階躍激勵下壓電陶瓷響應(yīng)時間及諧振頻率的測試研究

階躍激勵下壓電陶瓷響應(yīng)時間及諧振頻率的測試研究

1880年，薄熙來和魁瑞在研究磨損材料（如石英）時發(fā)現(xiàn)了兩種電壓強度，即（正）壓電效應(yīng)和（即電擴張效應(yīng)）壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是壓電介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時,在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象,利用壓電材料的正壓電效應(yīng),可以將壓電材料制作成各種力、壓力、加速度等傳感器,受到力作用后壓電材料表面產(chǎn)生的電荷可作為能源。在外加電場作用下,逆壓電效應(yīng)將使壓電材料(PZT)發(fā)生形變。具有壓電效應(yīng)的材料有很多,包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電半導(dǎo)體、壓電高聚物、壓電復(fù)合材料及壓電液晶等,其中PZT壓電陶瓷是使用最多的壓電材料。通過控制驅(qū)動電壓,壓電功能材料能實現(xiàn)精密的位移輸出,可獲得較高的位移分辨率(精度大約10-9m),同時壓電材料輸出具有頻率響應(yīng)高、動態(tài)反應(yīng)快、承載大、性能穩(wěn)定、不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪聲及受外力干擾小等優(yōu)點。目前對于利用壓電功能材料逆壓電效應(yīng)的研究主要集中在壓電陶瓷材料作為微位移驅(qū)動器、精密定位等工作上,這方面的研究實際上只是利用了壓電功能材料逆壓電效應(yīng)中的靜態(tài)特性,而對于具有超快響應(yīng)速度和極短響應(yīng)時間等動態(tài)特性方面的研究則顯得相對落后。1壓電陶瓷性能測試快速響應(yīng)是壓電陶瓷的特點,在施加電壓和電流上升速度足夠快的條件下,其可在約為其諧振頻率周期1/3的時間內(nèi)到達相應(yīng)的位移,即t≈13f0(1)t≈13f0(1)壓電陶瓷帶有測試質(zhì)量時,諧振頻率的計算公式為f0=12π?√ΚΤΜeff(2)f0=12π?KTMeff????√(2)式中,Meff為有效質(zhì)量;KT為壓電陶瓷的剛度。實驗中壓電陶瓷所驅(qū)動的有效質(zhì)量Μeff=13?ΜΤ+Μ(3)Meff=13?MT+M(3)式中,MT為壓電陶瓷的質(zhì)量;M為壓電陶瓷上的安裝質(zhì)量,即其上附帶結(jié)構(gòu)所增加的質(zhì)量。1.1壓電陶瓷沖擊響應(yīng)特性為了檢測壓電陶瓷的響應(yīng)時間,建立了如圖1所示測試裝置。半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光光束照射在反射鏡5上,壓電陶瓷4的微小運動使反射鏡5發(fā)生偏轉(zhuǎn),反射光束也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動,壓電陶瓷很小的運動能夠引起光束照射到硅光二極管位置的較大的變化,從而使照射在硅光二極管2、3上的入射光強發(fā)生變化,一個增強、一個減弱,檢測2、3差值即可得出壓電陶瓷位移的變化。硅光二極管采用日本濱松公司的S4797-01,該器件在沒有反向電壓的條件下,上升時間小于0.2μs,其響應(yīng)速度足夠快,可以用來檢測壓電陶瓷的動態(tài)響應(yīng)。所選用的壓電陶瓷為哈工大博實精密公司的PTBS200/8×8/10型壓電陶瓷,其主要參數(shù)為:標(biāo)稱位移10μm(200V);最大位移13μm(260V);最大推力1,000N(260V);剛度80N/μm;質(zhì)量5.16g。當(dāng)壓電陶瓷上無安裝質(zhì)量時,采用上述公式(1)～(3)計算可得其響應(yīng)時間約為10μs。為了測試壓電陶瓷在階躍激勵下的快速響應(yīng)特性,設(shè)計了170V階躍電源驅(qū)動壓電陶瓷,主要元器件是大功率快速MOSFET場效應(yīng)管IRF9640。