压电陶瓷电特性测试与分析

1、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

2、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

3、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 113

4、87-89 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）GB 11312-89 压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11310-89 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于逆压电效应，导致金属片机械变形。因此，当交流电压穿过电极时，金属片弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波，如图1。图1 压电陶瓷蜂鸣片发声原理本文将应用逆压电效应通过在压电陶瓷蜂鸣片两极间施加交变

5、电压，使其产生振动并进入工作状态，然后参考上述标准对压电陶瓷蜂鸣片进行阻抗、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量。主要工作是通过对压电陶瓷蜂鸣片的阻抗测量找出其最大、最小阻抗频率点，再以其为准则确定等效电路模型参数，同时通过改变频率观察电容值的变化。然后再通过使用不同线材和不同的连接方式观察对压电陶瓷电容值测量的影响，最后再进行温度特性、绝缘电阻和介质耐电压的参数测量研究其可靠性。2 测试研究开展2.1 压电阻抗特性确定谐振频率fr压电振子是经过极化处理的压电体是弹性体，具有固有振动频率fr。当加在压电振子上的电信号的频率等于其固有振动频率fr时，压电振子的弹性能最大，发生谐振。此

6、外，它还具有反谐振频率fa、串联谐振频率fs、并联谐振频率fp、最小阻抗频率fm、最大阻抗频率fn等重要的临界频率。图2是压电振子的等效电路模型。L1是压电振子动态电感、C0、C1分别为静电容和动态电容、R1为动态电阻。L1、R1、C1分别于压电振子的质量、内摩擦系数和弹性常数有关，并非电学量，只是为了处理方便才模拟成电学量。模型中只有C0才是电学量。而压电振子材料的弹性、压电和介电常数都可以通过测量压电振子的集合尺寸、串联谐振频率、材料密度和电容等参数来测定。图2 传统压电振子当动态电阻R1为0时，最大导纳频率fm和最小导纳频率fn分别为：当系统处于fm时，输出的应变振幅和振子上流过的电流达

7、到最大值，此时对应的频率称为最小阻抗频率(或称为最大导纳频率)。当外加电信号的频率继续增大，振子输出的电流减小，阻抗达到最大时对应的频率称为最大阻抗频率(或最小导纳频率)fn。即当动态电阻R1=0时，有fm=fs=fr，fn=fp=fa。而实际情况下，此近似偏差一般小于1%6。压电振子的阻抗|Z|与频率的关系如图3所示。图3 压电振子的阻抗|Z|与频率的关系使用HP公司E4980A CLR测试仪分别对标称频率为9 kHz的总厚度0.12 mm尺寸样品5只和标称频率为6 kHz的总厚度0.15 mm尺寸的样品5只进行扫频测量。找出阻抗最小和最大时的频率点fm、fn，按标准GB/T 6427-19

8、99中6.1.2.3的测量方法：使试样的阻抗最小，此时频率为谐振频率fr，见图4。图4 蜂鸣片样品阻抗测试均值与标准偏差实验数据，测试电压1 V通过该测试可以确定0.12 mm厚度样品的fm1=8.6 kHz，fn1=8.9 kHz，0.15 mm厚度样品的谐振频率为fm2=5.9 kHz，fn2=6.2 kHz。与厂家所给标称频率9 kHz和6 kHz相比较，标称频率更接近fn。然后以fm近似代替谐振频率fr，并通过提高频率观察电容值的变化情况。图5为0.12 mm、0.15 mm样品的电容值测试数据，在谐振频率fr处是使电压、电流同相位的，所测得电容值在皮法级，非常微弱，扫频测量数据不稳定

9、。而此处转换为电感值测量后可稳定显示，由此也可以证明其谐振频率值近似一致。图5 某样品在不同频率下电容值测试值，测试电压1 V通过分析图5数据，可以看出其电容测试曲线符合图3的变化规律，然后通过逐渐提高频率的情况下测量电容值的数据可以看出电容值随着频率的升高慢慢趋于稳定，并且在相对高的频率下电容值的变化区间越来越小，通过实验数据可知，0.12 mm样品静电容C0约为11 nF，0.15 mm样品静电容C0约为14 nF。将以上参数代入式(1)、式(2)。可得0.12 mm厚度样品C0=11 nF，C1=1.15 nF，L1=0.63 H；0.15 mm厚度样品C0=14 nF，C1=0.99

10、nF，L1=0.35 H。此外，通过对比谐振频率点与厂家所标识的频率，发现所标识的频率应该是其谐振频率，只是与实际测试值存在偏差，符合行业标准SJ/T 10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总规范）中谐振频率标识的要求，但是对于标准中关于材料、结构、电极形状等参数，厂家却并没有按标准所要求的格式标识出来。2.2 串、并联连接测试本实验将从两个尺寸的压电陶瓷蜂鸣片(0.12 mm和0.15 mm)中各取两只样品进行电桥法实验。首先，分别测量单只样品的电容值，然后按照串联和并联方式连接后进行测量，并与串联、并联公式结果进行比较。串联公式如下式（3），则0.12 mm、0.15 mm样品的串联计算值分

