CN113049889B - 一种压电膜压电系数的检测方法、测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电膜压电系数的检测方法、测量装置，所述检测方法包括以下步骤：S1、采集压电膜样品在第一状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元靠近或轻微接触压电膜样品时，该状态为第一状态；S2、采集压电膜样品在第二状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元对压电膜样品施加预设压力时，该状态为第二状态；S3、至少重复步骤S1和步骤S2一次；S4、根据两种状态下的压力差和电压差，获得压电膜样品的压电系数。本发明的检测方法操作简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及压电系数的检测方法，尤其涉及一种压电膜压电系数的检测方法、测量装置。
背景技术
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，而压电材料最重要的参数就是压电系数D33。
目前压电材料压电系数的测量方法有：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，虽然其测量精度高，但是设备昂贵，且对测量环境要求高。
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来测量压电系数，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，如图1所示，包括电磁驱动1、参考材料上下电极2、参考材料3、绝缘住4、上下测试探头5和被测材料6，其测量原理如下：将被测材料和参考材料串联，施以一定预压力进行固定，然后对参考材料和被测材料同时施加一小量的交变力，测量与被测材料和参考材料相连的电容C1和C2端的电压V1和V2，如果C1＝C2，则被测样品的压电系数D33与参考材料的压电系数D33’之间存在如下关系：D33＝(V1/V2)*D33’，参考样品的压电系数D33’已知的情况下就可以得到被测样品的压电系数D33。
上述的测量方法有一个前提条件，即要求C1＝C2>100CT，(CT为参考或被测样品的自由电容，其中，自由电容(CT)是指压电器件在1kHz频率下的电容值，此值和数字电容表测得的值是一致的。自由电容CT减去动态电容C1就可以得到真正的静电容C0，C0＝CT－C1，使用时要以电感对C0进行平衡。在清洗机或超声加工机器的电路设计中，正确地平衡C0可以提高电源的功率因素，使用电感平衡有两种方法，并联调谐和串联调谐，即样品自身的电容量对整体电路的影响要足够小。C1，C2如果选择太大，则输出电压会过小，容易被噪声覆盖，所以C1，C2的电容一般选1μF，即要求被测样品的电容要小于10nF。当被测样品的电容接近或大于10nF时，将不适应。参考材料一般为mm级厚度的压电陶瓷片，仅适合于如图2所示，厚度100um以上的压电陶瓷片，但不适合测量具有如图3所示压电薄膜材料的压电系数，这主要是由于衬底的存在，测量过程中衬底材料及薄膜自身的电容会对结果产生较大的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种压电膜压电系数的检测方法，操作简单，测量精度高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种压电膜压电系数的检测方法，可测量不同结构的压电膜。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种压电膜压电系数的测量装置，结构简单，成本低，测量精度高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电膜压电系数的检测方法，包括以下步骤：
S1、采集压电膜样品在第一状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元靠近或轻微接触压电膜样品时，该状态为第一状态；
S2、采集压电膜样品在第二状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元对压电膜样品施加预设压力时，该状态为第二状态；
S3、至少重复步骤S1和步骤S2一次；
S4、根据两种状态下的压力差和电压差，获得压电膜样品的压电系数。
作为上述方案的改进，采用测量装置来检测所述压电膜样品，所述测量装置包括施力单元、移动检测单元和信号处理单元；所述移动检测单元与施力单元连接，并可带动施力单元移动；所述信号处理单元与压电膜样品连接，用于采集压电膜样品的电压信号；所述信号处理单元与移动检测单元连接，用于控制移动检测单元的移动。