IRF9640的導(dǎo)通電阻從隔斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)(RON(max)=0.5Ω)的時間小于導(dǎo)通延遲時間(turnondelaytime)和上升時間(risetime)之和:td(on)+tr=(14+43)ns=57ns,而0.5Ω的導(dǎo)通電阻和壓電陶瓷0.90μF電容的電壓上升時間常數(shù)為:TRC=0.5×0.90×10-6=0.45×10-6s=450ns,電壓上升時間tR=td(on)+2TRC(>86%)=(57+2×450)ns=957ns<1μs。電源上升時間小于壓電陶瓷理論上升時間,從而能實現(xiàn)對壓電陶瓷的快速充電過程,保證壓電陶瓷快的響應(yīng)速度。在170V階躍激勵作用下,壓電陶瓷階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。多次測試結(jié)果顯示,從施加170V電壓到電壓陶瓷初次達到最大位移的時間tp約為15μs,說明壓電陶瓷響應(yīng)輸出時間非常短,在時域內(nèi)可以將其輸出看成一個脈沖沖量。在外部電場和壓電陶瓷自身結(jié)構(gòu)剛度作用下,壓電陶瓷沖擊激勵所產(chǎn)生的加速度輸出可以看成為一個半正弦脈沖。對于半正弦脈沖,其表達式為f(t)={0?t≤0；Esinπτt?0<t<τ;0,t≥τ.(4)f(t)=?????0?t≤0；Esinπτt?0<t<τ;0,t≥τ.(4)對式(4)進行Fourier變換,可得其頻譜函數(shù)|F(ω)|為|F(ω)|=|Eπ/τω2-(π/τ)2|√2+2cosωτ(5)|F(ω)|=∣∣Eπ/τω2?(π/τ)2∣∣2+2cosωτ?????????√(5)由于壓電陶瓷受到階躍電壓作用后其位移輸出是一個先加速后減速的過程,取壓電陶瓷輸出的加速度半正弦脈沖時間τ≈tp/2=7.5μs(如圖2),根據(jù)其頻譜函數(shù)|F(ω)|則壓電陶瓷輸出頻譜帶寬約為f=ω/2π=1.5/τ≈200kHz,壓電陶瓷沖擊激勵所能激勵的頻帶寬度BW/2π=1/τ≈130kHz。從以上分析可以看出,雖然壓電陶瓷諧振頻率較低,但其沖擊產(chǎn)生的頻帶寬度卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其諧振頻率,能產(chǎn)生很大的激勵帶寬;適當(dāng)提高壓電陶瓷諧振頻率,則其響應(yīng)時間tp將越短,可激勵的帶寬將越大。1.2壓電陶瓷加速度的測試當(dāng)壓電陶瓷上裝載有待測試件,由于受到待測試件及安裝條件的限制,壓電陶瓷的輸出會受到相應(yīng)的限制。但當(dāng)壓電陶瓷輸出位移受到限制時,其可以輸出較大的推力,壓電陶瓷輸出的推力可由下式進行近似計算F=KT·ΔL0(6)式中,ΔL0為無外力約束時壓電陶瓷的最大額定輸出位移;KT為壓電陶瓷剛度(N/m)。則壓電陶瓷對安裝在其上的待測試件所能產(chǎn)生的最大加速度為amax=FmaxΜeff(7)amax=FmaxMeff(7)式中,Fmax為壓電陶瓷輸出最大力。為了測試壓電陶瓷所能產(chǎn)生的加速度,建立了如圖3所示的測試裝置。其上安裝固定用托板質(zhì)量為1.70g,所用加速度計質(zhì)量為4.03g,即:M=5.73g,采用式(3)計算得有效質(zhì)量為:Meff=7.45g。PTBS200/8×8/10型壓電陶瓷的最大輸出力Fmax=1000N,則由公式(7)得此時壓電陶瓷所能產(chǎn)生的瞬時最大輸出加速度為amax=Fmax/Meff=1000/(7.45×10-3)=134228.2m/s2≈13682gn(gn為重力加速度單位,9.8m/s2)。在圖3所示裝置中,所采用的加速度計量程為10000gn,沖擊極限15000gn,靈敏度γ為0.0027mV/gn,其后續(xù)信號放大電路的放大倍數(shù)AF為100。對壓電陶瓷施加170V階躍電壓,測得加速度計輸出如圖4所示,加速度計輸出的電壓變化ΔV約為3.5V,則壓電陶瓷沖擊產(chǎn)生的加速度為a=ΔVγ?AF=3.50.0027×10-3×100=12.963gn(8)a=ΔVγ?AF=3.50.0027×10?3×100=12.963gn(8)壓電陶瓷產(chǎn)生沖擊加速度接近13000gn,測試結(jié)果與計算結(jié)果較為接近,測試結(jié)果顯示壓電陶瓷在階躍激勵作用下沖擊過程能產(chǎn)生很大的加速度。