CN212083557U - 一种压电材料的压电系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种压电材料的压电系数测量装置，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接触，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；所述驱动装置驱动探头下压压电薄膜材料，以对压电薄膜材料施加预设的压力；所述力传感器用于测量探头对压电薄膜材料施加的压力大小，所述信号处理装置用于获取压电薄膜材料的电信号和力传感器的输出信号。本实用新型通过驱动装置来驱动探头下压压电薄膜材料，并通过力传感器和信号处理装置的配合，可以通过控制下压速度和压力大小来提高测量精度和缩短测量时间。
Description
技术领域
本实用新型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材料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信号间的关系，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所示的压电材料，并不能测试如图3所示的压电材料。其中，图2 所述的压电材料厚度一般在100μm以上，电极11位于压电层12的两侧。图3 所示的压电薄膜材料，厚度一般在10μm以下，压电层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。
此外，现有的测量装置设定好参数只能测量一种厚度的压电薄膜材料，若要测量另外一种厚度的压电薄膜材料，需要重新设定参数，操作不便。
发明内容
本实用新型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装置，测量精度高，测量时间短。
本实用新型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装置，可测量不同厚度的压电薄膜材料。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种压电材料的压电系数测量装置，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接触，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；
所述驱动装置驱动探头下压压电薄膜材料，以对压电薄膜材料施加预设的压力；
所述力传感器用于测量探头对压电薄膜材料施加的压力大小，所述信号处理装置用于获取压电薄膜材料的电信号和力传感器的输出信号。
作为上述方案的改进，所述探头包括接触部和弹性件，所述弹性件连接在接触部和驱动装置之间。
作为上述方案的改进，所述驱动装置包括电机、传动杆和可移动模块，所述电机通过传动杆与可移动模块连接，所述电机通过传动杆驱动所述可移动模块进行移动，所述探头随所述可移动模块进行移动。
作为上述方案的改进，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得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得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等于40mm。
作为上述方案的改进，所述探头还包括非极性绝缘部，所述弹性件设置在接触部和非极性绝缘部之间；或者，
所述非极性绝缘部设置在接触部和弹性件之间。
作为上述方案的改进，所述非极性绝缘部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。
实施本实用新型，具有如下有益效果：
本实用新型通过驱动装置来驱动探头下压压电薄膜材料，并通过力传感器和信号处理装置的配合，可以通过控制下压速度和压力大小来提高测量精度和缩短测量时间。
本实用新型的测量装置可通过探头下压压电薄膜材料，以确定待检测压电薄膜材料的表面位置，因此在不用重新设定参数的条件下可以测量不同厚度的压电薄膜材料。
本实用新型探头的接触部由导电金属制成，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，接触部也不会发生变形，可长时间使用。
本实用新型探头的弹性件可以减小接触部在与压电薄膜材料接触时的冲击力，避免测量时探头对压电薄膜材料造成损坏。
再进一步地，本实用新型的非极性绝缘部可以保障产生的电荷集聚在接触部的小部分空间，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。
附图说明
图1是现有压电材料的压电系数测量装置的结构示意图；
图2是现有第一种压电材料的结构示意图；
图3是现有第二种压电薄膜材料的结构示意图；
图4是本实用新型实施例1的压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图；
图5是本本实用新型实施例2的压电系数测量装置测量压电薄膜材料的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
实施例1
参见图4，一种压电材料的压电系数测量装置，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上安装有弹性件32，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进行移动，所述探头随所述可移动模块35进行移动。
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获得压电薄膜材料产生的电信号。
本实用新型探头的接触部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小。
本实施例的测量方法如下：
探头位于初始位置，所述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达到预设值F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压力F下的压电系数d33。本实施例所涉及到的计算方法为现有的压电系数的计算方法，本实施例不做具体限定。
实施例2
参见图5，一种压电材料的压电系数测量装置，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上安装有弹性件32，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进行移动，所述探头随所述可移动模块35进行移动。
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。
本实用新型探头的接触部31由铜制成，所述弹性件32为弹簧。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获得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小。
本实施例的测量方法如下：
探头位于初始位置，所述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达到预设值F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压力F下的压电系数d33。本实施例所涉及到的计算方法为现有的压电系数的计算方法，本实施例不做具体限定。
本实用新型实施例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。本实用新型的弹性件还可以为弹片或其他具有弹性的材料。其中，本实用新型实施例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。
此外，本实用新型可通过探头第一次下压压电薄膜材料，以确定待检测压电薄膜材料的表面位置，再通过探头第二次下压压电薄膜材料，可以用较短的时间，准确地对压电薄膜材料施加所需的压力，从而提高检测的效率和精度。
此外，本实用新型的测量方法可以用于检测不同厚度的压电薄膜材料。
本实用新型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。
优选的，所述探头的初始位置与压电薄膜材料的距离为大于等于40mm，这样便于材料安装。
本实用新型探头的接触部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，接触部也不会发生变形，可长时间使用。
此外，本实用新型的弹性件可以减小接触部在与压电薄膜材料接触时的冲击力，避免测量时接触部对压电薄膜材料造成损坏。
优选的，所述探头还包括非极性绝缘部(图中未示出)，具体的，弹性件设置在接触部和非极性绝缘部之间；或者，所述非极性绝缘部设置在接触部和弹性件之间。
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，本实用新型的非极性绝缘部可以保障产生的电荷集聚在接触部的小部分空间，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，本实用新型的非极性绝缘部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。
优选的，所述非极性绝缘部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。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种压电材料的压电系数测量装置，包括加力装置、探针、信号处理装置，其特征在于，所述探针与压电薄膜材料的电极接触，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；
所述驱动装置驱动探头下压压电薄膜材料，以对压电薄膜材料施加预设的压力；
所述力传感器用于测量探头对压电薄膜材料施加的压力大小，所述信号处理装置用于获取压电薄膜材料的电信号和力传感器的输出信号。
2.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述探头包括接触部和弹性件，所述弹性件连接在接触部和驱动装置之间。
3.如权利要求2所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述驱动装置包括电机、传动杆和可移动模块，所述电机通过传动杆与可移动模块连接，所述电机通过传动杆驱动所述可移动模块进行移动，所述探头随所述可移动模块进行移动。
4.如权利要求3所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述接触部由导电金属制成，所述弹性件为弹簧。
5.如权利要求1所述的压电材料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得压电薄膜材料产生的电信号。
6.如权利要求2所述的压电材料的压电系数测量装置，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得压电薄膜材料产生的电信号。
7.如权利要求1所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述探头的初始位置与压电薄膜材料的距离为大于等于40mm。
8.如权利要求2所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述探头还包括非极性绝缘部，所述弹性件设置在接触部和非极性绝缘部之间；或者，
所述非极性绝缘部设置在接触部和弹性件之间。
9.如权利要求8所述的压电材料的压电系数测量装置，其特征在于，所述非极性绝缘部由有机非极性有机绝缘材料制成。
10.如权利要求9所述的压电材料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。
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| GR01 | Patent grant | ||
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