CN111554804B - 一种分区压电元件同步极化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分区压电元件同步极化方法，属于具有压电特性材料的极化技术领域。本发明采用若干弹性伸缩探针触压压电元件上分区极化电极，并利用控制相对电压差的方式使各极化分区获得不同大小和方向的极化电压，完成了分区压电元件一次性同步极化。本发明提高了极化效率，避免了反复多次极化导致压电元件热退极化和分区极化强度不一致的问题。本发明实现了几百微米微小区域的极化，弹性伸缩探针与微小电极接触更加充分，使极化过程更稳定，避免了因受力不均导致的电极表面损伤，解决了传统极化方法对微小多分区压电元件极化时操作难、定位难等问题。同时，利用PC上位机控制高压发生器和温控单元，简化了极化过程、提高了极化质量。
Description
技术领域
本发明属于具有压电特性材料的极化技术领域，特别涉及一种分区压电元件同步极化方法。
背景技术
压电元件具有特殊的压电效应，可实现机械振动和电信号之间的互相转换，被广泛制作成各种高性能压电器件，该类器件具有传感、执行和控制等特性，在医疗诊断、结构控制、航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。
极化是使压电元件获得压电性能的重要环节，是实现压电器件各种功能特性的基础。通常情况下，极化一般是在压电元件的居里点以上施加极化电场，冷却至室温再撤去电场的过程。随着对压电器件性能要求的不断提高，通常要求单个压电元件具有多个的极化分区和极化方向。如旋转行波压电马达定子要求在相同一个环形压电元件上对称分布多个极化分区且相邻分区之间极化方向相反。目前，压电材料的极化通常使用位移台配合导电探头对压电元件进行夹持极化，或者通过平面电极覆盖极化，这些方式只能极化单个分区的压电元件，然而，对于多分区的压电元件，无法一次性同步极化，需要反复多次进行极化。反复极化会导致压电元件热退极化，造成分区极化强度不一致，而且难以实现百微米级微小分区压电元件的极化，更不能单独控制每个分区的极化电压强度、极化方向，极化设备成本较高、效率低。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种分区压电元件同步极化方法。该方法以分区压电元件的下电极作为公共端，对其设置一个高电压，调节压电元件各分区上电极的电压值，利用分区压电元件的下电极与分区上电极之间的相对电压差作为极化电压，实现各分区极化电压和极化方向的独立控制，从而完成分区压电元件一次性同步极化。本发明可以一次性同步极化多分区的压电元件，避免了反复多次极化导致压电元件热退极化和分区极化强度不一致的问题。本发明采用调节相对电压差的方法亦可实现多分区压电元件各分区的极化电压和极化方向独立控制，以满足不同压电元件的极化要求，代替了昂贵的多通电源，降低了成本。本发明采用极化弹性伸缩探针配合探针定位支架的方法可实现多个百微米级微小电极的精确定位和同步极化，提高了分区压电元件的极化质量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分区压电元件同步极化方法：首先，将分区压电元件固定在下电极连接板上，将若干个弹性伸缩探针按顺序分别触压到分区压电元件的每个分区上电极表面。其次，以下电极连接板作为公共端并对其设置一个高电压，调节每个分区对应的弹性伸缩探针输出电压，使之与公共端之间形成不同的极化电压和极化方向，以满足分区压电元件的分区极化要求。然后，根据分区压电元件的极化属性在上位机设置所需的极化总电压和极化温度的时间变化曲线，最后，在绝缘介质中完成压电元件极化，并完成极化后的压电元件的清洗、烘干。从而，实现分区压电元件的一次性同步极化。
该方法是基于一种压电元件分区极化装置实现的，该装置包括分区电压调节模块、探针调节模块和极化控制模块；
所述的分区电压调节模块包括高压发生器2、电压控制器3、分区电压显示器4、基座5、下电极连接板11、分区压电元件14和储液皿15。
