压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
压电薄膜材料的性能与性能特点 压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，它的发展有着十分悠久的历史。自19世纪80年代从CURIE 兄弟在石英晶体上发现了压电效应后，压电材料开始引起人们的广泛注意，随着研究深入，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。这些材料有着十分广泛的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。 PVDF压电薄膜 PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜，在1969年，日本人发现了高分子材料聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride polymer) 简称PVDF，具有极强的压电效应。 PVDF薄膜主要有二种晶型即α型和β型，α型晶体不具有压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原来薄膜中的α型晶体变成β型晶体结构。拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。 与压电陶瓷和压电晶体相比，压电薄膜主要有以下优点： （1）质量轻，它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一，粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响，高弹性柔顺性，可以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合，机械强度高，抗冲击； （2）高电压输出，在同样受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍； （3）高介电强度，可以耐受强电场的作用（75V/um），此时大部分压电陶瓷已经退极化了； （4）声阻抗低，仅为压电陶瓷PZT的十分之一，与水、人体组织以及粘胶体相接近；（5）频响宽，从10-3Hz到109均能转换机电效应，而且振动模式单纯。 因此在力学中可以测量应力和应变，在振动中可以制作加速度计和振动模态传感器，在声学上可以制作声辐射模态传感器和超声换能器以及用在主动控制中，在机器人研究中可以
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下： GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）
---第 31卷 第 4期 压 电 与 声 光 V ol.31 N o. 4 2009年 8月 P IEZOEL ECT ECT RICS & A CO U ST O OP T ICS Aug. 2009 文章编号:1004-2474(2009) 04-0608-05 (1. 压电薄膜特性参数的测量方法 王青萍 , 范跃农 , 姜胜林 湖北第二师范学院 物理与电子工程系, 湖北 武汉 430205; 2. 景德镇陶瓷学院 机械电子工程系, 江西 景德镇 333403; 3. 华中科技大学 电子科学与技术系 教育部敏感陶瓷工程研究中心, 湖北 武汉 430074) 摘 要:随着电子元器件向微型、高灵敏、集成 等方向 发展, 薄膜材 料及器 件在微 机电( M EM S) 系统 中得到 广 泛应 用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有 很大的不同。介绍了当前测量压 电薄膜特 性参数的两 大 类方 法:直接测量法( 包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉 法和激 光多普 勒振动 法) 和间接测 量法( 传统 阻抗分 析 法) , 详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状 况及存 在的问 题,比 较了这 些方法 的优缺 点,并 对未来 压 电薄膜特性参数的测试表征作了展望。 关键词:压电薄膜; 压电参数;测量方法 中图分类号:T N30; T M 282 文献标识码:A Measurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoel ectric Thin Films WANG Qing ping , FAN Y ue-nong , JIANG Sheng lin (1. H ub ei University of E ducation , Physics & Electronics Dept. Wuhan 430205, Ch ina; 2. Jingdezhen Ceramic Institute, M ech anis m & Electronics Dept. , Jingdezhen 333403, China; 3. Dept. of Electronic Science and T ech nology, Engin eering Research Centre for Function al Ceramics MOE H uazhong University of Science and T ech nology, W uhan 430074, Chin a) Abstract: F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o-electr omechanical sy stem ( M EM S) system wit h the develo pment o f micromation, hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices. But the measurement met ho ds for piezo electric pr operties o f piezoelect ric thin films ar e ver y differ ent fro m those of bulk materials. T wo categ or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper: direct meas- urement(including pneumatic pr essure r ig, cant ilev er method, laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr o- meter met ho d) and indirect measur ement( conventional impedance analy zer ). T he basic pr inciple, measurement char- acter izat ion, applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper, t he adv antag es/disadv antag es o f these techniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterization of piezo electr ic thin f ilms w ere predicted. Key words: piezoelect ric thin film; piezoelectr ic coefficient; measurement methods 压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应 目前, 对于薄膜压电参数的测量方法有很多种, 用在微机电系统( MEM S) 中, 比如微致动器、微泵、 本文主要选取几种可靠性较好, 精度较高的方法加 化学传感器及移动通信中的射频滤波器 等。