CN111044803A - 一种压电材料的压电系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电材料的压电系数测量方法，通过驱动装置来调整探头的下压速度，先通过较快的下压速度移动探头，再以较慢的下压速度准确地下压压电薄膜材料，通过对压电薄膜材料施加较小的初始压力，从而提高测量的范围和测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及压电系数测量领域，尤其涉及一种压电材料的压电系数测量方法。
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。
目前常用的测量方法采用的测试装置如图3所示，包括电磁驱动1、电极2、参考样片3、绝缘住4、探头5，具体的，将被测样品6固定在两个电极5之间，通过电磁驱动1的交变信号产生振动，使被测样品6所受力的大小发生有规律的变化，并比较由被测样品6在电容C1产生的电信号大小与已知压电系数的参考样片3在电容C2产生的电信号大小的关系得出样品1的压电系数，一般设定C1＝C2。但是这种测量装置一般只能测量厚度在100 m以上的压电陶瓷材料，而不能测量厚度在10 m以下的压电薄膜材料。
另外，为使振动信号有效的传递到被测样品6，施加在被测样品6两端的初始力大小一般在几十克以上。这种情况下测得的压电系数实际上仅为被测样品6在该力附近的压电系数，不能准确反应压电材料的真实特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种压电材料的压电系数测量方法，采用压电系数测量装置来测量压电薄膜材料，操作简单，测量范围广，测量时间短。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电材料的压电系数测量方法，采用压电系数测量装置来测量压电薄膜材料；
所述压电系数测量装置包括加力装置、探针、信号处理装置，所述探针与压电薄膜材料的电极连接，所述探针通过导线与信号处理装置连接；
所述加力装置包括探头、力传感器和驱动装置，所述力传感器与驱动装置通过导线与信号处理装置连接；
探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为H；
驱动装置驱动探头向下移动，以使探头下压压电薄膜材料，当力传感器输出给信号处理装置的信号表明探头施加给压电薄膜材料的压力大于等于F时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A，其中，所述探头在H区间下压过程中，至少一段时间内，所述探头的下压速度由快变慢。
作为上述方案的改进，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.6)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.5)a0。
作为上述方案的改进，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.3)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.2)a0。
作为上述方案的改进，所述探头的下压速度以恒定值递减。
作为上述方案的改进，所述驱动装置包括电机、传动杆和可动模块，所述电机通过传动杆与可动模块连接，所述电机通过传动杆驱动所述可移动模块移动，所述探头随所述可动模块移动。
作为上述方案的改进，所述探头包括接触部和与接触部连接的弹性件，所述接触部由导电金属制成，所述弹性件为弹簧。
作为上述方案的改进，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连接，所述第二探针与压电薄膜材料的第二电极连接，所述第一探针和第二探针通过导线与信号处理装置形成连接，以使信号处理装置获取压电薄膜材料产生的电信号。
作为上述方案的改进，所述探针与压电薄膜材料的第一电极连接，所述接触部与压电薄膜材料的第二电极连接，所述探针与接触部通过导线与信号处理装置形成连接，以使信号处理装置获取压电薄膜材料产生的电信号。
作为上述方案的改进，所述探头的初始位置与压电薄膜材料的距离大于40mm。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过驱动装置来调整探头的下压速度，先通过较快的下压速度移动探头，再以较慢的下压速度准确地下压压电薄膜材料，通过对压电薄膜材料施加较小的初始压力，从而提高测量的范围和测量效率。
此外，本发明根据所需测量力的大小，采用不同的下压速度，即能保证测量精度又能保证测量速度。若所需测量力较小，则探头的下压速度较慢，可以避免探头与被测物接触时产生的冲力过大，甚至超过所需的测量力，从而保证测量的精度；若所需测量力较大，则探头可以通过快速移动，使施加的力短时间内达到所需值，从而提高测量速度。
附图说明
图1是本发明实施例1的压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图；
图2是本发明实施例2的压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图；
图3是现有压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图。
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。
本发明提供的一种压电材料的压电系数测量方法，采用压电系数测量装置来测量压电薄膜材料；
所述压电系数测量装置包括加力装置、探针、信号处理装置，所述探针与压电薄膜材料的电极连接，所述探针通过导线与信号处理装置连接；