所述基座5为箱式结构，基座5上表面中心处设有开口，开口下方通过镂空连接架18固定储液皿15，储液皿15与基座5之间形成一定距离以便于风冷降温；所述下电极连接板11为金属板，其固定在储液皿15内，并通过绝缘连接板17与基座5连接。所述的分区压电元件14包括由下至上依次连接的下电极、压电层和分区上电极 16；其中下电极固定在下电极连接板11上表面，多个分区上电极16设置在压电层的上表面，按照分区压电元件14的功能需求设置分区上电极16的形状和相对位置。
所述电压控制器3和分区电压显示器4设置在基座5侧面，多个电压控制器3和多个分区电压显示器4一一对应。电压控制器3设有固定端19和滑动端 20；每个电压控制器的固定端19与高压发生器2并联；其中一个电压控制器3 的滑动端作为公共端与下电极连接板11连接，其余电压控制器3的滑动端采用导线与对应的弹性伸缩探针13连接，调节滑动端的电阻可实现电压控制器3不同电压的输出；每个弹性伸缩探针13与下电极连接板11之间形成稳定可控电场，二者间的电位差值就是各分区电极的极化电压值，极化电压值通过各分区电压显示器4显示。
在储液皿15中加入液体绝缘介质，用于增加分区电场之间绝缘性，防止分区电场之间出现击穿放电现象；所述储液皿15侧壁上设有卸液口9，用于清理储液皿15内的液体绝缘介质。
所述探针调节模块包括探针定位支架6和弹性伸缩探针13。弹性伸缩探针 13安装在探针定位支架6前端，用于触压分区压电元件14的分区上电极16。多个探针调节模块的探针定位支架6呈周向固定在基座5开口周围；探针定位支架6具有万向接头，可以实现360°转动、水平方向0-15cm范围内任意位置移动和垂直方向0-10cm范围内的移动。调整探针定位支架6和弹性伸缩探针13 可实现弹性伸缩探针的探针头的微小位移变化，通过调节探针定位支架6的颈部控制弹性伸缩探针13相对于下电极连接板11的相对位置，根据分区上电极16的位置可实现弹性伸缩探针13位置的自由调节。
所述的极化控制模块包括PC上位机1、温控单元7、极化升温装置10、极化降温装置8和极化温度传感器12。所述的极化升温装置10固定在储液皿15 底部；所述的极化降温装置8固定在基座5侧面；所述的极化温度传感器12固定在下电极连接板11的侧面，用于检测压电元件极化过程中温度的变化。所述 PC上位机1与高压发生器2和温控单元7连接，温控单元7连接极化降温装置8和极化升温装置10。PC上位机1控制高压发生器2产生所需极化高压，再通过分区电压调节模块调整后应用；PC上位机1控制温控单元7的变化曲线，温控单元7控制极化升温装置10的加热时间；当高温极化过程结束后，温控单元 7控制极化升温装置10停止工作，并启动极化降温装置8工作，对储液皿15进行降温。
所述的高压发生器2具有USB接口，输出电压为0～10kV，电压分辨率为 20V以上。所述的电压控制器3为电阻分压装置，调节范围为0Ω-10MΩ。
所述下电极连接板11为不锈钢金属板，厚度为1mm，可以根据分区压电元件结构调整其形状。所述绝缘连接板17的材质为聚酰亚胺。
所述弹性伸缩探针13的伸缩范围为0-2mm，探针尖直径为100μm，可根据极化需要调整探针尖的形状尺寸；弹性伸缩探针13的数量根据分区压电元件的极化分区数量进行调节。
储液皿15中加入液体绝缘介质的粘度低于100pcs。
所述的极化升温装置10为陶瓷加热片，控制温度范围为20～400℃，升温速率为10℃/s。
采用上述装置进行同步极化的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：压电元件各分区极化电压的调节
1)在PC上位机1设定高压发生器2和温控单元7的极化参数，从而控制高压发生器2的总输出电压及极化温度的时间变化曲线。
2)将需要极化处理的分区压电元件14放到下电极连接板11上，并使分区压电元件14的下电极与下电极连接板11接触；再选择其中一个电压控制器3 的滑动端作为公共端与下电极连接板11连接，并对下电极连接板11设置一个高电压；其余电压控制器3的滑动端与对应的弹性伸缩探针13连接；调整探针定位支架6的位置，使每个弹性伸缩探针13按顺序触压到分区压电元件14的分区上电极16表面；
