0 引言

　　壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用時(shí)，能把機(jī)械能變成電能，當(dāng)加上電壓時(shí)，又會(huì)把電能變成機(jī)械能。它通常由幾種氧化物或碳酸鹽在燒結(jié)過程中發(fā)生固相反應(yīng)而形成，其制造工藝與普通的電子陶瓷相似。與其他壓電材料相比，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于摻雜、方便塑形的特點(diǎn)[1]，已被廣泛應(yīng)用到與人們生活息息相關(guān)的許多領(lǐng)域,遍及工業(yè)、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等。利用鐵電陶瓷的高介電常數(shù)可制作大容量的陶瓷電容器；利用其壓電性可制作各種壓電器件；利用其熱釋電性可制作人體紅外探測(cè)器；通過適當(dāng)工藝制成的透明鐵電陶瓷具有電控光特性，利用它可制作存貯，顯示或開關(guān)用的電控光特性器件。通過物理或化學(xué)方法制備的PZT、PLZT等鐵電薄膜，在電光器件、非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器件等有重要用途[2-5]。

　　為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，歐盟成員國(guó)已規(guī)定自2006年7月1日起，所有在歐盟市場(chǎng)上出售的電子電氣產(chǎn)品設(shè)備全部禁止使用鉛、水銀、鎘、六價(jià)鉻等物質(zhì)。我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也是相當(dāng)重視的。因此，近年來對(duì)無鉛壓電陶瓷進(jìn)行了重點(diǎn)發(fā)展和開發(fā)。但無鉛壓電陶瓷性能相對(duì)于PZT陶瓷來說，總體性能還是不足以與PZT陶瓷相比。因此，當(dāng)前乃至今后一段時(shí)間內(nèi)壓電陶瓷首選仍將是以PZT為基的陶瓷。

　　本文將應(yīng)用逆壓電效應(yīng)以壓電陶瓷蜂鳴片為例進(jìn)行阻抗測(cè)試、電容值、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析。

1 測(cè)量參數(shù)和實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)

　　目前我國(guó)現(xiàn)有的關(guān)于壓電陶瓷材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有以下：

　　GB/T 3389-2008 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法

　　GB/T 6427-1999 壓電陶瓷振子頻率溫度穩(wěn)定性的測(cè)試方法

　　GB/T 16304-1996 壓電陶瓷電場(chǎng) 應(yīng)變特性測(cè)試方法

　　GB 11387-89 壓電陶瓷材料靜態(tài)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法

　　GB 11320-89 壓電陶瓷材料性能方法（低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)壓電陶瓷材料性能的測(cè)試）

　　GB 11312-89 壓電陶瓷材料和壓電晶體聲表面波性能測(cè)試方法

　　GB 11310-89 壓電陶瓷材料性能測(cè)試方法相對(duì)自由介電常數(shù)溫度特性的測(cè)試

　　壓電陶瓷蜂鳴片由一塊兩面印刷有電極的壓電陶瓷板和一塊金屬板（黃銅或不銹鋼等）組成。當(dāng)在壓電振動(dòng)板的兩個(gè)電極間施加直流電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，導(dǎo)致金屬片機(jī)械變形。因此，當(dāng)交流電壓穿過電極時(shí)，金屬片彎曲就會(huì)交替重復(fù)發(fā)生，從而在空氣中產(chǎn)生聲波，如圖1。

圖1  壓電陶瓷蜂鳴片發(fā)聲原理

　　本文將應(yīng)用逆壓電效應(yīng)通過在壓電陶瓷蜂鳴片兩極間施加交變電壓，使其產(chǎn)生振動(dòng)并進(jìn)入工作狀態(tài)，然后參考上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片進(jìn)行阻抗、電容值、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓等電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。主要工作是通過對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片的阻抗測(cè)量找出其最大、最小阻抗頻率點(diǎn)，再以其為準(zhǔn)則確定等效電路模型參數(shù)，同時(shí)通過改變頻率觀察電容值的變化。然后再通過使用不同線材和不同的連接方式觀察對(duì)壓電陶瓷電容值測(cè)量的影響，最后再進(jìn)行溫度特性、絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓的參數(shù)測(cè)量研究其可靠性。