作为上述方案的改进，所述施力单元包括探头、弹性件和力传感器，所述弹性件连接在探头和移动检测单元之间，所述力传感器连接在探头和移动检测单元上，用于检测探头对压电膜样品施加的压力值，并将实测的压力信号传输给信号处理单元。
作为上述方案的改进，所述移动检测单元包括驱动模块和可移动模块，所述信号处理单元包括控制模块和信号处理模块，所述弹性件连接在探头和可移动模块之间，所述力传感器连接在探头和可移动模块上，所述驱动模块通过传动杆与可移动模块连接，所述信号处理模块通过导线或探针与压电膜样品形成导电回路，用于采集压电膜样品的电压信号。
作为上述方案的改进，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极和第二电极，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，其中，部分第二电极的正面裸露出来；
两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
作为上述方案的改进，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极、第二电极和衬底，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，所述衬底设置第二电极的背面，其中，部分第二电极的正面裸露出来；
两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
作为上述方案的改进，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极、第二电极和导电支撑体，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，所述导电支撑设置第二电极的背面，其中，所述第二电极的正面被压电材料完全挡住，且背面也被导电支撑体完全挡住；
一根导线的一端连接在导电支撑体上，另一导线的一端连接在探头上，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块，当探头接触第一电极时，探头、压电膜和信号处理模块形成导电回路。
作为上述方案的改进，将探头轻微接触压电膜样品，采集压电膜样品实时的压力信号为F1a、电压信号为V1a；
通过探头对压电膜样品施加预压力设F1，采集压电膜样品实时的压力信号为F1b、电压信号为V1b；
再次恢复探头与压电膜样品的轻微接触状态，采集压电膜样品实时的压力信号为F2a、电压信号为V2a；
通过探头对压电膜样品施加预压力设F2，采集压电膜样品实时的压力信号为F2b、电压信号为V2b；
根据公式D33＝k*ΔV/ΔF求出压电膜样品的压电系数D33，ΔF＝ΔF1-ΔF2，ΔV＝ΔV1-ΔV2，ΔF1＝F1b-F1a，ΔV1＝V1b-V1a，ΔF2＝F2b-F2a，ΔV2＝V2b-V2a，k为比例系数。
相应地，本发明还提供了一种压电膜压电系数的测量装置，包括施力单元、移动检测单元和信号处理单元；所述移动检测单元与施力单元连接，并可带动施力单元移动；所述信号处理单元与压电膜样品连接，用于采集压电膜样品的电压信号；所述信号处理单元与移动检测单元连接，用于控制移动检测单元的移动。
作为上述方案的改进，所述施力单元包括探头、弹性件和力传感器，所述弹性件连接在探头和移动检测单元之间，所述力传感器连接在探头和移动检测单元上，用于检测探头对压电膜样品施加的压力值，并将实测的压力信号传输给信号处理单元。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过仅测量压电膜样品在不同加力状态下的压力信号和电压信号的变化，即可得到该压电膜样品的压电系数，操作简单，效率高。
本发明的检测方法可以测量不同结构的压电膜样品，即既可以测量结构单一的压电陶瓷片，也可以测量由多层结构构成的压电薄膜材料。
本发明的检测方法将第二状态的压力信号和电压信号减去第一状态的压力信号和电压信号，可以去除噪音的影响，提高检测精确度。
本发明提供的测量装置，包括施力单元、移动检测单元和信号处理单元，结构简单，成本低，且测量精度高。
附图说明
图1是现有压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图；
图2是本发明压电膜样品的第一种结构示意图；
图3是本发明压电膜样品的第二种结构示意图；
图4是本发明压电膜样品的第三种结构示意图；
图5是本发明压电膜样品的第四种结构示意图；
图6是本发明压电膜压电系数检测方法的流程图；
图7是本发明测量装置的结构模块示意图；
图8是本发明测量装置施力单元靠近压电膜样品时的示意图；
