High-sensitivity piezoelectric microphones based on stacked cellular polymer?lms(L)
Joachim Hillenbrand a)and Gerhard M.Sessler b)
Department of Telecommunications,Darmstadt University of Technology,Merckstrasse25,
64283Darmstadt,Germany
?Received30July2004;revised1September2004;accepted7September2004?
Improvements of the sensitivity of piezoelectric microphones based on charged cellular polymer
?lms are reported.The improvements are achieved by?1?an increase of the piezoelectric
d33-coef?cient of the cellular polypropylene?lms by pressure expansion and?2?stacking of the
?lms.Microphones consisting of a single?lm of such material have sensitivities of about2mV/Pa
at1kHz,independent of size,while for a microphone with?ve stacked?lms a sensitivity of10.5
mV/Pa was measured.The equivalent noise level is about37dB?A?for the single-?lm transducer
and26dB?A?for the stacked version.Advantages of these new piezoelectric transducers include
their simple design,low cost,and small weight,as well as a large range of shapes and sizes
possible.?2004Acoustical Society of America.?DOI:10.1121/1.1810272?
PACS numbers:43.38.Fx,43.38.Ar,43.38.Kb?AJZ?Pages:3267–3270
I.INTRODUCTION
Cellular polypropylene?PP?,after appropriate electrical
charging,is highly piezoelectric.1–3In particular,the piezo-
electric d33-coef?cient of this material reaches values of
about150pC/N in the audio frequency range and is thus
about?ve times as high as that of polyvinylidene?uoride ?PVDF?,the best conventional piezoelectric polymer.It was therefore suggested to use charged cellular PP in electro-
acoustic and electromechanical transducers.In particular,
implementations of loudspeakers,4microphones5,6and
hydrophones6have been described in the literature.Although
of considerably simpler design than conventional transduc-
ers,the previously implemented new devices did not yet
reach the electro-acoustic performance of older capacitive
and piezoelectric systems.
Recently,the piezoelectric activity of cellular PP has
been signi?cantly increased by thickness-expansion of the
polymer.7–11Microphones with such improved?lms,show-
ing sensitivities of about2.2mV/Pa at1kHz,have already
been described by the present authors.12The use of?lm
stacks in such microphones,not yet implemented experimen-
tally,is a method to further enhance the sensitivity of these
transducers.This suggests to build advanced microphones
and to examine their electro-acoustic properties.
In the present letter,the implementation and character-
ization of such microphones are described.In particular,the
cellular?lms are brie?y speci?ed in Sec.II,the microphone
design and measuring methods are outlined in Sec.III,
electro-acoustic measurements on the new systems are re-
ported in Sec.IV,and the properties of these microphones
are discussed in Sec.V.
II.CELLULAR PP
The upper part of Fig.1shows a SEM photograph of the
cross sectional area of a cellular?lm?HS01by VTT,Tam-pere,Finland?.The?lm is usually charged on its surface by
a corona discharge.Due to the ensuing electric?eld in the
interior of the?lm,discharges occur in the voids and charg-
ing as shown in the lower part of the?gure is achieved.A
charge distribution of this kind in a nonhomogeneous mate-
rial causes the piezoelectric effect.2
All piezoelectric?lms used in the present microphones
were made of a commercial cellular PP?lm?VHD40by
Treophan,Neunkirchen,Germany?.Expansion of these?lms
is achieved by a pressure treatment consisting in the appli-
cation of an increased gas pressure for some time,followed
by pressure reduction to atmosphere.This results in an in-
crease of the thickness of the lenslike voids which originally
extends up to about5?m and approximately up to about10?m after expansion.According to the Paschen law,the in-creased thickness after expansion lowers the electric?eld
required for breakdown.Thus,for a given voltage,more
voids experience stronger breakdown,causing an increase of
the piezoelectric coef?cient.Since metallization after the ex-
pansion causes shrinking of the?lm,a second expansion
after metallization softens the material and thus results in
another increase of d33.10
