CN110579651A - 一种压电系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述金属接触结构与压电薄膜材料接触，并对压电薄膜材料施加压力，所述金属接触结构、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路。由于金属材料具有较好的刚性，因此可以保证在加力的情况下，即使接触面积比较小，金属接触结构也不会发生变形，可长时间使用。
Description
技术领域
本发明涉及压电系数测量领域，尤其涉及一种压电系数测量装置。
背景技术
压电材料的压电系数测量方法有：直接加力测量法(Berlincourt method)，激光干涉法(laser interferometer)，激光多普勒测振仪(laser scanning vibrometers)和压电力显微镜(Piezoelectric force microscopes)。其中，激光干涉法，激光多普勒测振仪和压电力显微镜法都是通过逆压电效应，即通过加电压信号使材料产生形变效果，测量压电系数，其测量精度高，但是设备昂贵，且对测量环境的要求高。直接加力测量法是利用正压电效应，即通过加力使材料产生电荷的方式，测量压电系数，这种方法虽然在测量精度方面比不上其他3种测量方法，但是测量装置的价格便宜，使用操作简单。
目前常用的加力测量法的压电系数测量装置，如中科院声学所和新加坡的Piezotest Pte.Ltd的测量装置，采用如图1所示的测试装置，通过加力将样品1夹在两个金属电极21之间，信号处理装置22通过交变信号产生振动，使样品1所受力的大小发生有规律的变化，并记录所受力的大小变化与产生电荷量间的关系，从而得出材料的d33压电系数。但是这种测量装置只用测量如图2所示的压电薄膜材料，并不能测试如图3所示的压电薄膜材料。其中，图2所述的压电薄膜材料厚度在100μm以上，电极11位于压电薄膜12的两侧。图3所示的压电薄膜材料，压电薄膜12的底部设有衬底13，电极11位于衬底13的同一侧。图3所示结构的压电薄膜材料，由于衬底的存在，对测量结果会产生较大的影响。
专利201721451425X公开了一种压电系数测量装置，包括加力结构、用于接触压电薄膜样品中第一电极接触的电极接触结构、用于连接压电薄膜样品中衬底的连接线和支撑平台，所述加力结构包括刚性部和接触部，所述刚性部与接触部连接；所述电极接触结构包括触尖部和主杆，所述触尖部的一端与主杆的一端连接，主杆的另一段与外部的电气测量系统连接，所述连接线与外部的电气测量系统连接。该专利提出用具有硬度较小的有机材料做接触部，从材料的单侧对样品加力实现测量薄膜材料压电系数的方法。但是这种测量装置具有以下缺点：
(1)有机材料的硬度较低，在接触面积较小的情况下，有机材料容易变形或损坏，因此需要频繁更换接触头；
(2)因为所用有机材料为绝缘材料，所以接触头必须和探针同时接触相同的电极才能实施测量，这无疑增大了对电极接触面积的要求，使测量环境受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种压电系数测量装置，加力装置不易发生变形，使用寿命长，检测精度高，对压电薄膜材料的损坏少。
本发明还要解决的技术问题在于，加力装置和探针不需要同时接触相同的电极，可用于检测电极面积小的压电薄膜材料。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，其特征在于，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述金属接触结构与压电薄膜材料接触，并对压电薄膜材料施加压力，所述金属接触结构、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路。
作为上述方案的改进，所述金属接触结构与压电薄膜材料的接触面是平面，所述金属接触结构的材质为金属。
作为上述方案的改进，所述弹性结构设置在金属接触结构和非极性绝缘结构之间；或者，
所述非极性绝缘结构设置在金属接触结构和弹性结构之间。
作为上述方案的改进，金属接触结构与压电薄膜材料的接触面的面积小于非极性绝缘结构平行于接触面的截面积。
作为上述方案的改进，其特征在于，所述非极性绝缘结构由有机非极性有机绝缘材料制成。
作为上述方案的改进，所述有机非极性有机绝缘材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丁基橡胶、顺丁橡胶、聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
作为上述方案的改进，所述非极性绝缘结构由含有Si、Al、Mg、W、Sr、Ca、Cd、Ba、Ti、Ta、Nb、Cu、Fe、V、Co、Zr、C、B、N和O中的一种或几种元素的无机非极性绝缘材料制成。
作为上述方案的改进，所述金属接触结构包括连接部和接触部，所述接触部与导电薄膜材料连接，所述连接部与弹性结构或非极性绝缘结构连接，所述接触部的截面积小于连接部的截面积。
作为上述方案的改进，所述探针包括第一探针，所述第一探针与压电薄膜材料的第一电极导电连接，所述金属接触结构与压电薄膜材料的第二电极导电连接，所述信号处理装置通过导线与第一探针和金属接触结构连接，以形成导电回路。