2 測(cè)試研究開展

　　2.1 壓電阻抗特性確定諧振頻率fr

　　壓電振子是經(jīng)過極化處理的壓電體是彈性體，具有固有振動(dòng)頻率fr。當(dāng)加在壓電振子上的電信號(hào)的頻率等于其固有振動(dòng)頻率fr時(shí)，壓電振子的彈性能最大，發(fā)生諧振。此外，它還具有反諧振頻率fa、串聯(lián)諧振頻率fs、并聯(lián)諧振頻率fp、最小阻抗頻率fm、最大阻抗頻率fn等重要的臨界頻率。圖2是壓電振子的等效電路模型。L1是壓電振子動(dòng)態(tài)電感、C0、C1分別為靜電容和動(dòng)態(tài)電容、R1為動(dòng)態(tài)電阻。L1、R1、C1分別于壓電振子的質(zhì)量、內(nèi)摩擦系數(shù)和彈性常數(shù)有關(guān)，并非電學(xué)量，只是為了處理方便才模擬成電學(xué)量。模型中只有C0才是電學(xué)量。而壓電振子材料的彈性、壓電和介電常數(shù)都可以通過測(cè)量壓電振子的集合尺寸、串聯(lián)諧振頻率、材料密度和電容等參數(shù)來測(cè)定。

圖2  傳統(tǒng)壓電振子　

　當(dāng)動(dòng)態(tài)電阻R1為0時(shí)，最大導(dǎo)納頻率fm和最小導(dǎo)納頻率fn分別為：

　　當(dāng)系統(tǒng)處于fm時(shí)，輸出的應(yīng)變振幅和振子上流過的電流達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱為最小阻抗頻率(或稱為最大導(dǎo)納頻率)。當(dāng)外加電信號(hào)的頻率繼續(xù)增大，振子輸出的電流減小，阻抗達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱為最大阻抗頻率(或最小導(dǎo)納頻率)fn。即當(dāng)動(dòng)態(tài)電阻R1=0時(shí)，有fm=fs=fr，fn=fp=fa。而實(shí)際情況下，此近似偏差一般小于1%[6]。壓電振子的阻抗|Z|與頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖3  壓電振子的阻抗|Z|與頻率的關(guān)系

　　使用HP公司E4980A CLR測(cè)試儀分別對(duì)標(biāo)稱頻率為9 kHz的總厚度0.12 mm尺寸樣品5只和標(biāo)稱頻率為6 kHz的總厚度0.15 mm尺寸的樣品5只進(jìn)行掃頻測(cè)量。找出阻抗最小和最大時(shí)的頻率點(diǎn)fm、fn，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6427-1999中6.1.2.3的測(cè)量方法：使試樣的阻抗最小，此時(shí)頻率為諧振頻率fr，見圖4。

圖4  蜂鳴片樣品阻抗測(cè)試均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，@測(cè)試電壓1 V

　　通過該測(cè)試可以確定0.12 mm厚度樣品的fm1=8.6 kHz，fn1=8.9 kHz，0.15 mm厚度樣品的諧振頻率為fm2=5.9 kHz，fn2=6.2 kHz。與廠家所給標(biāo)稱頻率9 kHz和6 kHz相比較，標(biāo)稱頻率更接近fn。

　　然后以fm近似代替諧振頻率fr，并通過提高頻率觀察電容值的變化情況。

　　圖5為0.12 mm、0.15 mm樣品的電容值測(cè)試數(shù)據(jù)，在諧振頻率fr處是使電壓、電流同相位的，所測(cè)得電容值在皮法級(jí)，非常微弱，掃頻測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而此處轉(zhuǎn)換為電感值測(cè)量后可穩(wěn)定顯示，由此也可以證明其諧振頻率值近似一致。

