杜克相 潘中印 段亞玲

(東方地球物理公司裝備制造事業(yè)部 陜西西安)

壓電陶瓷的極化原理和測試方法

杜克相 潘中印 段亞玲

(東方地球物理公司裝備制造事業(yè)部 陜西西安)

壓電陶瓷材料的“鐵電性”是壓電材料的一個(gè)重要性能。對(duì)壓電陶瓷材料做極化處理,使壓電材料有了方向性,也使壓電性有一個(gè)質(zhì)的飛躍。文章介紹了有關(guān)壓電陶瓷材料的極化處理知識(shí)和壓電陶瓷的常用測量方法,以便壓電地震檢波器的設(shè)計(jì)人員在選用壓電陶瓷材料時(shí)能更方便、更準(zhǔn)確。

地震檢波器;壓電陶瓷;極化;測試方法

0 引 言

壓電地震檢波器是一種加速度檢波器,地震勘探中應(yīng)用很廣泛,尤其是海洋壓電檢波器,近年來得到大量的應(yīng)用。但是人們對(duì)壓電陶瓷的知識(shí),以及極化性能了解的并不多。本文介紹的有關(guān)壓電陶瓷方面的知識(shí),就是為了讓地震檢波器設(shè)計(jì)人員掌握和了解壓電陶瓷的性能,在設(shè)計(jì)壓電檢波器時(shí)能更好地掌握壓電陶瓷材料。

目前,壓電材料的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了人們的生活及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的眾多方面。壓電材料自從發(fā)現(xiàn)以來,發(fā)展迅速,人們已經(jīng)掌握了壓電材料的很多特性。對(duì)壓電材料的認(rèn)識(shí)大致分為三個(gè)階段:①人們僅僅認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)了壓電材料的高介電常數(shù);②認(rèn)識(shí)了壓電材料的鐵電性;③人們偶然發(fā)現(xiàn)了壓電材料的極化性能。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)BaTiO3新型壓電材料后,人們對(duì)壓電材料的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)質(zhì)的變化。在研究BaTiO3壓電材料時(shí),有人對(duì)BaTiO3材料施加一個(gè)直流偏壓后其壓電性有所增強(qiáng)。即使撤去電壓后,這種效果仍然能部分保留下來。這一發(fā)現(xiàn)開始了壓電陶瓷材料的新時(shí)代。

1 壓電陶瓷極化與電滯回路

1.1 壓電陶瓷的極化

壓電陶瓷材料沒極化前自由電子是無序排列的;極化處理后,沿極化方向產(chǎn)生剩余極化成為各向異性的多晶體,自由電子趨向一致,壓電性大大增強(qiáng)。如圖1、圖2所示,壓電陶瓷材料可以做成任意形狀、任意極化方向。極化前后的壓電陶瓷材料有著不同的介電常數(shù)ε和壓電常數(shù)d。

圖1 極化前

圖2 極化方向

設(shè)極化前的介電常數(shù):ε11=ε22=ε33。如果沿方向3對(duì)壓電材料進(jìn)行極化,另兩個(gè)電極面垂直于極化方向。極化后的介電常數(shù):ε11=ε22≠ε33,而ε33值比ε11要大得多。

壓電陶瓷的壓電常數(shù)也具有各向異性,沿不同方向壓電常數(shù) d的值也是不同的。其中沿方向3的值最大,即 d33>>d31和 d32。如果用電流計(jì)測量時(shí),只有 d33中有電流,其它兩個(gè)方向不產(chǎn)生電流。壓電陶瓷的極化同磁鐵的充磁很類似,充磁前和充磁后的磁場強(qiáng)度會(huì)發(fā)生很大的變化。

1.2 壓電陶瓷的電滯回路

壓電陶瓷是多晶體,當(dāng)其溫度高于居里溫度Tc時(shí)呈立方晶格;而當(dāng)其溫度在居里溫度Tc以下時(shí),則呈四方晶格并具有壓電性。壓電材料在溫度Tc時(shí)能改變材料內(nèi)部組織這種現(xiàn)象稱為固態(tài)相變,Tc稱為相變溫度,也稱居里溫度。不同的壓電材料,居里溫度也會(huì)不同。

如BaTiO3的居里溫度Tc為120℃,PbTiO3的居里溫度是490℃。當(dāng)溫度升高到Tc時(shí),立方晶胞的三個(gè)邊長相等,即:a=b=c,這時(shí)的電荷中心位于立方體中心,壓電陶瓷無壓電性。當(dāng)溫度低于Tc時(shí),四方晶胞的三個(gè)邊長不相等,即:a=b

對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理時(shí)顯現(xiàn)出鐵電性。二次極化后會(huì)形成一個(gè)回路曲線,見圖3所示[1]。

圖3 電滯回路曲線

圖中,Ps為自發(fā)極化強(qiáng)度;Pr為剩余極化強(qiáng)度; Ec為矯頑場強(qiáng)度。

從極化后的電滯回路曲線可以看出,它和磁滯回路的曲線很相似,所以壓電陶瓷也被稱為鐵電體。經(jīng)過第一次極化后有了剩余極化強(qiáng)度 Pr,以后每次極化時(shí),它沿著這條曲線變化。不同的壓電材料有不同的電滯回路。