作为上述方案的改进，导电连接，所述第二探针与压电薄膜材料的第二电极导电连接，所述信号处理装置通过导线与第一探针和第二探针连接，以形成导电回路。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述金属接触结构与压电薄膜材料接触，并对压电薄膜材料施加压力，所述金属接触结构、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路。由于金属材料具有较好的刚性，因此可以保证在加力的情况下，即使接触面积比较小，金属接触结构也不会发生变形，可长时间使用。
此外，金属接触结构可以将压力均匀转移到压电薄膜材料上，避免非平行接触等原因所造成的压电薄膜的物理性损坏，而且金属接触结构的表面也不需要设置成十分光滑。
进一步地，本发明的弹性结构可以减小金属接触结构在与压电薄膜材料接触时的冲击力，避免测量时金属接触结构对压电薄膜材料造成损坏。
再进一步地，本发明的非极性绝缘结构可以保障产生的电荷集聚在金属接触结构的小部分空间，防止电荷的扩散，也可以防止外部电荷的侵入造成的影响，还可以防止测量过程中的由于绝缘材料自极化对结果造成影响，保证结果的准确性。
最后，本发明的金属接触结构在加力的同时可以作为电信号输出端使用，这样，即使第二电极的面积小于金属接触结构的接触部分的面积也可以实施测量。
附图说明
图1是现有压电系数测量装置的结构示意图；
图2是现有第一种压电薄膜材料的结构示意图；
图3是现有第二种压电薄膜材料的结构示意图；
图4是本发明压电系数测量装置第一实施例的结构示意图；
图5是本发明加力装置第一实施例的结构示意图；
图6是本发明加力装置第二实施例的结构示意图；
图7是本发明金属接触结构第一实施例的结构示意图；
图8是本发明金属接触结构第二实施例的结构示意图；
图9是本发明金属接触结构第三实施例的结构示意图；
图10是本发明压电系数测量装置第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图4，本发明提供的一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针41、信号处理装置1。
参见图5，本发明的加力装置包括金属接触结构31、弹性结构32和非极性绝缘结构33，其中，所述金属接触结构31与压电薄膜材料2接触，并对压电薄膜材料2施加压力，所述金属接触结构31、探针41、信号处理装置1与压电薄膜2材料形成导电回路。优选的，所述金属接触结构31与压电薄膜材料2的接触面是平面，所述金属接触结构31的材质为金属。
本发明加力装置的金属接触结构直接与压电薄膜材料接触，将一定的压力施加到压电薄膜上，由于金属材料具有较好的刚性，因此可以保证在加力的情况下，即使接触面积比较小，金属接触结构也不会发生变形，可长时间使用。
此外，由于金属接触结构31与压电薄膜材料2的接触面为平面，因此可以将压力均匀转移到压电薄膜材料2上，避免非平行接触等原因所造成的压电薄膜的物理性损坏，而且金属接触结构的表面也不需要设置成十分光滑。
本发明的弹性结构32可以减小金属接触结构31在与压电薄膜材料2接触时的冲击力，避免测量时金属接触结构31对压电薄膜材料造成损坏。
需要说明的是，测量时，加力引起的薄膜材料的电荷变化量非常小，在10-9C以下，任何微小的干扰都容易对结果造成偏差，本发明的非极性绝缘结构可以保障产生的电荷集聚在金属接触结构的小部分空间，防止电荷的扩散，也可以防止外部电荷的侵入造成的影响。
此外，本发明的非极性绝缘结构还可以防止测量过程中的由于绝缘材料自极化对结果造成影响，保证结果的准确性。
其中，非极性绝缘结构33平行于金属接触结构与压电薄膜材料的接触面的截面积大于金属接触结构与压电薄膜材料的接触面的面积，可以保证非极性绝缘结构的使用寿命。
优选的，所述非极性绝缘结构由有机非极性有机绝缘材料制成。所述有机非极性有机绝缘材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丁基橡胶、顺丁橡胶、聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
优选的，所述非极性绝缘结构由含有Si、Al、Mg、W、Sr、Ca、Cd、Ba、Ti、Ta、Nb、Cu、Fe、V、Co、Zr、C、B、N和O中的一种或几种元素的无机非极性绝缘材料制成。
具体的，本发明的弹性结构32设置在金属接触结构31和非极性绝缘结构33之间。优选的，本发明的弹性结构32为弹簧或弹片。
参见图6，作为本发明加力装置的另一优选方案，所述非极性绝缘结构33设置在金属接触结构31和弹性结构32之间。
参见图7至图9，所述金属接触结构31包括连接部311和接触部312，所述接触部312与导电薄膜材料连接，所述连接部311与弹性结构32或非极性绝缘结构33连接，所述接触部312的截面积小于连接部311的截面积。
需要说明的是，压电薄膜材料2包括衬底21、压电薄膜层22、第一电极23和第二电极24，第一电极23和第二电极24位于同一侧。
参见图4，本发明的探针包括第一探针41，所述第一探针41与压电薄膜材料的第一电极23导电连接，所述金属接触结构31与压电薄膜材料的第二电极24导电连接，所述信号处理1装置通过导线与第一探针41和金属接触结构31连接，以形成导电回路。
本发明的金属接触结构31由金属材料制成，具有导电特性，所以金属接触结构在加力的同时可以作为电信号输出端使用，这样，即使第二电极24的面积小于金属接触结构31的接触部分的面积也可以实施测量。
