CN103526292A - 一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法，方法如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向，即Z向极化，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，其中z向为晶体的生长方向。本发明具有体积微小，可永久固定于结构表面或嵌入内部的优点。

Description

一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法。

背景技术

水平剪切波(SH波)是超声导波的一种，其中零阶水平剪切波(SH₀)无频散效应，在边界不会转换为其他类型的声波，且杂乱回波较少，可用于长距离结构的无损检测。目前水平剪切波的激发和检测主要采用磁致伸缩换能器、电磁超声换能器等，这类换能器为多元件组成的小型电子设备，体积较大，安装与使用均不方便，且无法嵌入结构内部使用，难以永久安装用于实时在线结构安全监测。目前一般的超声导波(如Lamb波等)的激励与检测可以采用体积很小的压电敏感元件来实现，这种压电敏感元件可以粘贴于结构表面或嵌入结构内部而不影响结构的力学性能，适用于长期的结构性能监测，但是这种压电敏感元件无法激发SH波。主要原因说明如下：

压电敏感元件具有压电和逆压电效应，压电效应是指该类敏感元件在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。逆压电效应是指对上述敏感元件施加电场作用时，会引起其内部正负电荷中心的相对位移而导致敏感元件发生变形。压电敏感元件中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。压电敏感元件的压电特性采用压电常数矩阵来描述，如式(1)，式中下标i表示电效应，下标j表示力效应。

$d=\left[d_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{d}_{11}& d_{12}& d_{13}& d_{14}& d_{15}& d_{16}\\ d_{21}& d_{22}& d_{23}& d_{24}& d_{25}& d_{26}\\ d_{31}& d_{32}& d_{33}& d_{34}& d_{35}& d_{36}\end{array}\right]---\left(1\right)$

目前在传感器、驱动器或换能器领域应用最广的压电敏感元件为锆钛酸铅系列压电陶瓷，这种压电陶瓷经过人工极化处理后，其典型的压电常数矩阵可写为式(2)。

$d=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 500& 0\\ 0& 0& 0& 500& 0& 0\\ 160& 160& 350& 0& 0& 0\end{array}\right]\×{10}^{-12}C/N---\left(12\right)$

可以看出，这类压电敏感元件不是在任何方向上都有压电效应，其在x和y方向上分别具有d₁₅和d₂₄的厚度剪切压电效应，在z方向上有d₃₃的纵向压电效应及d₃₁或d₃₂的横向压电效应。这是目前绝大多数基于压电效应的传感器、驱动器或换能器所使用的压电效应。激励与检测水平剪切波需要压电敏感元件的面内剪切变形，即在厚度方向上施加电场，在垂直厚度方向的平面内的剪切变形，而该变形依赖于压电常数矩阵中的系数d₃₆。一般压电敏感元件中的该系数均为0，因此无法激励与检测水平剪切波。

发明内容

本发明提出一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法，该压电敏感元件从弛豫铁电单晶材料中按一定的角度切割而来，其d₃₆压电系数不为0，即在z方向上施加电场，会在平面内发生剪切变形，这种剪切变形可以用来激励和检测水平剪切波。

一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向极化，该方向定义为坐标轴Z，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到面内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，分别对应[100]、[010]和[001]方向，其中z向为晶体的生长方向。

本发明还具有如下特征：

1、所述的弛豫铁电单晶材料为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌镁酸铅-钛酸铅或Pb(In_0.5Nb_0.5)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。

2、按如上所述的方法制作的一种面内剪切型压电敏感元件

本发明相对于目前的水平剪切波激励和检测器件，这种压电敏感元件体积微小，可永久固定于结构表面或嵌入内部。此外，该压电敏感元件的d₃₆系数(典型值为2400pC/N)相比传统的压电敏感元件的d₃₁系数(典型值为300pC/N)较大，更适用于激励较大幅值的水平剪切波，也适用于检测更微弱的水平剪切波动。

附图说明

图1为d₃₆型压电敏感晶片的极化方向和切割方向图；

图2为d₃₆型压电敏感晶片的变形后形状图；

图3为将电极制作于压电敏感晶片的表面的主视图；

图4为将电极制作于压电敏感晶片的表面的侧视图；

图5为铝板中的水平剪切导波激发图；

图6为铝板中的水平剪切导波检测图；

图7为某铝板中的水平剪切导波激发与感知试验结果图。

具体实施例

实施例1

一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，方法如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向，即Z向极化，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，其中z向为晶体的生长方向。所述的弛豫铁电单晶材料为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌镁酸铅-钛酸铅或Pb(In_0.5Nb_0.5)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。

实施例2

本发明公开的压电敏感元件切割于弛豫铁电单晶材料，如(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMNT，铌镁酸铅-钛酸铅)和Pb(In_0.5Nb_0.5)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT，铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅)，具体极化和切割方向如图1(a)所示。图中[001]、[010]、[100]及[011]等为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直。x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，其中z向为晶体的生长方向。首先将晶体沿[011]方向，即Z向极化，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，如图1(b)所示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割一定边长和厚度(如5mm×5mm×0.5mm)的正方体晶片，如图1(b)所示，该晶片即本发明所提出的压电敏感晶片，该晶片具有d₃₆的压电常数，即在厚度方向施加电场，会产生面内的剪切变形，图2所示的虚线为变形后形状。

实施例3

本发明可直接粘贴于被测结构表面，用于水平剪切导波的激发。图5给出了该压电敏感元件用于薄铝板的实施方式。首先在该压电敏感元件上下表面用锡焊或银粉导电胶连接细铜丝电极，然后将其用502等强力胶水完全粘贴于清洁后的铝板表面。待胶水完全固化，压电敏感元件牢固粘结于铝板表面后，可使用信号发生器通过铜丝电极施加指定幅值和中心频率的电压信号(如V_pp=40伏，中心频率为100kHz的五峰值窄带波形)，从而在铝板中激励出水平剪切波。

实施例4

将本发明直接粘贴于被测结构表面，用于水平剪切导波的检测。图6给出了该压电敏感元件用于薄铝板的实施方式。采用上述同样方式将本发明牢固粘结于铝板表面后，通过铜丝电极连接至示波器，当有水平剪切导波传播至本发明处，通过压电效应可在示波器中检测到铝板中的水平剪切导波。图7给出了在某铝板上由本发明激励的160kHz和200kHz的五峰值窄带波形，然后由本发明作为传感器检测到的SH₀波形的试验结果。

Claims (3)

1.一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，其特征在于，方法如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向极化，该方向定义为坐标轴Z，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到面内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，分别对应[100]、[010]和[001]方向，其中z向为晶体的生长方向。

2.根据权利要求1所述的一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，其特征在于：所述的弛豫铁电单晶材料为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌镁酸铅-钛酸铅或Pb(In_0.5Nb_0.5)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。

3.根据权利要求1或2所述的一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法制作的一种面内剪切型压电敏感元件。

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