The frequency response of the d33-coef?cient of such
samples was measured,utilizing the inverse piezoelectric ef-
fect,by sinusoidal electrical excitation and interferometric
measurement of the resulting surface de?ection.A typical
response of an expanded sample is shown in Fig.2.In the
audio frequency range,d33-coef?cients of about420pC/N
were found.These values are larger than those previously
reported for nonexpanded samples by a factor of3.The slow
decrease of d33up to about30kHz is due to an increase of
Young’s modulus,while the resonance at approximately140
kHz is determined by Young’s modulus and the mass of the
?lm.9
The pressure dependence of d33was determined quasis-
tatically by measuring the generated charge upon pressure
application.9Typical results show that up to pressures of a
few kPa d33increases slightly.This indicates that the stress–
a?Electronic mail:j.hillenbrand@nt.tu-darmstadt.de b?Electronic mail:g.sessler@nt.tu-darmstadt.de
strain relationship of the cellular ?lms is not exactly linear in this pressure range,as expected for cellular materials.13III.MICROPHONE DESIGN AND MEASURING METHODS
The expanded cellular VHD40?lms were used to con-struct piezoelectric microphones.6,12These transducers con-sist simply of a piece of the cellular material of 0.3cm 2size that is metallized on both sides.For a ?lm thickness of 55?m,the capacitance of the microphone is 8pF.Shielding requires the mounting of the ?lm in a small housing.The microphone output is fed directly into a preampli?er of unity gain ?B&K 2669?14and its output into an audio analyzer ?R&S UPD ?.
In the stacked microphones,the single ?lm is substituted by a stack of ?lms metallized on both sides which are glued on top of each other.Since the sound pressure acts on all ?lms and since the ?lms are electrically connected in series,the output voltages of all layers add up and the open circuit
sensitivity of a microphone with n layers should be n times as high as that of a single-?lm transducer,while its capaci-tance and resonance frequency ?see Sec.V ?decrease by a factor of n .
Electroacoustic measurements were carried out by plac-ing the microphone in an acoustic coupler with a volume of 0.4cm 3.A 1/8-in.condenser microphone ?B&K 4138?,also extending into the coupler,serves as a reference.The sound pressure in the coupler is generated with a small electro-dynamic speaker in a separate cavity coupled by a 4.5-cm-long metallic pipe into the measuring coupler.
Electronic data recording and processing is carried out with the above-mentioned audio analyzer,which allows the evaluation of the frequency response of the sensitivity,its amplitude dependence,the total harmonic distortion,and the noise spectrum of the microphone and its ampli?er.IV.EXPERIMENTAL RESULTS
The measured frequency responses of microphones with one and ?ve ?lms of cellular PP ?lms are shown in Fig.3.As seen from the ?gure,the open-circuit sensitivity of the ?ve-?lm microphone is about 10.5mV/Pa at 1kHz and thus,as expected ?see above ?,almost ?ve times larger than the 2.2mV/Pa of the single-?lm microphone at this frequency.Both responses decrease by about 1dB from 20Hz to 1kHz,as expected from the frequency response of the d 33-coef?cient shown in Fig.2.The ripples seen at 2kHz and above are due to the fact that the dimensions of the pressure chamber with its connector are comparable to a quarter wavelength at these frequencies.
To test the linearity of the microphones,the dependence of the sensitivity on applied sound pressure was examined.The data ?not shown in this letter ?indicates that there is a 3%sensitivity increase up to 3.2kPa ?164dB SPL ?.This result is in qualitative agreement with the increase of d 33with pres-sure,discussed above,and thus an indication of nonlineari-ties of the stress–strain relationship.
The total harmonic distortion ?THD ?of the cellular mi-crophone is also related to this nonlinearity.As measure-ments show,THD increases approximately proportionally
to
FIG.1.SEM photograph of cross section of cellular PP ?lm ?HS01?of 70?m thickness ?top ?and schematic view of charge distribution in this mate-rial ?bottom ?
.