2微懸臂梁沖擊響應(yīng)信號測試結(jié)果從以上分析可以看出,壓電陶瓷沖擊響應(yīng)能產(chǎn)生很寬的激勵帶寬,且其輸出加速度很大。雖然壓電陶瓷諧振頻率較低,但其沖擊激勵所能產(chǎn)生的頻帶寬度卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其諧振頻率帶寬。MEMS微器件由于尺寸小、材料彈性模量大,其諧振頻率較高,利用壓電陶瓷作為沖擊激勵產(chǎn)生的激勵帶寬可以滿足諸如MEMS等微結(jié)構(gòu)動態(tài)測試激勵的要求;且適當(dāng)提高壓電陶瓷的諧振頻率,則其響應(yīng)時間tp將越短,可激勵的帶寬將越大。利用壓電陶瓷在階躍激勵下沖擊激勵能產(chǎn)生較大激勵帶寬的特點,本文建立了基于壓電陶瓷的底座激勵裝置,測試了幾種典型MEMS微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。針對圖5所示的壓電微懸臂梁,建立了圖6所示基于底座激勵的微結(jié)構(gòu)動態(tài)測試裝置。懸臂梁為多層結(jié)構(gòu),采用MEMS工藝制作。壓電微懸臂梁通過粘接的方式固定在壓電陶瓷底座激勵裝置上,從芯片引線至電荷放大器,電荷放大器輸出電壓信號由計算機采集、分析。采用比對法,測試了圖5所示1#、2#壓電微懸臂梁諧振頻率。實驗過程中為了確定壓電微懸臂梁的諧振頻率,首先接如圖5所示1#梁的輸出至電荷放大器,在170V電壓階躍激勵下壓電陶瓷產(chǎn)生沖擊激勵,采集1#梁的響應(yīng)信號。圖7(a)為壓電微懸臂梁受到?jīng)_擊激勵后的響應(yīng)曲線,圖7(b)是對上述沖擊響應(yīng)信號進行FFT分析后得到的頻譜圖。從圖中可以看出,1#梁的沖擊響應(yīng)譜中主要有兩個峰值:8.51kHz、47.78kHz。將圖5中1#梁與2#梁的輸出電極接在一起,使兩個梁的輸出信號疊加輸出。在相同條件下,進行了多次沖擊實驗,1#&2#梁沖擊響應(yīng)輸出及頻譜分析如圖8所示。從圖中可以看出,8.51kHz、47.78kHz的峰值仍然存在,但多出一個新的峰值53.32kHz。由于整個實驗過程中條件保持不變,只是將2#梁的輸出引入,因此可以判定新出現(xiàn)的53.32kHz的峰值是2#梁引入的。為了確定1#梁的諧振頻率,斷開1#梁,僅測量2#梁沖擊響應(yīng)輸出。沖擊響應(yīng)信號及相應(yīng)的頻譜分析如圖9所示。從圖中可以看出47.78kHz的峰值已經(jīng)不再存在,而8.51kHz峰值仍在,只是其頻譜幅值變小。根據(jù)測試結(jié)果可以判定47.78kHz為1#梁的諧振頻率,2#梁的諧振頻率為53.32kHz。結(jié)合壓電微懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸,采用有限元分析,也可確定1#、2#微梁的諧振頻率。1#梁10次測試實驗顯示測試結(jié)果分布平穩(wěn),均集中在47.78kHz附近,最大變化0.015kHz,沒有大的波動,說明了基于底座激勵的測試方法較為準(zhǔn)確。采用上述底座激勵裝置,針對圖10所示的壓阻式微機械加速度傳感器結(jié)構(gòu),對壓電陶瓷施加90V階躍激勵電壓實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的沖擊激勵,采用有限元分析與測試相結(jié)合的微結(jié)構(gòu)動態(tài)測試方法,本文測試了其動態(tài)特性。壓阻式微機械加速度傳感器輸出信號放大后由計算機采集、分析。微機械加速度傳感器結(jié)構(gòu)典型沖擊響應(yīng)與頻譜分析曲線如圖11所示,結(jié)果中有兩個峰值頻率:15.65kHz、36.88kHz,如圖11(b)所示。根據(jù)其尺寸,結(jié)合有限元計算結(jié)果,確定該微機械加速度傳感器諧振頻率為15.65kHz。通過比對測試,可以確定36.88kHz的峰值是由于測試裝置引入的。通過上述實驗,驗證了壓電陶瓷沖擊激勵應(yīng)用在MEMS微結(jié)構(gòu)動態(tài)測試上的可行性,且整套裝置簡單、成本低。同時,對壓電陶瓷沖擊輸出特性的研究可以看出,壓電陶瓷瞬時沖擊輸出加速速度能達到上萬gn,其輸出加速度可以作為加速度傳感器,特別是高g值加速度傳感器靈敏度測試的一種有效手段。3壓電陶瓷動態(tài)測試方法針對壓電材料在逆壓電效應(yīng)下具有