专利名称：一种测量压电材料压电系数d₁₅的动态谐振方法
技术领域：
本发明属于功能材料及测试技术研究领域，特别是涉及一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法。
背景技术：
压电材料所具有的压电效应使其在精密仪器、传感器、加速度计、俘能器、致动器等微机电系统(Micro-electromechanical system, MEMS)中得到广泛应用(Appl.Phys.Lett.92 (2008) 152901)。对MEMS器件中压电材料的研究有助于新型功能器件的建模和设计，因此准确测量压电材料的特性参数十分重要。目前，测量压电材料压电系数的方法主要分为两大类，其原理分别利用了逆压电效应和正压电效应(IEEE T Ultrason.Ferr.52 (2005) 1897)。尽管压电系数d33和d31的测量方法有很多种(IEEE T Ultrason.Ferr.54 (2007) 2562，Rev.Sc1.1nstrum.77(2006) 103903, Mater.Chem.Phys.75 (2002) 12)，但测量压电系数 d15方法鲜有报道，d15为切向压电常数。1.Naniwa et al.提出飞行高度控制滑块模型，测量得到了压电材料的压电系数 d15(Microsyst.Technol.1619-1627 (2009) 15)。1.Kanno et al.利用激光多普勒振动计获得了 PZT薄膜的压电系数d15 (Appl.Phys.Express 2 (2009) 091402，Jpn.J.Appl.Phys.49 (2010) 09MA07)，此方法仅适用于单晶压电薄膜压电系数的测量；T.Aoki et al.利用扫描探针显微镜测量和有限元模拟获得了多晶PZT薄膜的压电系数 d15,其工艺复杂,不易操作(Key Engineering Materials 421-422 (2010) 95)。上述压电系数d15测量方法，均是利用压电材料逆压电效应来实现的。目前尚未发现利用正压电效应，测量压电材料压电系数d15的报道，正压电效应指的是将机械能转换成电能的效应。

发明内容
针对上述问题，本发明所涉及的一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法。利用了正压电效应，即、通过将机械能转换成电能效应的方法，利用悬臂梁产生共振现象时谐振电压峰-峰值与激振电压和频率的关系，可测量压电材料切向压电系数d15。本方法具有工艺简单、易操作的优点，且可广泛应用于压电陶瓷、压电晶体、压电薄膜材料等压电系数d15的测量。对剪切模式压电器件的开发应用，压电材料设计和性能预测具有指导意义。本发明为了实现上述目的，可以使用以下技术方案:本发明提供了一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法，其特征在于，包括下述步骤:(I)将两块压电块体进行水平极化后，两块压电块体的上表面和下表面分别贴有电极层并反向平行放置于支撑板层，制作一种共面电极结构压电层合悬臂梁，使压电层合悬臂梁处于d15剪切工作模式，d15为切向压电常数；(2)通过导线将压电层合悬臂梁与外接负载电阻连接，形成串联测试电路；(3)搭建激励振动装置，调节振动器电压、频率和负载电阻，使压电层合悬臂梁产生共振现象，记录压电层合悬臂梁的输出电压响应；(4)基于单自由度系统模型，建立振动方程，利用d15剪切工作模式的压电层合悬臂梁的正压电效应，建立方程模型:
权利要求
1.一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法，其特征在于:包括下述步骤: (1)将两块压电块体进行水平极化后，所述两块压电块体的上表面和下表面分别贴有电极层并反向平行放置于支撑板层，制作一种共面电极结构压电层合悬臂梁，使所述压电层合悬臂梁处于d15剪切工作模式，所述d15为切向压电常数； (2)通过导线将所述压电层合悬臂梁与外接负载电阻连接，形成串联测试电路； (3)搭建激励振动装置，调节所述振动装置的电压、频率和所述负载电阻，使所述压电层合悬臂梁产生共振现象，记录所述压电层合悬臂梁的输出电压响应； (4)基于单自由度系统模型，建立振动方程，利用所述d15剪切工作模式的所述压电层合悬臂梁的正压电效应，建立方程模型:
全文摘要
本发明公开了一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法，包括下述步骤(1)将压电块体水平极化，制作一种共面电极结构压电层合悬臂梁，使悬臂梁处于d15剪切工作模式；(2)将该压电层合悬臂梁与外接负载连接，形成串联测试电路；(3)搭建激励振动装置，调节振动器电压、频率和负载电阻，使悬臂梁产生共振现象，记录输出电压响应；(4)利用d15工作模式压电层合悬臂梁的正压电效应，给出测量压电系数d15的计算公式；(5)将悬臂梁结构尺寸、材料参数和谐振电压响应峰-峰值代入计算公式，计算压电系数d15。本发明涉及的方法可测量压电材料的压电系数d15，具有工艺简单，易操作的优点。可用于测量压电陶瓷、压电晶体、压电薄膜材料的压电系数d15，应用范围广泛。
文档编号G01R29/22GK103235200SQ20131013470
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者郑学军, 刘勋, 张勇, 孙静, 程宏斌, 王献英 申请人:上海理工大学