FIG.2.Interferometrically measured d 33-coef?cient for expanded cellular PP ?lm ?VHD40?of 55?m
thickness.FIG.3.Frequency response of cellular PP microphones with single ?lm and a stack of ?ve ?lms,determined by a comparison method in an acoustic coupler.Films of about 55?m thickness ?VHD40?were used.
sound pressure and is less than1%at164dB SPL.This very small distortion originates probably to some part from the loudspeaker used in these experiments.The part generated by the microphone is again due to the small nonlinearities of the stress–strain relationship.
The A-weighted noise voltages of the single-?lm trans-ducer and the?ve-?lm stack transducer,combined with a preampli?er,are3.0and4.2?V,respectively.From these values,total equivalent noise levels?ENLs?of37and26 dB?A?,respectively,are obtained.The noise corresponds closely to that of the preampli?er,as speci?ed by the manufacturer.14The improvement of the ENL for the stack microphone by11dB is due to the increase of the sensitivity ?14dB?,reduced by the increase of the preampli?er noise which is mainly due to the lowering of the capacitance (?3dB).
V.DISCUSSION AND CONCLUSIONS
The sensitivity M of the single-?lm microphone de-scribed above is related to the d33-coef?cient by15
M?d33?s1??s2?
??0,?1?
where s1and s2are the combined thicknesses of all solid or gas parts of the cellular?lm,respectively,and?o and?are the absolute and relative permittivities,respectively.From Eq.?1?the observed sensitivity of2.2mV/Pa is obtained for s1?26?m,s2?30?m?calculated from the density and to-tal thickness of the?lm?,and??2.35by substituting d33
?475pC/N,which is close to values actually measured in-terferometrically?cf.Fig.2?.
The measured sensitivity of10.5mV/Pa for a?ve-?lm microphone is very high for a piezoelectric microphone and is comparable with sensitivities of electret condenser micro-phones.Even higher sensitivities may be possible by further increasing the d33-coef?cients which can be achieved by in-creasing the charge density and by decreasing Young’s modulus of the cellular?lms.10The sensitivity may also be improved by increasing the number n of piezoelectric?lms in the stack microphone.Since such an increase lowers the capacitance of the device,stray capacitances and the input capacitance of the preampli?er have an adverse effect on the sensitivity.For this reason,the sensitivity of the present ex-perimental design will not gain very much by increasing n beyond5.However,systems with reduced stray capacitance and/or with larger transducer area will show improved sen-sitivities for n?5.The eventual limit will be reached when the?lm stack capacitance becomes smaller than the input capacitance of the preampli?er.
Equally important is the equivalent noise level which is at37and26dB?A?for the single-and?ve-?lm micro-phones,respectively.Particularly the latter value is again comparable with that for typical electret microphones16and is much better than that of previous cellular microphones?52 dB?A??.6
A drawback of the present cellular microphones is their decrease of sensitivity at temperatures in excess of60°C due to the instability of the electret charges in the cellular PP ?lm.Efforts are underway to produce cellular?lms of poly-mers with better charge stability than that of the presently used PP types.
Additional features of the cellular microphones are their low harmonic distortion and their high resonance frequen-cies.As Fig.2shows,the resonance frequency of a single-?lm microphone is expected to be at about140kHz.For a stack of n?lms,the resonance frequency decreases by a factor of n since the mass of the system increases and the stiffness decreases by this factor.This suggests a resonance frequency of28kHz for the?ve-?lm transducer.
In addition to these features,the cellular PP micro-phones have a simple design.The transducers consist essen-tially only of one or several pieces of charged and metallized cellular?lms,equipped with suitable backing and shielding. No miniature air gaps,as in electret microphones,have to be maintained.Cellular microphones can therefore be manufac-tured at very low cost.These features make such micro-phones very suitable for a wide range of applications.
Because of the ambiguous meaning of the term‘‘cellular microphones’’and in view of the correlation of electret and piezoelectric properties in cellular?lms,we suggest calling these transducers‘‘piezo electret microphones.’’ACKNOWLEDGMENTS
The authors are grateful to Dr.Xiaoqing Zhang for preparation of the expanded cellular?lms,to Treofan for supplying the original?lms,and to the Deutsche Fors-chungsgemeinschaft and the V olkswagen Foundation for?-nancial support.