圖5  某樣品在不同頻率下電容值測(cè)試值，@測(cè)試電壓1 V

　　通過分析圖5數(shù)據(jù)，可以看出其電容測(cè)試曲線符合圖3的變化規(guī)律，然后通過逐漸提高頻率的情況下測(cè)量電容值的數(shù)據(jù)可以看出電容值隨著頻率的升高慢慢趨于穩(wěn)定，并且在相對(duì)高的頻率下電容值的變化區(qū)間越來越小，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，0.12 mm樣品靜電容C0約為11 nF，0.15 mm樣品靜電容C0約為14 nF。

　　將以上參數(shù)代入式(1)、式(2)?？傻?.12 mm厚度樣品C0=11 nF，C1=1.15 nF，L1=0.63 H；0.15 mm厚度樣品C0=14 nF，C1=0.99 nF，L1=0.35 H。

　　此外，通過對(duì)比諧振頻率點(diǎn)與廠家所標(biāo)識(shí)的頻率，發(fā)現(xiàn)所標(biāo)識(shí)的頻率應(yīng)該是其諧振頻率，只是與實(shí)際測(cè)試值存在偏差，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10709-1996（壓電陶瓷蜂鳴片總規(guī)范）中諧振頻率標(biāo)識(shí)的要求，但是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于材料、結(jié)構(gòu)、電極形狀等參數(shù)，廠家卻并沒有按標(biāo)準(zhǔn)所要求的格式標(biāo)識(shí)出來。

　　2.2 串、并聯(lián)連接測(cè)試

　　本實(shí)驗(yàn)將從兩個(gè)尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片(0.12 mm和0.15 mm)中各取兩只樣品進(jìn)行電橋法實(shí)驗(yàn)。首先，分別測(cè)量單只樣品的電容值，然后按照串聯(lián)和并聯(lián)方式連接后進(jìn)行測(cè)量，并與串聯(lián)、并聯(lián)公式結(jié)果進(jìn)行比較。

　　串聯(lián)公式如下式（3），則0.12 mm、0.15 mm樣品的串聯(lián)計(jì)算值分別為3.34 nF、2.32 nF。

　　并聯(lián)公式如式(4)，則0.12 mm、0.15 mm樣品的并聯(lián)計(jì)算值分別為13.35 nF、9.28 nF。

　　參考如圖2壓電振子傳統(tǒng)等效電路模型(BVD電路)，若簡(jiǎn)單采用并聯(lián)或者串聯(lián)連接，組件諧振頻率偏差未能考慮到，且蜂鳴片之間振子參數(shù)機(jī)械損耗、互感效應(yīng)也未能考慮，因此實(shí)際測(cè)量結(jié)果偏差較大。而通過表1數(shù)據(jù)可以得出壓電陶瓷的串、并聯(lián)電容參數(shù)還是較符合一般電容器的串、并聯(lián)公式計(jì)算結(jié)果。

　　2.3 線材寄生電容的影響

　　我們通常把分布在導(dǎo)線之間、線圈與機(jī)殼之間以及某些元件之間的分布電容等稱為寄生電容。雖然數(shù)值不大，但很多時(shí)候往往是造成干擾的原因之一，特別是在高頻下尤其明顯。為了解連接線材寄生電容對(duì)壓電陶瓷器件的影響，分別選取0.12 mm和0.15 mm兩個(gè)尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片作為測(cè)試樣品：選取三種不同芯線徑的多股線和一種芯線徑的鍍銀線作為引線，通過改變引線長(zhǎng)度來測(cè)量蜂鳴片的電容值。

圖6  蜂鳴片連接引線電容測(cè)試

　　通過分析圖6數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)盡管引線所用的線材、線徑、長(zhǎng)度的差異都比較大，但是最后測(cè)量的結(jié)果互相之間的差異卻非常小，對(duì)于來自引線寄生電容的影響幾乎可以忽略不計(jì)。探究其原因可能有以下兩點(diǎn)：

　　(1)引線所產(chǎn)生的寄生電容值約皮法級(jí)，相對(duì)于在納法級(jí)的樣品電容值而言，是微乎其微的。

　　(2)由于實(shí)驗(yàn)樣品使用的是壓電陶瓷蜂鳴片，因此測(cè)試頻率在可聽聲范圍，并不高。而恰好寄生電容在低頻下的影響并不明顯，這也是導(dǎo)致最后測(cè)出的結(jié)果與不用引線測(cè)出的結(jié)果相差甚微的原因之一。

