓參數(shù)的測量了解了這些參數(shù)對產(chǎn)品可靠性的影響，并且將其結(jié)果與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所要求的對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造僅僅只是有部分參數(shù)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，雖然目前我國對壓電陶瓷材料的標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)并非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著壓電陶瓷材料的使用越來越廣泛，普及程度不斷提高，對其標(biāo)準(zhǔn)化程度和可靠性要求必然需要大幅度提高。本實(shí)驗(yàn)成果可為研究產(chǎn)品可靠性和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)人員提供一定參考依據(jù)，為我國標(biāo)準(zhǔn)化工作和提升國產(chǎn)產(chǎn)品可靠性添磚加瓦。參考文獻(xiàn)1 賃敦敏，肖定全，朱建國，等.從發(fā)明專利看無鉛壓電陶瓷的研究與發(fā)展無鉛壓電陶瓷20年發(fā)明專利分析之一J.功能材料，2003(34)：250-253.2 吳一輝，楊宜民，王立鼎.壓電定位元件的非線性及其線性化控制原理J.功能材料與器件學(xué)報，1996，2(3)：166-171.3 張濤，孫立寧，蔡鶴皋.壓電陶