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，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 B瓷(PiezoelectricCeramics,PZT)受到微小外力作用時，能把機械能變成電能，當加上電壓時，又會把電能變成機械能。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，其制造工藝與普通的電子陶瓷相似。與其他壓電

2、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)備全部禁止使用鉛、水銀、鎘、六價

3、銘等物質(zhì)。我國對生態(tài)環(huán)境的保護也是相當重視的。因此，近年來對無鉛壓電陶瓷進行了重點發(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)進行測量與分析。1 測量參數(shù)和實驗方法依據(jù)目前我國現(xiàn)有的關(guān)于壓電陶瓷材料的測試標準主要有以下：GB/T3389-2008 壓電陶瓷材料性能測試方法GB/T6427-1999 壓電陶瓷振子頻率溫度穩(wěn)定性的測試方法GB/T16304-1996 壓電陶瓷電場應(yīng)變特

4、性測試方法GB11387-89 壓電陶瓷材料靜態(tài)彎曲強度試驗方法GB11320-89 壓電陶瓷材料性能方法(低機械品質(zhì)因數(shù)壓電陶瓷材料性能的測試)GB11312-89 壓電陶瓷材料和壓電晶體聲表面波性能測試方法GB11310-89 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)致金屬片機械變形。因此，當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)聲原理本文將應(yīng)用逆壓電效應(yīng)通過在壓電陶瓷蜂

5、鳴片兩極間施加交變電壓，使其產(chǎn)生振動并進入工作狀態(tài)，然后參考上述標準對壓電陶瓷蜂鳴片進行阻抗、電容值、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進行測量。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，再以其為準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 fro當加在壓電振子上的電信號的頻率等于其固有振動頻率 fr 時，壓電振子

6、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。當動態(tài)電阻 R1 為 0 時，最大導(dǎo)納頻率 fm 和最小導(dǎo)納頻率 fn 分別為:當

7、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。即當動態(tài)電阻R1=0 時，有 fm=fs=fr,fn=fp=fa。而實際情況下，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 E4980ACLR測試儀分別對標稱頻率為 9kHz的總厚度 0.12mm尺寸樣品 5只和標稱頻率為 6kHz 的總厚度 0.15mm 尺寸的樣品 5 只進行掃

8、頻測量。 找出阻抗最小和最大時的頻率點 fm、 fn,按標準 GB/T6427-1999 中 6.1.2.3 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準偏差實驗數(shù)據(jù)，測試電壓 1V通過該測試可以確定 0.12mm 厚度樣品的 fm1=8.6kHz,fn1=8.9kHz,0.15mm 厚度樣品的諧振頻率為 fm2=5.9kHz,fn2=6.2kHz。與廠家所給標稱頻率 9kHz 和 6kHz 相比較，標稱頻率更接近 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 0.12mm、0.15mm 樣

9、品的電容值測試數(shù)據(jù)，在諧振頻率 fr 處是使電壓、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 1V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，通過實驗數(shù)據(jù)可知，0.12mm 樣品靜電容 C0 約為 11nF,0.15mm 樣品靜電容 C0 約為 14nF。將以上參數(shù)代入式（1） 、 式 （2） 。

10、可得 0.12mm 厚度樣品 C0=11nF,01=1.15nF,L1=0.63H;0.15mm厚度樣品 00=14nF,01=0.99nF,L1=0.35H。此外，通過對比諧振頻率點與廠家所標識的頻率，發(fā)現(xiàn)所標識的頻率應(yīng)該是其諧振頻率，只是與實際測試值存在偏差，符合行業(yè)標準 SJ/T10709-1996（壓電陶瓷蜂鳴片總規(guī)范）中諧振頻率標識的要求，但是對于標準中關(guān)于材料、結(jié)構(gòu)、電極形狀等參數(shù)，廠家卻并沒有按標準所要求的格式標識出來。2.2 串、并聯(lián)連接測試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。本實驗將從兩個

11、尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片（0.12mm 和 0.15mm）中各取兩只樣品進行電橋法實驗。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)方式連接后進行測量,并與串聯(lián)、并聯(lián)公式結(jié)果進行比較。串聯(lián)公式如下式（3）,則 0.12mm、0.15mm 樣品的串聯(lián)計算值分別為3.34nF、2.32nF。并聯(lián)公式如式，則 0.12mm、0.15mm 樣品的并聯(lián)計算值分別為13.35nF9.28nF。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,件諧振頻率偏差未能考慮到，且蜂鳴片之間振子參數(shù)機械損耗、互感效應(yīng)也未能考慮，因此實際測量結(jié)果偏差較大。而通過表 1 數(shù)據(jù)可以得出壓

12、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)公式計算結(jié)果。表1工井聯(lián)賣臉數(shù)據(jù)時）尺寸吟，crC2國默井盛01，EE 財）上|尸tj.TH鼻蛾 t3-1712.MH5 置 Lllr4.634.653SO10 用2.3 線材寄生電容的影響我們通常把分布在導(dǎo)線之間、線圈與機殼之間以及某些元件之間的分布電容等稱為寄生電容。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件的影響,分別選取 0.12mm 和 0.15mm 兩個尺寸圖 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

13、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。探究其原因可能有以下兩點：(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，是微乎其微的。(2)由于實驗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II利100015mm;單品一-233 巾即害股與-1.79 和巾事股統(tǒng)1,24mm瘍 燈純0.4S乎是可以忽略不計的。2.4 溫度變化對電容值影

14、響選 0.12mm、0.15mm、0.27mm 三種厚度的壓電陶瓷蜂鳴片，利用高低溫試驗箱MC-711 進行-55C、25C、65C 下三個溫度點在諧振頻率 fr 附近進行測量，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。但是由于本實驗的溫度測量點相對較少，未能更充分地反應(yīng)溫度變化對電容值的影響，所以本實驗的數(shù)據(jù)研究意義并不大，更多

15、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驗做基礎(chǔ)。-40-20n40aq2.5 絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓測試選取 0.12mm、0.15mm、0.27mm 這 3 種尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片作為實驗樣品，使用 HP 公司的 4339B 高阻表分別測量絕緣電阻，其中 0.12mm 和 0.15mm 的使用 100V直流電壓測量，0.27mm 的使用 500V 直流測量，測試時間 1min。測試結(jié)果如表 2、表 3。表 2 三軸規(guī)格壓電陶維螳嗚片的艷蠹數(shù)據(jù)樣品瑞塔測就詰雁,V。準偏差n.nImO.IT61741盤H表 3 三種觀情壓電陶會峰嗚片的擊穿電壓數(shù)據(jù)梯品制格擊穿電壓代派偏差0.12國）

16、0iUf曳耳0-?711通過對表 2、表 3 數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)所有尺寸樣品的名緣電阻參數(shù)符合行業(yè)標準 SJ/T10709-1996(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)論本文通過實驗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 計算得到。(2)通過實驗驗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確的參考依據(jù)。(3)通過使用不同的線材、線徑和長度的

17、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)標準所要求的對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計與制造僅僅只是有部分參數(shù)按照相關(guān)標準執(zhí)行，雖然目前我國對壓電陶瓷材料的標準大多數(shù)并非強制標準，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，對其標準化程度和可靠性要求必然需要大幅度提高。本實驗成果可為研究產(chǎn)品可靠性和制定相關(guān)標準的技術(shù)人員提供一定參考依據(jù)，為我國標準化工作和提升國產(chǎn)產(chǎn)品可靠性添穆加瓦。參考文獻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)展一入鉛壓電陶瓷 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-