所述加力装置包括探头、力传感器和驱动装置，所述力传感器与驱动装置通过导线与信号处理装置连接；
探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为H；
驱动装置驱动探头向下移动，以使探头下压压电薄膜材料，当力传感器输出给信号处理装置的信号表明探头施加给压电薄膜材料的压力大于等于F时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A，其中，所述探头在H区间下压过程中，至少一段时间内，所述探头的下压速度由快变慢。
本发明通过驱动装置来调整探头的下压速度，先通过较快的下压速度移动探头，再以较慢的下压速度准确地下压压电薄膜材料，通过对压电薄膜材料施加较小的初始压力，从而提高测量的范围和测量效率。
需要说明的是，本发明压电薄膜材料的测试压力可以从较小的F0开始进行测试，并可通过加力装置来对压电薄膜材料进行加力，以达到所需的测试压力F。由于本发明压电薄膜材料的初始压力F0可以达到很小的值，因此本发明压电薄膜材料的测试范围可以很广。
进一步地，本发明根据所需测量力的大小，采用不同的下压速度，即能保证测量精度又能保证测量速度。若所需测量力较小，则探头的下压速度较慢，可以避免探头与被测物接触时产生的冲力过大，甚至超过所需的测量力，从而保证测量的精度；若所需测量力较大，则探头可以通过快速移动，使施加的力短时间内达到所需值，从而提高测量速度。
需要说明的是，探头与压电薄膜材料之间的距离、以及探头的下压速度对测量的精度起着重要的影响。本发明探头的初始下压速度为a0，当探头向下移动到一定的位置时，优选的，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.6)*H时，探头的下压速度开始变慢，优选的，所述探头的下压速度为(0.01～0.5)a0。本发明的探头在开始的时候，以较快的速度下压，这样可以减少测量时间，当探头下移到预设位置时，下压速度开始减慢，这样可以以慢的下压速度来保证压电薄膜材料获得较小的压力，从而提高测量的精度和测量范围。
更优的，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.3)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.2)a0。
需要说明的是，所述探头的下压速度还可以以恒定值递减。在本发明的其他实施例中，所述探头的下压速度还可以以非恒定值变慢。
优选的，所述探头的初始位置与压电薄膜材料的距离大于40mm，这样便于材料安装。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
参见图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1，所述探针包括第一探针21和第二探针22，所述加力装置包括探头、力传感器5和驱动装置，所述探头包括接触部31和与接触部31连接的弹性件32，所述驱动装置包括电机33、传动杆34和可移动模块35，所述可以移动模块35安装在弹性件32上，所述电机33通过传动杆34与可移动模块35连接，所述电机33通过传动杆34驱动所述可移动模块35移动，所述探头随所述可动模块35移动。
本实施例待检测的压电薄膜材料包括硅衬底41、PZT压电薄膜层42、第一电极43和第二电极44，所述第一电极43设置在硅衬底41和PZT压电薄膜层42之间，所述第二电极44设置在PZT压电薄膜层42上。
所述硅衬底41的厚度为0.5mm，PZT压电薄膜层42的厚度为2μm，第一电极43和第二电极44的厚度均为100nm。
所述第一探针21与第一电极43连接，第二探针22与第二电极44连接，所述第一探针21和第二探针22通过导线与信号处理装置1形成连接，以使信号处理装置1获取压电薄膜材料产生的电信号。
本发明探头的接触部31由不锈钢制成，所述弹性件32为弹簧。所述力传感器5和电机33通过导线与信号处理装置1形成连接，所述力传感器5向信号处理装置1发出的信号表明弹簧变形产生的力的大。
一种压电材料的压电系数测量方法，包括：
探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为50mm；
电机驱动探头向下移动，所述探头的初始下压速度为5mm/s；
当探头与压电薄膜材料之间的距离为10mm时，所述探头的下压速度为0.5mm/s；
当力传感器输出给信号处理装置的信号表明探头施加给压电薄膜材料的压力等于0.5N时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A。
本实施例通过电信号A计算出压电薄膜材料在0.5N压力下的压电系数d33。本发明所涉及到的计算方法为现有的压电系数的计算方法，本发明不做具体限定。
实施例2
参见图2，一种压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置1，所述探针包括探针2，所述加力装置包括探头、力传感器5和驱动装置，所述探头包括接触部31和与接触部31连接的弹性件32，所述驱动装置包括电机33、传动杆34和可移动模块35，所述可以移动模块35安装在弹性件32上，所述电机33通过传动杆34与可移动模块35连接。
本实施例待检测的压电薄膜材料包括导电支撑体41、BaTiO3压电陶瓷片42、第一电极43和第二电极44，所述第一电极43设置在导电支撑体41和BaTiO3压电陶瓷片42之间，所述第二电极44设置在BaTiO3压电陶瓷片42上。所述导电支撑体的厚度为0.5mm，BaTiO3压电陶瓷片42的厚度为2mm，第一电极43和第二电极44的厚度均为100nm。