作为本发明压电系数测量装置的另一优选方案，参见图10，所述探针包括第一探针41和第二探针42，所述第一探针41与压电薄膜材料的第一电极23导电连接，所述第二探针42与压电薄膜材料的第二电极24导电连接，所述信号处理装置1通过导线与第一探针41和第二探针42连接，以形成导电回路。
本发明的信号处理装置1通过交变信号产生振动，使压电薄膜材料所受力的大小发生有规律的变化，并记录所受力的大小变化与产生电荷量间的关系，从而得出压电薄膜材料的d33压电系数。本发明的信号处理装置1为现有设备，本发明不做具体限定。
本发明压电系数测量装置的测量方法如下：
对加力装置施加一定的压力，弹性结构受到压缩产生一定的弹力，并将力传递给被测压电薄膜材料，通过记录所施加力的大小ΔF、及由探针和金属接触结构构成的回路中压电薄膜材料受力后形成的电荷量的变化ΔQ，就可以得到该压电薄膜材料的d33压电系数：d33＝ΔQ/ΔF。
本发明的压电系数测量装置，在压电薄膜材料的第二电极的面积小于金属接触结构的接触面的面积时，测量装置同样可以对压电薄膜材料进行测量。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，所述加力装置、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述弹性结构设置在金属接触结构与非极性绝缘结构之间，所述金属接触结构设置在压电薄膜材料的第二电极上，所述探针与压电薄膜材料的第一电极导电连接，所述金属接触结构由铜制成，所述非极性绝缘结构由聚四氟乙烯制成，所述信号处理装置通过导线与探针和金属接触结构导电连接，以形成回路。
实施例2
一种压电系数测量装置，包括加力装置、第一探针、第二探针、信号处理装置，所述加力装置、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述弹性结构设置在金属接触结构与非极性绝缘结构之间，所述金属接触结构设置在压电薄膜材料的第二电极上，所述第一探针与压电薄膜材料的第一电极导电连接，所述第二探针与压电薄膜材料的第二电极导电连接，所述金属接触结构由SUS304制成，所述非极性绝缘结构由氧化铝陶瓷制成，所述信号处理装置通过导线与第一探针和第二探针导电连接，以形成回路。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，其特征在于，所述加力装置包括金属接触结构、弹性结构和非极性绝缘结构，所述金属接触结构与压电薄膜材料接触，并对压电薄膜材料施加压力，所述金属接触结构、探针、信号处理装置与压电薄膜材料形成导电回路。
2.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述金属接触结构与压电薄膜材料的接触面是平面，所述金属接触结构的材质为金属。
3.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述弹性结构设置在金属接触结构和非极性绝缘结构之间；或者，
所述非极性绝缘结构设置在金属接触结构和弹性结构之间。
4.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，金属接触结构与压电薄膜材料的接触面的面积小于非极性绝缘结构平行于接触面的截面积。
5.如权利要求1～4任一项所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述非极性绝缘结构由有机非极性有机绝缘材料制成。
6.如权利要求5所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述有机非极性有机绝缘材料为聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丁基橡胶、顺丁橡胶、聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
7.如权利要求1～4任一项所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述非极性绝缘结构由含有Si、Al、Mg、W、Sr、Ca、Cd、Ba、Ti、Ta、Nb、Cu、Fe、V、Co、Zr、C、B、N和O中的一种或几种元素的无机非极性绝缘材料制成。
8.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述金属接触结构包括连接部和接触部，所述接触部与导电薄膜材料连接，所述连接部与弹性结构或非极性绝缘结构连接，所述接触部的截面积小于连接部的截面积。
9.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述探针包括第一探针，所述第一探针与压电薄膜材料的第一电极导电连接，所述金属接触结构与压电薄膜材料的第二电极导电连接，所述信号处理装置通过导线与第一探针和金属接触结构连接，以形成导电回路。
10.如权利要求1所述的压电系数测量装置，其特征在于，所述探针包括第一探针和第二探针，所述第一探针与压电薄膜材料的第一电极导电连接，所述第二探针与压电薄膜材料的第二电极导电连接，所述信号处理装置通过导线与第一探针和第二探针连接，以形成导电回路。
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