对 以介绍。这些方法主要分为直接测量法和间接测量 MEM S 器件中压电薄膜的研究有助于新器 件的建 法两类。前者利用正逆压电效应, 直接检测到由外 模和设计, 因此, 准确测量压电薄膜的特性参数十分 加电场产生的位移或施加负载产生的电荷, 由此可 重要。由于薄膜受衬底材料的影响, 其压电特性的 导出逆压电参数( d 33 ) 或横向压电系数( e 31 ) 。间接 表征与体材料相比有很大的不同。目前, 国内对薄 测量法利用正压电效应来研究薄膜的机械特性( 应 膜材料的压电测试表征极少, 国外对薄膜压电参数 力和应变) 和电学特性 ( 电压和电荷) 间的联系。本 的测试已做了很多工作, 建立了很多 创新技术; 然 文主要对当前测量压电薄膜特性参数的各种方法进 而, 文献报道中数据差异非常大, 这意味着很多测试 技术是不准确和不可靠的。因此迫切需要提出一种 1 直接测量法 能被人们广泛接受的标准的测量压电薄膜特性参数 1. 1 气腔压力法 的方法。 气腔压力法是利用气压产生电荷, 看上去简单 1,3 2,3 3 1,3 2,3 3 [14] 行了分析和比较。
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
压电薄膜技术 1压电薄膜概述 体材料（单晶和陶瓷）构成的压电器件因受尺寸限制，应用频率一般比较低，压电薄膜可大大提高工作频率。压电薄膜兼有单晶和陶瓷的优点：即表面光滑致密，容易制造，价格低廉，便于调变，性能可靠稳定。此外，使用薄膜，可以通过调节薄膜厚度，基片类型和电极形式来调整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使压电器件到的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜可以通过特殊方法实现与微机电系统工艺的结合，制造成为微机电系统意义上的微型传感器和执行器。此类微型传感器贴在物体表面，在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征，同时这用材料具有热放电效应，可用做温度传感器。目前，压电陶瓷薄膜已经在惯性器件、声表面波器件等方面得到广泛应用，成为微定位、微驱动的主要解决方法。 常见的压电薄膜材料主要包括具有铁电性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有铁电性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。虽然铁电薄膜的压电效应比非铁电性压电薄膜强，但使用较多的还是ZnO和AlN等非铁电薄膜。 该类非铁电性压电薄膜的始于1963年美国Bell实验室用CdS薄膜实现VHF和UHF频带的体超声波换能器的研究成果。此后，1965年采用反应溅射制备了ZnO压电薄膜。1968年Wauk和Winslow采用蒸发的方法在氮气和氨气气氛中蒸镀金属Al得到AlN压电薄膜。1979年日本的Shiosaki采用射频磁控溅射在玻璃和金属基板上制备了性能较好的AlN压电薄膜，其声表面波机电耦合系数可达0.09%~0.12%。20世纪70年代，CdS薄膜和ZnO薄膜已经走向实用化阶段。 AlN作为宽带隙的直接帯隙半导体，是一种重要的蓝紫光的发光材料。同时，因具有高热导率、高硬度、高熔点和高化学稳定性、大的击穿场强和低介电损耗，尤其是AlN与Si、GaAs等常用半导体材料的线膨胀系数相近及兼容性好等特点，AlN薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。此外，在所有无机非铁电性压电材料中，声表面波沿AlN晶体c轴方向的传输速率最大。因此，具有良好取向的AlN薄膜可用来制作优良的声表面波器件和体波器件。 2压电效应简介 在电场作用下，晶体中的带电粒子可以相对位移而发生极化。在应力作用下，晶体中的带电粒子也发生相对位移。对某些晶体，带电粒子相对位移后正负电荷中心不再重合，因而发生极化，在其两端表面上出现符号相反的束缚电荷，并且面电荷密度与应力之间为线性关系。这种由机械应力面产生表面电荷的效应，称为正压电效应。晶体的这一性质就称为压电性。当晶体受到电场作用时它的某些方向上出现应变，且应变与场强之间是线性相关的，这种现象称为逆压电效应。 正压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变，而引起带电粒子的相对位移，使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否具有压电性是由晶体结构的对称情况决定的。若晶体具有对称中心，它不可能具有压电性；因为这种晶体中，正负电荷中心的对称排列不会因形变而破坏。所以，机械力的作用不能使它发生极化。具有对称中心的晶体，其总电矩始终为零，因而不可能具有压电性。 3结构初探 真空沉积的压电薄膜通常是高度多晶的。各微晶间有程度不同的错向。每个微晶就是一
电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。
压电薄膜传感器工作原理以及应用 压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。 工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。 使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。 压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。 压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。 使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为
2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）
压电薄膜（触摸、力度）按键 刘玲 （贝辛电子科技（上海）有限公司, 上海 200092） 摘要：提出一种新的压电薄膜按键，超薄（厚度仅有0.2mm，体积小、重量轻），柔性（可以自由弯曲，在曲面仪表仪器，衣服等纺织物上使用），能识别力度大小（增加按键在三维力度上的控制，用多力度按键代替多个按键，从而减少按键数量），能实现触摸控制（不需要制作单独的电容滑条，在现有按键基础上直接实现，更加节省空间，比电容按键更加节省功耗），其扩大的应用领域的同时，带来了全新的体验。 关键词：压电薄膜按键，触摸按键，力度按键，压电按键 按键一般用于控制一个电路是否有电信号产生或者电信号流向，最常见的表现形态就是开关。传统按键主要分硅胶按键、薄膜按键和电容按键，这些按键在生活中有着广泛的应用。 1.硅胶按键 所谓的硅胶按键，顾名思义就是以硅胶为原材料制作的按键。硅胶按键属于硅胶制品的一个产品种类，具有优良的耐热性、耐寒性、电气绝缘性等特点，常被运用在电子计算器、遥控系统、电话机、无线电话机、电脑键盘、学习机按键、密码器按键、数码产品按键当中。 图1 硅胶按键的外观图
硅胶本身是是绝缘的，但是在按键方面的应用需要却需要硅胶按键具备导电性能，如何解决这一问题呢？其实很简单，只需要在硅胶按键的底部添加一个导电基面就可以实现。未按下按键的时候，按键底部的导电基与电路板上的铜箔未接触，此时电路处于开路状态。当在硅胶按键顶面施加一定的力，使其按键的导电基向电路板上的铜箔移动，直至导电基与铜箔紧密接触，此时，电流通过导电基流向另一片铜箔，电路导通。下面通过图例，更形象的描述硅胶案件的工作原理： 图2 硅胶按键的结构图 图3 硅胶按键的工作原理 硅胶按键因其成熟工艺，良好的手感舒适度，低廉的价格广泛的运用在众多的产品中。但只有30万次的寿命是其致命的弱点，除此之外，其结构复杂，笨重等缺点，很难满足现代家用电器和数码电子产品对美观的要求。 2.薄膜按键（开关） 由于薄膜按键具有体积小、重量轻、功能全面、外观新颖等一系列特点，且顺应了机电产