本发明探头的接触部31由铜制成，所述弹性件32为弹簧。所述力传感器5连接在弹簧32上。所述探针2与导电支撑体41连接，所述接触部31与第二电极44连接，所述探针2和接触部31通过导线与信号处理装置1形成连接，以使信号处理装置1获取压电薄膜材料产生的电信号。
所述力传感器5和电机33通过导线与信号处理装置1形成连接，所述力传感器5向信号处理装置1发出的信号表明弹簧变形产生的力的大。
一种压电材料的压电系数测量方法，包括：
探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为60mm；
电机驱动探头向下移动，所述探头的下压速度为15mm/s；
当探头与压电薄膜材料之间的距离为15mm时，所述探头的下压速度为1mm/s；
当力传感器传出的信号表明探头与压电薄膜材料间的力等于1.5N时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A。
本实施例通过电信号A计算出压电薄膜材料在1.5N压力下的压电系数d33。本发明所涉及到的计算方法为现有的压电系数的计算方法，本发明不做具体限定。
本发明实施例1和实施例2中的电机为伺服电机或步进电机，但不限于此。本发明的弹性件还可以为弹片或其他具有弹性的材料。其中，本发明实施例1中弹簧的直径为10mm，线径为0.8mm，弹性系数为1N/mm；实施例2中弹簧的直径为5mm，线径为0.7mm，弹性系数为2N/mm。
实施例1的力传感器的量程为3N，实施例2的力传感器的量程为5N。
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 (9)
1.一种压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，采用压电系数测量装置来测量压电薄膜材料；
所述压电系数测量装置包括加力装置、探针、信号处理装置，所述探针与压电薄膜材料的电极连接，所述探针通过导线与信号处理装置连接；
所述加力装置包括探头、力传感器和驱动装置，所述力传感器与驱动装置通过导线与信号处理装置连接；
探头位于初始位置，测量出探头与压电薄膜材料之间的距离为H；
驱动装置驱动探头向下移动，以使探头下压压电薄膜材料，当力传感器输出给信号处理装置的信号表明探头施加给压电薄膜材料的压力大于等于F时，所述信号处理装置获取压电薄膜材料的电信号为A，
其中，所述探头在H区间下压过程中，至少一段时间内，探头的下压速度由快变慢。
2.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.6)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.5)a0。
3.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头的初始下压速度为a0，当探头与压电薄膜材料之间的距离为(0.1～0.3)*H时，所述探头的下压速度为(0.01～0.2)a0。
4.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头的下压速度以恒定值递减。
5.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述驱动装置包括电机、传动杆和可动模块，所述电机通过传动杆与可动模块连接，所述电机通过传动杆驱动所述可移动模块移动，所述探头随所述可动模块移动。
6.如权利要求5所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头包括接触部和与接触部连接的弹性件，所述接触部由导电金属制成，所述弹性件为弹簧。
7.如权利要求6所述的压电材料的压电系数测量方法，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连接，所述第二探针与压电薄膜材料的第二电极连接，所述第一探针和第二探针通过导线与信号处理装置形成连接，以使信号处理装置获取压电薄膜材料产生的电信号。
8.如权利要求7所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探针与压电薄膜材料的第一电极连接，所述接触部与压电薄膜材料的第二电极连接，所述探针与接触部通过导线与信号处理装置形成连接，以使信号处理装置获取压电薄膜材料产生的电信号。
9.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量方法，其特征在于，所述探头的初始位置与压电薄膜材料的距离大于40mm。
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| 雷明凤: "三明治型FEP_THV_FEP复合膜驻极体的制备及其性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112067913A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-12-11 | 业成科技（成都）有限公司 | 压电系数的测量系统及测量方法 |
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| CN113049889A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-29 | 佛山市卓膜科技有限公司 | 一种压电膜压电系数的检测方法、测量装置 |
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