將一個(gè)交變的電場施加于壓電陶瓷體上,通過示波器可以直接觀察到回滯曲線。當(dāng)電場增加到一定強(qiáng)度時(shí),極化強(qiáng)度達(dá)到飽和。其中BC段為線性增加,Ps為自發(fā)極化強(qiáng)度,這時(shí)電場為零,極化強(qiáng)度不等于零, Pr為剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)電場反向增加到 Ec時(shí),極化強(qiáng)度為零。由于 Ec點(diǎn)能使壓電陶瓷的極化強(qiáng)度為零,稱 Ec為矯頑場強(qiáng)度。當(dāng)電場反向增加時(shí),極化強(qiáng)度也反向增加。當(dāng)反向極化強(qiáng)度達(dá)到飽和后,再減小反向電場,極化強(qiáng)度就會(huì)沿著曲線 HFC線變化。

極化工藝是一個(gè)很復(fù)雜的過程,極化時(shí)不僅要有較高的電場,不同的厚度需要不同的時(shí)間,還要在較高的溫度下才能達(dá)到最佳極化效果。極化后的壓電陶瓷材料在一定的高溫下會(huì)失去極化效應(yīng),不同壓電材料有不同的失效溫度,這一點(diǎn)在選用壓電陶瓷材料時(shí)需注意。

壓電陶瓷的極化性能,是壓電檢波器設(shè)計(jì)人員必須掌握的知識(shí)。壓電陶瓷材料極化前和極化后的性能差別是很大的。

2 壓電陶瓷的測量方法

壓電陶瓷的測試方法有電測法、聲測法、力測法和光測法等,其中以電測法為常用。由于壓電材料對(duì)力較為敏感,所以在電測法中,壓電片處于力學(xué)狀態(tài)。電測法又可分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法[2]。

2.1 靜態(tài)法

靜態(tài)法是壓電材料不發(fā)生交變的情況下進(jìn)行測量的一種方法。見圖4。

圖4 靜態(tài)測試法

注:開關(guān)K的作用是為了避免加力時(shí)引起誤差。

將K先合上使壓電片短路,加壓力后再打開開關(guān)K,使電荷全部施放到電容 C上。原則上講電容 C越大越好。

靜態(tài)法主要用于測試壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)。測量時(shí)要施加一定大小和方向的力。根據(jù)壓電效應(yīng),被測試體由于變形會(huì)產(chǎn)生一定的電荷。設(shè)施加的力為F,沿垂直方向(圖2中3方向)。兩電極上產(chǎn)生的電荷為[3]:

式中,d33壓電常數(shù),(庫/牛);Q為電荷量;F為力。

圖5是被測壓電片的內(nèi)部等效電路。它由電感、電容和電阻串并聯(lián)而成,其中電阻與壓電陶瓷材料的機(jī)械損耗有關(guān)系。

圖中,L1為等效電感; R1為等效電阻;C1為動(dòng)態(tài)電容;C0為靜態(tài)電容。

用靜電計(jì)測得的電壓與電荷關(guān)系如下:

將式(1)代入式(2):

圖5 壓電陶瓷片的等效電路

式中,Q為電荷量;C0為靜態(tài)電容;C為外加并聯(lián)電容;U為電壓。

壓電常數(shù) d33是壓電陶瓷材料極化后的一個(gè)重要指標(biāo),它的大小和壓電片的靈敏度有關(guān)。

2.2 動(dòng)態(tài)法

壓電陶瓷材料制成的壓電檢波器,其主要指標(biāo)是它的諧振頻率。如果知道了它的最大阻抗頻率和最小阻抗頻率,壓電振子的的特性就一目了然。動(dòng)態(tài)測試法原理見圖6。圖中的電阻R要小于壓電振子的等效電阻R1。

圖6 簡易動(dòng)態(tài)測試法

由低頻向高頻逐步調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸入電壓的頻率,當(dāng)調(diào)節(jié)到某一頻率點(diǎn)并使壓電振子發(fā)生諧振時(shí),輸出電流最大,振子阻抗最小。稱為最小阻抗頻率,用fm表示;當(dāng)頻率繼續(xù)增大到某一頻率點(diǎn)時(shí),輸出電流最小,阻抗最大,稱為最大阻抗頻率,用fn表示。

3 結(jié)束語

極化前后的壓電陶瓷材料有著不同的介電常數(shù)ε和壓電常數(shù) d,采用簡單易行的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試法可以用來測試壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)和諧振頻率,得到壓電陶瓷振子頻率與阻抗的關(guān)系,使得地震檢波器設(shè)計(jì)人員對(duì)壓電陶瓷材料有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),給壓電檢波器設(shè)計(jì)帶來方便。但動(dòng)態(tài)測試法的缺點(diǎn)是測試結(jié)果有一定的誤差,得到的是近似值。

[1] 《壓電陶瓷應(yīng)用》電子陶瓷情報(bào)網(wǎng).壓電陶瓷應(yīng)用[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社,1985

[2] 范坤泰.壓電陶陶瓷基本知識(shí).山東大學(xué)信息學(xué)院出版社,2005

[3] 王永令,金同壽.《電子元件與材料》電子元件與材料編輯部特刊,電子工業(yè)科技情報(bào)網(wǎng),壓電陶瓷材料性能測試方法專集(特刊),1984

Du Kexiang,Pan Zhongyin and Duan Yaling.Polarizing principle of piezoceramic and its test methods.PI, 2010,24(4):32～33

Ferroelectricity is an important specification of piezoceramic material,which can be polarized to a fixed direction to improve piezoceramic′s functions.The paper introduces polarizing principle and test methods of piezoceramic material.

Geophone;piezoceramic material;polarize;test method

TN384

B

1004-9134(2010)04-0032-02

杜克相,男,1954年生,工程師,1978年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)壓力加工專業(yè),現(xiàn)在東方物探西安物探裝備分公司從事新型檢波器的研發(fā)工作。郵編:710082

2009-12-11 編輯:劉雅銘)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·