图9是本发明测量装置施力单元接触压电膜样品时的示意图。
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。
参见图6，本发明提供的一种压电膜压电系数的检测方法，包括以下步骤：
S1、采集压电膜样品在第一状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元靠近或轻微接触压电膜样品时，该状态为第一状态；
S2、采集压电膜样品在第二状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元对压电膜样品施加预设压力时，该状态为第二状态；
S3、至少重复步骤S1和步骤S2一次；
S4、根据两种状态下的压力差和电压差，获得压电膜样品的压电系数。
具体的，在第一状态下，施力单元靠近或轻微接触压电膜样品时，施力单元会有一个初始压力信号F1a，此时，压电膜样品对应也会有一个初始电压信号V1a。
在第二状态下，施力单元对压电膜样品施加预期压力F1，此时，压电膜样品对应会有一个压力信号F1b和一个电压信号V1b。
重复步骤S1和步骤S2，可以得到多个压力差(ΔF2、ΔF3……)及其对应的电压差(ΔV2、ΔV3……)。
压电系数的计算公式为：压电系数D33＝k*ΔV/ΔF，ΔF代表压电膜样品在两种状态下的压力信号差值，ΔV代表压电膜样品在两种状态下对应的电压信号差值；若重复步骤S1和步骤S2一次，则ΔF＝ΔF1-ΔF2，ΔV＝ΔV1-ΔV2，ΔF1＝F1b-F1a，ΔV1＝V1b-V1a，ΔF2＝F2b-F2a，ΔV2＝V2b-V2a；
若重复S1和步骤S2两次及以上，则采用最小二乘法计算个总体斜率来求出ΔF和ΔV，其中，总体为ΔF1、ΔF2、ΔF3……，ΔV1、ΔV2、ΔV3……。
k代表一个比例系数，在对压电膜样品进行检测之前，先对已知压电系数D33的标准压电膜样品进行检测，从而获得系数k，k＝D33标*ΔF标/ΔV标，其中，ΔF标和ΔV标可以通过检测得到，D33标属于已知参数。
其中，对多个已知压电系数D33的标准压电膜样品进行检测后，可以获得更精准的系数k。同样的，对压电膜样品进行多次步骤S1和步骤S2后，可以获得多个ΔF和ΔV，从而获得的压电系数D33更准确。
其中，施力单元轻微接触压电膜样品时作用在压电膜样品上的力小于预设压力。若施力单元轻微接触压电膜样品时作用在压电膜样品上的力过大，则导致压电膜样品压电系数的测量值和真值相比偏小。
需要说明的是，所述施力单元与压电膜样品的距离大于0小于等于1cm，且压电膜样品的电压信号可被检测到的情况为本申请施力单元靠近压电膜样品。此外，所述施力单元与压电膜样品接触，且压电膜样品的压力信号大于0小于0.5N。
本申请将第二状态的压力信号和电压信号减去第一状态的压力信号和电压信号，可以去除噪音的影响，进一步提高本方法的检测精确度。
参见图7，本发明提供的一种压电系数的测量装置，其用于测试压电材料的压电系数，尤其用于测试压电膜样品的压电系数，所述压电系数的测量装置包括施力单元1、移动检测单元2和信号处理单元3。
所述移动检测单元2与施力单元1连接，并可带动施力单元1靠近、接触、施力和脱离压电膜样品，当施力单元1接触到压电膜样品后，所述移动检测单元2带动施力单元1对压电膜样品施加预设压力，以使压电膜样品产生压电效应。
所述信号处理单元3与压电膜样品连接，用于采集压电膜样品的电压信号。具体的，当施力单元1靠近或轻微接触压电膜样品时，所述信号处理单元3会采集当时压电膜样品的电压信号；当施力单元1对压电膜样品施加预设压力时，所述信号处理单元3会采集当时压电膜样品的电压信号。
所述信号处理单元3与移动检测单元2连接，用于控制移动检测单元2的移动。
参见图8和图9，所述施力单元1包括探头11、弹性件12和力传感器13，所述移动检测单元2包括驱动模块21和可移动模块22，所述信号处理单元3包括控制模块31和信号处理模块32，所述弹性件12连接在探头11和可移动模块22之间，所述力传感器13连接在探头11和可移动模块22上，所述驱动模块21通过传动杆23与可移动模块22连接，所述控制模块31与驱动模块21和力传感器13连接，其通过控制驱动模块21来驱动可移动模块22带动探头11靠近、接触压电膜样品4，并对压电膜样品4施加预设压力，所述力传感器13用于检测可移动模块22对探头11施加的力的大小，并将实测的压力信号传输至信号处理模块32；所述信号处理模块32通过导线或探针与压电膜样品4形成导电回路，用于采集压电膜样品4的电压信号。
本发明的测量装置可以检测至少4种不同结构的压电膜，参见图2，第一种压电膜样品包括压电材料41、第一电极42和第二电极43，所述第一电极42设置在压电材料41的正面，所述第二电极43设置在压电材料41的背面，其中，所述第二电极43的正面被压电材料41完全挡住。具体的，一根导线的一端连接在第二电极上，另一导线的一端连接在探头上，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块，当探头接触第一电极时，探头、压电膜和信号处理模块形成导电回路。