1J.Lekkala,R.Poramo,K.Nyholm,and T.Kaikkonen,‘‘EMF force sensor–a?exible electret?lm for physiological applications,’’Med.Biol. https://www.doczj.com/doc/7818663153.html,put.34,67–68?1996?.
2G.M.Sessler and J.Hillenbrand,‘‘Electromechanical response of cellular electret?lms,’’Appl.Phys.Lett.75,3405–3407?1999?.
3S.Bauer,R.Gerhard-Multhaupt,and G.M.Sessler,‘‘Ferroelectrets:Soft Electroactive Foams for Transducers,’’Phys.Today57,37–43?February 2004?.
4M.Antila,T.Muurinen,J.Linjama,and H.Nyka¨nen,‘‘Measurement methods of?at panel electromechanical?lm loudspeakers,’’Active97, 607–618?1997?.
5H.Nyka¨nen,M.Antila,J.Kataja,J.Lekkala,and S.Uosukainen,‘‘Active control of sound based on utilizing EMFI-technology,’’Active99,1159–1170?1999?.
6R.Kressmann,‘‘New piezoelectric polymer for air-borne and water-borne sound transducers,’’J.Acoust.Soc.Am.109,1412–1416?2001?.
7M.Paajanen,M.Wegener,and R.Gerhard-Multhaupt,‘‘Understanding the role of the gas in the voids during corona charging of cellular electret ?lms—a way to enhance their piezoelectricity,’’J.Phys.D34,2482–2488?2001?.
8J.Hillenbrand,X.Zhang,J.Zhang,and G.M.Sessler,‘‘Pressure-treated cellular polypropylene with large piezoelectric coef?cients,’’2003Annual Report,Conf.Electric.Insul.and Diel.Phenom.?2003?,pp.40–43.
9X.Zhang,J.Hillenbrand,and G.M.Sessler,‘‘Piezoelectric d
33
-coef?cient of cellular polypropylene subjected to expansion by pressure treatment,’’Appl.Phys.Lett.85,1226–1228?2004?.
10X.Zhang,J.Hillenbrand,and G.M.Sessler,‘‘Improvement of piezoelec-tric activity of cellular polymers by a double-expansion process,’’J.Phys. D37,2146–2150?2004?.
11M.Wegener,W.Wirges,R.Gerhard-Multhaupt,M.Dansachmu¨ller,R. Schwo¨diauer,S.Bauer-Gogonea,S.Bauer,M.Paajanen,H.Minkkinen,
and J.Raukola,‘‘Controlled in?ation of voids in cellular polymer ferro-electrets:Optimizing electromechanical transducer properties,’’Appl. Phys.Lett.84,392–394?2004?.
12J.Hillenbrand and G.M.Sessler,‘‘New piezoelectric transducers based on expanded cellular polymer electrets,’’in Proceed.of ICA2004,The18th Internat.Congress on Acoustics,Kyoto,Japan,2004,V ol.I,349-352. 13L.J.Gibson and M.F.Ashby,Cellular Solids,2nd ed.?Cambridge U.P.,
Cambridge,1997?.
14See data sheet‘‘B&K microphone preampli?er type2669,’’https://www.doczj.com/doc/7818663153.html,/pdf/bp1422.pdf
15J.Hillenbrand and G.M.Sessler,‘‘Piezoelectricity in cellular electret ?lms,’’IEEE Trans.Dielectr.Electr.Insul.7,537–542?2000?.
16G.M.Sessler,‘‘Microphone,’’in Encyclopedia of Science&Technology, 9th ed.,V ol.11?McGraw-Hill,New York,2002?,pp.88–95.