　　綜合來看來自引線的寄生電容，對(duì)于測(cè)量壓電陶瓷蜂鳴片這類壓電陶瓷產(chǎn)品的電容值來說影響幾乎是可以忽略不計(jì)的。

　　2.4 溫度變化對(duì)電容值影響

　　選0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm三種厚度的壓電陶瓷蜂鳴片，利用高低溫試驗(yàn)箱MC-711進(jìn)行-55 ℃、25 ℃、65 ℃下三個(gè)溫度點(diǎn)在諧振頻率fr附近進(jìn)行測(cè)量，觀察溫度變化對(duì)壓電陶瓷電容值的影響。

　　通過圖7測(cè)試結(jié)果，可以看出在低溫下電容值的一致性不理想，但是在常溫及以上電容值的一致性卻非常理想，該情況在三種尺寸的樣品中均能體現(xiàn)，而且互相之間的變化趨勢(shì)也基本相同，在常溫下的電容值也相對(duì)比較穩(wěn)定。由此推測(cè)產(chǎn)品的溫度特性應(yīng)該是與其制造材料、生產(chǎn)工藝和配方有非常大的關(guān)系。但是由于本實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量點(diǎn)相對(duì)較少，未能更充分地反應(yīng)溫度變化對(duì)電容值的影響，所以本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)研究意義并不大，更多只作為初步的參考作用，為后續(xù)對(duì)這方面更深入的探究和實(shí)驗(yàn)做基礎(chǔ)。

　　2.5 絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓測(cè)試

　　選取0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm這3種尺寸的壓電陶瓷蜂鳴片作為實(shí)驗(yàn)樣品，使用HP公司的4339B高阻表分別測(cè)量絕緣電阻，其中0.12 mm和0.15 mm的使用100 V直流電壓測(cè)量，0.27 mm的使用500 V直流測(cè)量，測(cè)試時(shí)間1 min。測(cè)試結(jié)果如表2、表3。

　　通過對(duì)表2、表3數(shù)據(jù)的分析后發(fā)現(xiàn)所有尺寸樣品的絕緣電阻參數(shù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10709-1996（壓電陶瓷蜂鳴片總規(guī)范）中對(duì)絕緣性能的要求，對(duì)不同尺寸的介質(zhì)耐電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，尺寸更大的產(chǎn)品其絕緣性能更好，可靠性更高。

3 結(jié)論

　　本文通過實(shí)驗(yàn)得到了五個(gè)方面的結(jié)論：

　　(1)在一級(jí)近似下，壓電振子的等效電路模型參數(shù)可以通過最小阻抗頻率fm和最大阻抗頻率fn計(jì)算得到。

　　(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電陶瓷片是電容性元件，并且通過改變串并聯(lián)的方式找出了其疊加規(guī)律與一般電容器一致，為初次接觸壓電陶瓷這類材料的人群提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

　　(3)通過使用不同的線材、線徑和長(zhǎng)度的引線連接壓電陶瓷蜂鳴片與測(cè)量設(shè)備，研究引線產(chǎn)生寄生電容對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片的影響，可知引線的影響在可聽聲頻范圍內(nèi)微乎其微，對(duì)選取樣品的電容值并沒有產(chǎn)生多大的影響。

　　(4)通過對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片進(jìn)行溫度特性的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其在常溫下能獲得較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此若想提高壓電陶瓷蜂鳴片的可靠性，應(yīng)該盡量使其工作在常溫環(huán)境下。

　　(5)最后通過對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓參數(shù)的測(cè)量了解了這些參數(shù)對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響，并且將其結(jié)果與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所要求的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造僅僅只是有部分參數(shù)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，雖然目前我國(guó)對(duì)壓電陶瓷材料的標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)并非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著壓電陶瓷材料的使用越來越廣泛，普及程度不斷提高，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化程度和可靠性要求必然需要大幅度提高。

　　本實(shí)驗(yàn)成果可為研究產(chǎn)品可靠性和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)人員提供一定參考依據(jù)，為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作和提升國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品可靠性添磚加瓦。

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