参见图3，第二种压电膜样品包括压电材料41、第一电极42、第二电极43和衬底44，所述第一电极42设置在压电材料41的正面，所述第二电极43设置在压电材料41的背面，所述衬底44设置第二电极43的背面，其中，部分第二电极43的正面裸露出来。具体的，两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
参见图4，第三种压电膜样品包括压电材料41、第一电极42和第二电极43，所述第一电极42设置在压电材料41的正面，所述第二电极43设置在压电材料41的背面，其中，部分第二电极43的正面裸露出来。具体的，两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
参见图5，第四种压电膜样品包括压电材料41、第一电极42、第二电极43和导电支撑体44，所述第一电极42设置在压电材料41的正面，所述第二电极43设置在压电材料41的背面，所述导电支撑体44设置第二电极43的背面，其中，所述第二电极43的正面被压电材料41完全挡住，且背面也被导电支撑体44完全挡住。具体的，一根导线的一端连接在导电支撑体上，另一导线的一端连接在探头上，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块，当探头接触第一电极时，探头、压电膜和信号处理模块形成导电回路。
具体的，所述弹性件12为弹簧，所述驱动模块21为驱动装置，所述控制模块31为单片机，所述信号处理模块32为计算机。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
本实施例的压电膜样品为图5所示的第四种结构的压电膜，所述压电材料为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷片，所述第一电极和第二电极的材料为Ag，所述PZT压电陶瓷片的厚度为2mm，第一电极和第二电极的厚度均为100nm。
采用本发明的测量装置来检测压电膜样品，其中，所述弹簧的直径为10mm，线径为0.9mm，弹性系数为4N/mm，所述力传感器为量程5N的力传感器，所述驱动装置为伺服电机。
将探头轻微接触压电膜样品，采集压电膜样品实时的压力信号为0.15N，电压信号为30mV；
施加预设压力1.6N，采集压电膜样品实时的压力信号为1.79N，电压信号为660mV；
将探头恢复到与压电膜样品的轻微接触状态，采集压电膜样品实时的压力信号为0.13N，电压信号为27mV；
施加预设压力2.2N，采集压电膜样品实时的压力信号为2.68N，电压信号为1045mV；
将探头恢复到与压电膜样品的轻微接触状态，采集压电膜样品实时的压力信号为0.18N，电压信号为32mV；
施加预设压力3N，采集压电膜样品实时的压力信号为3.43N，电压信号为1440mV；
通过与测得已知参考样品的结果进行比较，得出实施例1压电膜样品的压电系数为340pC/N，与传统测量方法测得的压电系数330pC/N一致。
实施例2
本实施例的压电膜样品为图3所示的第二种结构的压电膜，所述衬底为硅衬底，压电材料为锆钛酸铅(PZT)薄膜，所述第一电极和第二电极的材料为Pt，其中，硅衬底的厚度为0.5mm，PZT材料的厚度为2μm，第一电极和第二电极的厚度均为100nm。
采用本发明的测量装置来检测压电膜样品，其中，所述弹簧的直径为10mm，线径为0.7mm，弹性系数为3N/mm，所述力传感器为量程3N的力传感器，所述驱动装置为伺服电机。
具体的，将探头轻微接触压电膜样品，采集压电膜样品实时的压力信号为0.03N，电压信号为15mV；
通过探头对压电膜样品施加预设0.3N的压力，采集压电膜样品实时的压力信号为0.31N，电压信号为120mV；
再次恢复探头与压电膜样品的轻微接触状态，采集压电膜样品实时的压力信号为0.04N，电压信号为16mV；
通过探头对压电膜样品施加预设0.7N的压力，采集压电膜样品实时的压力信号为0.72N，电压信号为170mV；
通过与测得已知参考样品的结果进行比较，得出实施例2压电膜样品的压电系数为125pC/N。
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)
1.一种压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集压电膜样品在第一状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元靠近或轻微接触压电膜样品时，该状态为第一状态；