压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
薄膜材料的应用与发展 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。 1 膜材料的发展 在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。 自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 2 膜材料的应用 人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。 利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。 膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。 更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1] 3 膜材料的分类 近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。 3.1金刚石薄膜 金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。 近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
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19卷 第1期 石家庄铁道学院学报Vol . 19 No .12006年3月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Mar .2006 PV D F 压电薄膜结构监测传感器应用研究 杜彦良, 宋 颖, 孙宝臣 (石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所,河北石家庄 050043) 摘要:压电材料是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的传感材料之一。由于P VDF 压电薄膜具有制作成本低、机械性能好、灵敏度高等优点而受到了广泛关注。以P VDF 压电薄膜作为结构监测的传感元件,对P VDF 的应变传感原理进行了研究,并建立了基于信号采集与处理的P VDF 应变监测系统,最后对P VDF 监测构件裂纹进行了实验。实现了压电薄膜的应变与裂纹监测,为实际工程应用奠定了基础。关键词:P VDF 压电薄膜;应变传感;裂纹监测 中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:10063226(2006)01000104 收稿日期:20050704 作者简介:杜彦良 男 1956年出生 教授 1 引言 动态应变的测量一直是许多工程和力学工作者所关心的问题。常用的应变传感器有金属电阻应变片和半导体应变片。前者的灵敏度系数较低,后者的灵敏度系数有非线性和受温度影响大的缺点。因 而,开发研究新的应变测量技术是很有意义的[1]。 压电材料是智能材料系统中应用最为广泛的一类传感材料,近年来研制开发的P VDF 压电薄膜,由于柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀和可以任意分割等优点而受到广泛应用。尤其是它的压电电压常数高,与基体结合后对结构的性能影响很小,对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应,频响范围宽(0.1Hz 到几个GHz ),因此更适合用作传感元件。P VDF 测量应变,利用了P VDF 薄膜横向变形输出电荷的原理,由于P VDF 压电薄膜的电容较小,当它受外力作用时所产生的电荷很难长时间保持,因此更适宜用于结构的动态监测。 对以P VDF 压电薄膜作为传感元件进行动态应变测量的原理进行了研究,并建立了应变监测系统,力图实现基于P VDF 的结构应变与裂纹监测,从而推动大型结构健康监测的研究。 2 PVD F 压电薄膜应变传感原理及等效模型 2.1 PV D F 传感特性 在具有压电特性的材料中,电学参量和力学参量不再是相互独立的,而是相互联系的。压电方程是反映压电材料的电学量(E,D )和力学量(T,S )之间相互关系的物态方程。由于边界条件和自变量的差异,使其具有不同的形式[2]。为了直接描述P VDF 压电薄膜的输出电信号与应变之间的关系,采用第一类压电方程(d -型压电方程)。P VDF 压电薄膜作为传感元件使用时,外加电场为零,这时压电方程可表示为 D i =d ij T j (i =1,2,3,j =1,2, (6) (1)式中,d ij 是压电常数。 P VDF 压电薄膜的电荷输出是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应 Q = ∑d ij E PVDF εj S (2)
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
---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