3)根据分区压电元件所需的极化强度和正负极化方向，调节每个电压控制器3的滑动端得到相应弹性伸缩探针电压强度，每个弹性伸缩探针13和下电极连接板11之间的电压差值即各分区电极的极化电压强度，其值通过分区电压显示器4显示，从而完成分区压电元件14每一个分区电极极化电压的设定。
步骤2：分区压电元件的极化和后处理
1)向储液皿15倒入液体绝缘介质并没过分区压电元件14，开始极化。
2)PC上位机1控制温控单元7启动极化升温装置10，并控制高压发生器 2开始工作；
3)待完成分区压电元件14的极化过程后，PC上位机1控制温控单元7启动极化降温装置8，待温度降至室温，自动控制高压发生器2关闭；通过卸液口 9放掉液体绝缘介质并向储液皿中倒入相应的溶剂，以清洗分区压电元件14和弹性伸缩探针13表面残余的液体绝缘介质；
4)将极化后的分区压电元件14在70℃下烘干10min，从而完成分区压电元件14的极化过程。
所述的液体绝缘介质为硅油、蓖麻油、大豆油或菜籽油等；溶剂为异丙醇或乙醇等。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用多个电压控制器滑动端配合若干弹性伸缩探针的方法，实现了一次性同步极化多分区的压电元件，提高了极化效率，避免了反复多次极化导致压电元件热退极化和分区极化强度不一致的问题。
(2)本发明利用单通道输出高压发生器与电压控制器并联，采用相对电压差的方法，实现了压电元件各个极化分区极化电压和极化方向的独立控制，满足了不同压电元件的极化要求，代替了昂贵的多通电源，降低了成本。
(3)本发明利用微小弹性伸缩探针配合探针定位支架，实现了几百微米微小区域的极化，弹性伸缩探针与微小电极接触更加充分，使得极化过程更加稳定。避免了因受力不均而导致的电极表面损伤以及传统极化方法对微小极化电极难操作、难定位等问题。
(4)本发明采用在充满液体绝缘介质的环境中极化的方法，极大增加了分区电极之间的绝缘性，提高了极化电压，避免了极化时电极与电极之间的击穿现象，使压电元件极化更加充分。
(5)本发明利用PC上位机控制极化高压发生器和温控单元的时间变化，极化升温、降温过程用时少、效率高、极化过程简单、可操作性高、使用范围广、结构紧凑稳定、成本低。
附图说明
图1为压电元件分区极化装置的三维示意图。
图2为图1中A-A剖视图。
图3为分区压电元件极化示意图。
图4为高压发生器与电压控制器以及电压控制器滑动端与弹性伸缩探针之间的连接示意图。
图中：1PC上位机；2高压发生器；3电压控制器；4分区电压显示器；5 基座；6探针定位支架；7温控单元；8极化降温装置；9卸液口；10极化升温装置；11下电极连接板；12极化温度传感器；13弹性伸缩探针；14分区压电元件；15储液皿；16分区上电极；17绝缘连接板；18镂空连接架；19固定端； 20滑动端。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图对本发明进一步说明。
如图1-图4所示，PC上位机1连接高压发生器2和温控单元7，控制高压发生器2的总输出电压以及极化温度的时间变化曲线。高压发生器2与电压控制器3的固定端19并联；下电极连接板11与其中一个电压控制器3的滑动端 20连接，并对其设置一个高电压；若干个弹性伸缩探针13与其余电压控制器3 的滑动端20连接，通过调节电压控制器3阻值实现弹性伸缩探针13不同大小电压输出，输出的电压通过探针定位支架6和弹性伸缩探针13作用于所需极化的- 分区压电元件 14的分区上电极16表面。弹性伸缩探针13与下电极连接板11之间的电压差即极化电压。为防止电极之间击穿，将下电极连接板11置于储液皿 15内，在储液皿15中加入液体绝缘介质。极化升温装置10置于储液皿15底部， PC上位机1控制温控单元7调节加热时间以及极化温度，当高温极化过程结束后，温控单元7控制极化升温装置10停止升温，极化降温装置8开始降温，结束后通过卸液口9排出储液皿15内的液体绝缘介质，并加入相应溶剂去除零件表面残留液体，完成烘干处理后，即可得到极化后的分区压电元件。