S2、采集压电膜样品在第二状态时的压力信号和电压信号，其中，当施力单元对压电膜样品施加预设压力时，该状态为第二状态；
S3、至少重复步骤S1和步骤S2一次；
S4、根据两种状态下的压力差和电压差，获得压电膜样品的压电系数；
将探头轻微接触压电膜样品，采集压电膜样品实时的压力信号为F1a、电压信号为V1a；
通过探头对压电膜样品施加预压力设F1，采集压电膜样品实时的压力信号为F1b、电压信号为V1b；
再次恢复探头与压电膜样品的轻微接触状态，采集压电膜样品实时的压力信号为F2a、电压信号为V2a；
通过探头对压电膜样品施加预压力设F2，采集压电膜样品实时的压力信号为F2b、电压信号为V2b；
根据公式D33＝k*ΔV/ΔF求出压电膜样品的压电系数D33，其中，ΔF＝ΔF1-ΔF2，ΔV＝ΔV1-ΔV2，ΔF1＝F1b-F1a，ΔV1＝V1b-V1a，ΔF2＝F2b-F2a，ΔV2＝V2b-V2a，k为比例系数。
2.如权利要求1所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，采用测量装置来检测所述压电膜样品，所述测量装置包括施力单元、移动检测单元和信号处理单元；所述移动检测单元与施力单元连接，并可带动施力单元移动；所述信号处理单元与压电膜样品连接，用于采集压电膜样品的电压信号；所述信号处理单元与移动检测单元连接，用于控制移动检测单元的移动。
3.如权利要求2所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，所述施力单元包括探头、弹性件和力传感器，所述弹性件连接在探头和移动检测单元之间，所述力传感器连接在探头和移动检测单元上，用于检测探头对压电膜样品施加的压力值，并将实测的压力信号传输给信号处理单元。
4.如权利要求3所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，所述移动检测单元包括驱动模块和可移动模块，所述信号处理单元包括控制模块和信号处理模块，所述弹性件连接在探头和可移动模块之间，所述力传感器连接在探头和可移动模块上，所述驱动模块通过传动杆与可移动模块连接，所述信号处理模块通过导线或探针与压电膜样品形成导电回路，用于采集压电膜样品的电压信号。
5.如权利要求4所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极和第二电极，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，其中，部分第二电极的正面裸露出来；
两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
6.如权利要求4所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极、第二电极和衬底，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，所述衬底设置第二电极的背面，其中，部分第二电极的正面裸露出来；
两根导线的一端分别连接在压电膜样品的第一电极和第二电极，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块上，所述压电膜样品与信号处理模块形成导电回路。
7.如权利要求4所述的压电膜压电系数的检测方法，其特征在于，所述压电膜样品包括压电材料、第一电极、第二电极和导电支撑体，所述第一电极设置在压电材料的正面，所述第二电极设置在压电材料的背面，所述导电支撑设置在第二电极的背面，其中，所述第二电极的正面被压电材料完全挡住，且背面也被导电支撑体完全挡住；
一根导线的一端连接在导电支撑体上，另一导线的一端连接在探头上，两根导线的另一端分别连接在信号处理模块，当探头接触第一电极时，探头、压电膜和信号处理模块形成导电回路。
8.一种压电膜压电系数的测量装置，其特征在于，所述压电系数的测量装置用于在如权利要求1～7任一项所述的压电膜压电系数的检测方法中测试压电膜压电系数，包括施力单元、移动检测单元和信号处理单元；所述移动检测单元与施力单元连接，并可带动施力单元移动；所述信号处理单元与压电膜样品连接，用于采集压电膜样品的电压信号；所述信号处理单元与移动检测单元连接，用于控制移动检测单元的移动。
9.如权利要求8所述的压电膜压电系数的测量装置，其特征在于，所述施力单元包括探头、弹性件和力传感器，所述弹性件连接在探头和移动检测单元之间，所述力传感器连接在探头和移动检测单元上，用于检测探头对压电膜样品施加的压力值，并将实测的压力信号传输给信号处理单元。
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