第六章 薄膜材料及其应用（1） 主要内容 一、超硬薄膜 二、智能薄膜 三、纳米薄膜 四、三族元素氮化物薄膜 五、巨磁和庞磁薄膜 六、铁电薄膜 七、红外敏感薄膜 八、人工周期调制材料 一、超硬薄膜 材料的硬度不仅取决于材料的宏观性质（弹性和塑性），而且 也取决于材料的微观性质（原子间的相互作用力）。合成超硬材料对于了解原子间相互作用的微观特性与宏观特性间的基本关系，以及纯技术的应用都十分重要。 超硬材料（包括已有超硬材料和理论预言超硬材料）可以分为三类： 1. 由周期表中第2、3周期的轻元素所形成的共价和离子-共价化合物； 2. 特殊共价固体，包括各种结晶和无序的碳材料； 3. 与轻元素形成的部分过渡金属化合物，如：硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。 超硬材料的特点 1. 超硬材料在正常条件下大多是亚稳相； 2. 绝大多数超硬材料都是共价型或离子型固体； 3. 过渡金属化合物超硬材料具有共价键和金属键； 4. 超硬材料在元素周期表中都由位于中间位置的主族元素组成，这些元素具有最小离子、共价或金属半径，且固态中的原子间具有最大的结合能； 5. 元素中电子壳层的周期填充使固体中的原子半径或分子体积呈规律性变化； 6. 元素固相在变化时，如具有最小摩尔体积，则具有最大的体弹性模量、最大的结合能和最高的熔点。满足Aleksandrov 关系： k 为体弹性模量，Vm 为摩尔体积，Ec 为结合能 对单一元素的固体， 绝大多数在1-4； （一）由原子序数较小的元素形成的超硬化合物 这些超硬材料由位于第2、3周期中的元素如：铍、硼、碳、氮、氧、铝、硅、磷 的化合物组成。它们能形成三维刚性点阵、原子间具有较强的共价键。典型的离子-共价化合物例子是氧化物，如：刚玉Al2O3，超石英（SiO2的高压相）。 这些超硬化合物主要有：BeO 、B6O 、P2O5、Al-B-O 系统、CNx 、SiC 、Be2C 、Si3N4及其它硼碳化合物、硼磷化物、硼硅化物等。 （二）碳材料 由于C 原子间存在不同类型的化学键合，所以C 存在大量的同素异构体和无序相。如 sp3 C 杂化键合形成的金刚石，是最硬的的已知材料。所以可将碳划到特殊材料。 单晶金刚石的维氏硬度达70-140GPa 。另一sp3 C 杂化键合形成的六方金刚石具有与金刚石类似的力学性质。近年来，利用各种沉积技术，制备了高sp3 键合度的非晶碳膜，也称类金刚石薄膜。它的显微硬度达到70GPa 。足球烯C60是有C 的sp2 原子键合形成m c V E k ∝160.5/E kV c m -≡
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
第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路
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
压电陶瓷特性分析（一） 压电效应 压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。 能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6?H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。另一类压电晶体 称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。 电介质的极化 压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。 电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因，极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有三种[97]。 (1) 组成电介质的原子或离子，在电场 作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子 的负电中心出现不重合，从而产生电偶极 矩，这种极化称为电子位移极化。 (2) 组成电介质的正负离子，在电场 作用下发生相对位移，从而产生电偶极 矩，这种极化称为离子位移极化。 (3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取向是无序的，整个电介质的总电矩为零(图5.1)。当外电场作用时，这些电偶极矩将
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 压电陶瓷 学院: 长春理工大学光电信息学院班级: 无机非金属材料工程 姓名: 张瑞君 学号: 0914119 日期: 2012-9-24 压电陶瓷 引言 压电陶瓷能够自适应环境的变化实现机械能和电能之间的相互转化，具有集传感、执行和控制于一体的特有属性。近几年关于压电陶瓷的研究越来越受人们的关注，同时也发现了它的许多优越性，但是也存在缺陷。比如含铅压电陶瓷中就含有对环境有污染的铅，而环境是人类生存和发展的基础。因此，保护环境和发展环境协调型材料及制备技术是二十一世纪材料科学发展的必然趋势。 1.1压电陶瓷 压电陶瓷的概念，所谓压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷,属于无机非金属材料。它是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结固相反应后而成的多晶体并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称这是一种具有压电效应的材料。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动。可以用来探寻水下鱼群的位置和形状对金属进行无损探伤以及超声清洗、超声医疗还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁对塑料甚至金属进行加工。 1.2 压电陶瓷的分类以及特性 压电材料是指一种具有压电效应的材料其按物理结构分类：石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸锂、硫酸锂、钽酸锂、锗酸锂、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾钠、偏铌酸铅、锆钛酸铅、偏铌酸铅钡、铌镁-锆-钛酸铅、铌钴-锆-钛酸铅、铌锌-锆-钛酸铅、铌锑-锆-钛酸铅铌锰-锆-钛酸铅、压电高分子聚合物、聚偏二氟乙烯、PVDF 复合压电材料等压电材料。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。 谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、压电陶瓷
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