压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压
压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。
Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。
Δ响应时间快 压电薄膜传感器与生命体征监测 ——121270036 尹思源一、特点 压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。 当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF 高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF 的灵敏度典型值为10 ~ 15mV /微应变（长度的百万分率变化）。如图： 压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。 二、应用 1. 接触式传感器 利用压电薄膜的动态应变片特性，可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上（例如手腕内侧）。精量电子—美国MEAS传感器的产品型号1001777是一款通用传感器，传感器的一侧涂有压力敏感胶。但这款胶未经生物兼容性认证，在短期试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在皮肤上，再将压电薄膜传感器粘贴在3M 胶带上。 图2显示出重复握紧和松开物体时压电薄膜传感器的反应，输出振幅为3V左右（开路），或大约250με的动态应力。 压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni d 称为压电应变常数 ，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。 压电薄膜的特性、制备和应用总结分析 一、PVDF压电薄膜的概念 二、压电薄膜材料的性能 三、压电薄膜的制备方法 四、压电薄膜材料的应用 一、PVDF压电薄膜的概 压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，它的发展有着十分悠久的历史。自19世纪80年代从CURIE 兄弟在石英晶体上发现了压电效应后，压电材料开始引起人们的广泛注意，随着研究深入，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。这些材料有着十分广泛的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。 PVDF压电薄膜 PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜，在1969年，日本人发现了高分子材料聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride polymer) 简称PVDF，具有极强的压电效应。 PVDF薄膜主要有二种晶型即α型和β型，α型晶体不具有压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原来薄膜中的α型晶体变成β型晶体结构。拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。 与压电陶瓷和压电晶体相比，压电薄膜主要有以下优点： （1）质量轻，它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一，粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响，高弹性柔顺性，可 以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合，机械强度高，抗冲击； （2）高电压输出，在同样受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍； （3）高介电强度，可以耐受强电场的作用（75V/um），此时大部分压电陶瓷已经退极化了； （4）声阻抗低，仅为压电陶瓷PZT的十分之一，与水、人体组织以及粘胶体相接近； （5）频响宽，从10-3Hz到109均能转换机电效应，而且振动模式单纯。 因此在力学中可以测量应力和应变，在振动中可以制作加速度计和振动模态传感器，在声学上可以制作声辐射模态传感器和超声换能器以及用在主动控制中，在机器人研究中可以用作触觉传感器，在医和车辆重量测量上也有应用， 目前对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方向发展，其基础研究也向分子层次、原子层次、纳米层次、介观结构等方向深入，因而功能薄膜材料的研究具有重大意义。 压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。 m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。 PVDF压电薄膜 PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜是本世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。到目前为止，世界上只有少数先进国家生产。PVDF压电薄膜是一种柔软、质轻、高韧度塑料薄膜，可以根据需要制成各种形状，厚度的元件。与微电子技术结合，能制成多功能传感元件。 ?PVDF压电薄膜的应用 o PVDF压电薄膜具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、 机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、 耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等 的片或管等优势。在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全 报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、 地质勘探等技术领域应用十分广泛。产品主要有金、银、铝三个品 种，膜厚30—500μm，产品形状、面积大小，可根据用户需要确 定，是制作改进压力动态传感器和超声、智能探测的新型换能材料。 ?PVDF压电薄膜的优点 o PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷 高10倍，在80℃以下可长期使用。PVDF压电膜质地柔软、重 量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压 电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响 应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；PVDF压电膜优点如下： (1) 良好的工艺性。可用现有设备进行加工； (2) 能制作大面积的敏感元件； (3) 频带响应宽(0～500MHz)； (4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置 结构中； (5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传感器中)； (6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；压电薄膜传感器 生命体征
振动与压电陶瓷实验
【参考版】压电薄膜的特性、制备和应用总结分析
压电陶瓷参数整理
PVDF压电薄膜
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