具体实施步骤如下:
步骤1：压电元件各分区极化电压的调节
选择“PZT厚膜环形压电定子”作为极化对象，该结构厚度约200μm，极化电极宽度约400μm，根据其功能需求，将上电极的分区为五个部分，并沿着圆周方向在环形PZT厚膜环形压电定子的表面上对称分布，要求相邻电极实现极化方向相反且极化电压大小不同。
1)在PC上位机1设定高压发生器2输出电压为4kv和温控单元7的极化温度为200℃、恒温20分钟。
2)将需要极化处理的PZT厚膜环形压电定子置于下电极连接板11上，并使其下电极与下电极连接板11相接触；再根据PZT厚膜环形压电定子所需的极化强度和极化方向，选择其中一个电压控制器3的滑动端20作为公共端与下电极连接板11连接，并对下电极连接板11设置一个2kv的高电压；其余电压控制器3的滑动端20与对应的弹性伸缩探针13连接；调整探针定位支架6的位置，使每个弹性伸缩探针13按顺序触压到分区压电元件14的分区上电极16表面。
3)分别调节其余电压控制器3的滑动端20，以改变相邻弹性伸缩探针13 的电压，弹性伸缩探针13相对于公共端相对地之间的相对电压差为极化电压，在其相应的分区电压显示器4分别显示-2kv、+2kv、-0.7kv、+2kv和-2kv时，即可完成PZT厚膜环形压电定子相邻电极极化方向相反且极化电压大小不同的要求，从而实现PZT厚膜环形压电定子不同极化分区的电压独立控制。
步骤2：分区压电元件的极化和后处理
1)完成每个弹性伸缩探针13的电压调节后，向储液皿15倒入粘度为50cps 的硅油并没过PZT厚膜环形压电定子。
2)温控单元7控制极化升温装置10开始升温至200℃，保温20min，并开始极化过程。
3)待完成极化后，PC上位机1控制温控单元7启动极化降温装置8，待温度降至室温，自动控制高压发生器2关闭。通过卸液口9放掉硅油，并向储液皿15中倒入异丙醇，溶解PZT厚膜环形压电定子和探针表面残余的硅油。启动温控单元7再次升温至60℃，保温5分钟促进硅油溶解。
4)在70℃温度条件下烘干极化后的PZT厚膜环形压电定子约10min，完成 PZT厚膜环形压电定子的极化过程。
本发明采用若干弹性伸缩探针触压压电元件上分区极化电极，并利用控制相对电压差的方式使各极化分区获得不同大小和方向的极化电压，从而完成分区压电元件一次性同步极化。本发明提高了极化效率，避免了反复多次极化导致压电元件热退极化和分区极化强度不一致的问题。本发明利用微小弹性伸缩探针配合探针定位支架，实现了几百微米微小区域的极化，弹性伸缩探针与微小电极接触更加充分，使得极化过程更加稳定，避免了因受力不均而导致的电极表面损伤，解决了传统极化方法对微小多分区压电元件极化时操作难、定位难等问题。同时，利用PC上位机控制高压发生器和温控单元，简化了极化过程、提高了极化效率和极化质量。
Claims (10)
1.一种分区压电元件同步极化方法，其特征在于，该方法是基于压电元件分区极化装置实现的，该装置包括分区电压调节模块、极化控制模块和探针调节模块；
所述的分区电压调节模块包括高压发生器(2)、多个电压控制器(3)、多个分区电压显示器(4)、基座(5)、下电极连接板(11)、分区压电元件(14)和储液皿(15)；所述基座(5)为箱式结构，基座(5)上表面中心处设有开口，开口下方固定储液皿(15)，储液皿(15)内设有下电极连接板(11)；所述电压控制器(3)和分区电压显示器(4)均设置在基座(5)侧面，且一一对应；电压控制器(3)设有固定端(19)和滑动端(20)，固定端(19)与高压发生器(2)并联；
所述探针调节模块包括探针定位支架(6)和弹性伸缩探针(13)，弹性伸缩探针(13)安装在探针定位支架(6)前端，用于触压分区上电极(16)；多个探针调节模块的探针定位支架(6)呈周向固定在基座(5)的开口周围；
所述的极化控制模块包括PC上位机(1)、温控单元(7)、极化升温装置(10)、极化降温装置(8)和极化温度传感器(12)；所述PC上位机(1)与高压发生器(2)和温控单元(7)连接，温控单元(7)与极化升温装置(10)和极化降温装置(8)连接；