11、别为3.34 nF、2.32 nF。并联公式如式(4)，则0.12 mm、0.15 mm样品的并联计算值分别为13.35 nF、9.28 nF。参考如图2压电振子传统等效电路模型(BVD电路)，若简单采用并联或者串联连接，组件谐振频率偏差未能考虑到，且蜂鸣片之间振子参数机械损耗、互感效应也未能考虑，因此实际测量结果偏差较大。而通过表1数据可以得出压电陶瓷的串、并联电容参数还是较符合一般电容器的串、并联公式计算结果。2.3 线材寄生电容的影响我们通常把分布在导线之间、线圈与机壳之间以及某些元件之间的分布电容等称为寄生电容。虽然数值不大，但很多时候往往是造成干扰的原因之一，特别是在高频下尤其明显。

12、为了解连接线材寄生电容对压电陶瓷器件的影响，分别选取0.12 mm和0.15 mm两个尺寸的压电陶瓷蜂鸣片作为测试样品：选取三种不同芯线径的多股线和一种芯线径的镀银线作为引线，通过改变引线长度来测量蜂鸣片的电容值。图6 蜂鸣片连接引线电容测试通过分析图6数据，可以发现尽管引线所用的线材、线径、长度的差异都比较大，但是最后测量的结果互相之间的差异却非常小，对于来自引线寄生电容的影响几乎可以忽略不计。探究其原因可能有以下两点：(1)引线所产生的寄生电容值约皮法级，相对于在纳法级的样品电容值而言，是微乎其微的。(2)由于实验样品使用的是压电陶瓷蜂鸣片，因此测试频率在可听声范围，并不高。而恰好寄生电容

13、在低频下的影响并不明显，这也是导致最后测出的结果与不用引线测出的结果相差甚微的原因之一。综合来看来自引线的寄生电容，对于测量压电陶瓷蜂鸣片这类压电陶瓷产品的电容值来说影响几乎是可以忽略不计的。2.4 温度变化对电容值影响选0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm三种厚度的压电陶瓷蜂鸣片，利用高低温试验箱MC-711进行-55 、25 、65 下三个温度点在谐振频率fr附近进行测量，观察温度变化对压电陶瓷电容值的影响。通过图7测试结果，可以看出在低温下电容值的一致性不理想，但是在常温及以上电容值的一致性却非常理想，该情况在三种尺寸的样品中均能体现，而且互相之间的变化趋势也基本相同，在常温下

14、的电容值也相对比较稳定。由此推测产品的温度特性应该是与其制造材料、生产工艺和配方有非常大的关系。但是由于本实验的温度测量点相对较少，未能更充分地反应温度变化对电容值的影响，所以本实验的数据研究意义并不大，更多只作为初步的参考作用，为后续对这方面更深入的探究和实验做基础。2.5 绝缘电阻和介质耐电压测试选取0.12 mm、0.15 mm、0.27 mm这3种尺寸的压电陶瓷蜂鸣片作为实验样品，使用HP公司的4339B高阻表分别测量绝缘电阻，其中0.12 mm和0.15 mm的使用100 V直流电压测量，0.27 mm的使用500 V直流测量，测试时间1 min。测试结果如表2、表3。通过对表2、表

15、3数据的分析后发现所有尺寸样品的绝缘电阻参数符合行业标准SJ/T 10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总规范）中对绝缘性能的要求，对不同尺寸的介质耐电压数据进行比对后发现，尺寸更大的产品其绝缘性能更好，可靠性更高。3 结论本文通过实验得到了五个方面的结论：(1)在一级近似下，压电振子的等效电路模型参数可以通过最小阻抗频率fm和最大阻抗频率fn计算得到。(2)通过实验验证了压电陶瓷片是电容性元件，并且通过改变串并联的方式找出了其叠加规律与一般电容器一致，为初次接触压电陶瓷这类材料的人群提供了准确的参考依据。(3)通过使用不同的线材、线径和长度的引线连接压电陶瓷蜂鸣片与测量设备，研究引线产生寄生电

16、容对压电陶瓷蜂鸣片的影响，可知引线的影响在可听声频范围内微乎其微，对选取样品的电容值并没有产生多大的影响。(4)通过对压电陶瓷蜂鸣片进行温度特性的测量，发现其在常温下能获得较稳定的工作状态，因此若想提高压电陶瓷蜂鸣片的可靠性，应该尽量使其工作在常温环境下。(5)最后通过对压电陶瓷蜂鸣片绝缘电阻和介质耐电压参数的测量了解了这些参数对产品可靠性的影响，并且将其结果与国家相关标准所要求的对比，发现产品的设计与制造仅仅只是有部分参数按照相关标准执行，虽然目前我国对压电陶瓷材料的标准大多数并非强制标准，但是随着压电陶瓷材料的使用越来越广泛，普及程度不断提高，对其标准化程度和可靠性要求必然需要大幅度提高。本实验成果可为研究产品可靠性和制定相关标准的技术人员提供一定参考依据，为我国标准化工作和提升国产产品可靠性添砖加瓦。参考文献1 赁敦敏，肖定全，朱建国，等.从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一J.功能材料，2003(34)：250-253.2 吴一辉，杨宜民，王立鼎.压电定位元件的非线性及其线性化控制原理J.功能材料与器件学报，1996，2(3)：166-171.3 张涛，孙立宁，蔡鹤皋.压电陶瓷基本特性研究J.光学精密工程，