采用上述装置进行同步极化的方法，包括以下步骤：
步骤1：压电元件各分区极化电压的调节
1)在PC上位机(1)设定高压发生器(2)和温控单元(7)的极化参数，从而控制高压发生器的总输出电压及极化温度的时间变化曲线；
2)将待极化处理的分区压电元件(14)放到下电极连接板(11)上，并使分区压电元件(14)的下电极与下电极连接板(11)相接触，下电极连接板(11)通过绝缘连接板(17)与基座(5)连接；再选择其中一个电压控制器(3)的滑动端与下电极连接板(11)连接，并对下电极连接板(11)设置一个高电压；其余电压控制器(3)的滑动端与对应的弹性伸缩探针(13)连接；调整探针定位支架(6)的位置，使每个弹性伸缩探针(13)触压到分区压电元件(14)的分区上电极(16)表面；
3)根据分区压电元件所需的极化强度和正负极化方向，调节各电压控制器(3)的滑动端得到相应弹性伸缩探针电压强度，每个弹性伸缩探针(13)和下电极连接板(11)之间的电压差值为各分区电极的极化电压强度，其值通过分区电压显示器(4)显示，完成分区压电元件各分区极化电压的设定；
步骤2：分区压电元件的极化和后处理
1)向储液皿(15)中倒入液体绝缘介质并没过分区压电元件(14)，开始极化；
2)PC上位机(1)控制温控单元(7)启动极化升温装置(10)，高压发生器(2)开始工作；
3)待完成分区压电元件(14)的极化过程后，PC上位机(1)控制温控单元(7)启动极化降温装置(8)，待温度降至室温，自动控制高压发生器(2)关闭，放掉液体绝缘介质并向储液皿(15)中倒入溶剂，以清洗分区压电元件和弹性伸缩探针表面残余的液体绝缘介质；
4)将极化后的分区压电元件(14)在70℃下烘干10min，完成分区压电元件的极化过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高压发生器(2)具有USB接口，输出电压为0～10kV，电压分辨率为20V以上；所述的电压控制器(3)为电阻分压装置，调节范围为0Ω-10MΩ。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弹性伸缩探针(13)的伸缩范围为0-2mm，探针尖直径为100μm；弹性伸缩探针(13)的数量根据分区压电元件的极化分区数量进行调节。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述下电极连接板(11)为不锈钢金属板，厚度为1mm，其形状根据分区压电元件的结构调整。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述下电极连接板(11)为不锈钢金属板，厚度为1mm，其形状根据分区压电元件的结构调整。
6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述的极化升温装置(10)为陶瓷加热片，控制温度范围为20～400℃，升温速率为10℃/s。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的极化升温装置(10)为陶瓷加热片，控制温度范围为20～400℃，升温速率为10℃/s。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的极化升温装置(10)为陶瓷加热片，控制温度范围为20～400℃，升温速率为10℃/s。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，液体绝缘介质的粘度低于100pcs，溶剂包括异丙醇或乙醇。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，液体绝缘介质的粘度低于100pcs，溶剂包括异丙醇或乙醇。
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