阶跃激励下压电陶瓷响应时间及谐振频率的测试研究

阶跃激励下压电陶瓷响应时间及谐振频率的测试研究

1880年，薄熙来和魁瑞在研究磨损材料（如石英）时发现了两种电压强度，即（正）压电效应和（即电扩张效应）压电效应。正压电效应是压电介质在力的作用下产生形变时,在介质表面出现异种电荷的现象,利用压电材料的正压电效应,可以将压电材料制作成各种力、压力、加速度等传感器,受到力作用后压电材料表面产生的电荷可作为能源。在外加电场作用下,逆压电效应将使压电材料(PZT)发生形变。具有压电效应的材料有很多,包括压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电高聚物、压电复合材料及压电液晶等,其中PZT压电陶瓷是使用最多的压电材料。通过控制驱动电压,压电功能材料能实现精密的位移输出,可获得较高的位移分辨率(精度大约10-9m),同时压电材料输出具有频率响应高、动态反应快、承载大、性能稳定、不发热、不产生噪声及受外力干扰小等优点。目前对于利用压电功能材料逆压电效应的研究主要集中在压电陶瓷材料作为微位移驱动器、精密定位等工作上,这方面的研究实际上只是利用了压电功能材料逆压电效应中的静态特性,而对于具有超快响应速度和极短响应时间等动态特性方面的研究则显得相对落后。1压电陶瓷性能测试快速响应是压电陶瓷的特点,在施加电压和电流上升速度足够快的条件下,其可在约为其谐振频率周期1/3的时间内到达相应的位移,即t≈13f0(1)t≈13f0(1)压电陶瓷带有测试质量时,谐振频率的计算公式为f0=12π⋅√ΚΤΜeff(2)f0=12π⋅KTMeff−−−−√(2)式中,Meff为有效质量;KT为压电陶瓷的刚度。实验中压电陶瓷所驱动的有效质量Μeff=13⋅ΜΤ+Μ(3)Meff=13⋅MT+M(3)式中,MT为压电陶瓷的质量;M为压电陶瓷上的安装质量,即其上附带结构所增加的质量。1.1压电陶瓷冲击响应特性为了检测压电陶瓷的响应时间,建立了如图1所示测试装置。半导体激光器1发出的激光光束照射在反射镜5上,压电陶瓷4的微小运动使反射镜5发生偏转,反射光束也随之发生转动,压电陶瓷很小的运动能够引起光束照射到硅光二极管位置的较大的变化,从而使照射在硅光二极管2、3上的入射光强发生变化,一个增强、一个减弱,检测2、3差值即可得出压电陶瓷位移的变化。硅光二极管采用日本滨松公司的S4797-01,该器件在没有反向电压的条件下,上升时间小于0.2μs,其响应速度足够快,可以用来检测压电陶瓷的动态响应。所选用的压电陶瓷为哈工大博实精密公司的PTBS200/8×8/10型压电陶瓷,其主要参数为:标称位移10μm(200V);最大位移13μm(260V);最大推力1,000N(260V);刚度80N/μm;质量5.16g。当压电陶瓷上无安装质量时,采用上述公式(1)～(3)计算可得其响应时间约为10μs。为了测试压电陶瓷在阶跃激励下的快速响应特性,设计了170V阶跃电源驱动压电陶瓷,主要元器件是大功率快速MOSFET场效应管IRF9640。IRF9640的导通电阻从隔断状态到导通状态(RON(max)=0.5Ω)的时间小于导通延迟时间(turnondelaytime)和上升时间(risetime)之和:td(on)+tr=(14+43)ns=57ns,而0.5Ω的导通电阻和压电陶瓷0.90μF电容的电压上升时间常数为:TRC=0.5×0.90×10-6=0.45×10-6s=450ns,电压上升时间tR=td(on)+2TRC(>86%)=(57+2×450)ns=957ns<1μs。电源上升时间小于压电陶瓷理论上升时间,从而能实现对压电陶瓷的快速充电过程,保证压电陶瓷快的响应速度。在170V阶跃激励作用下,压电陶瓷阶跃响应曲线如图2所示。多次测试结果显示,从施加170V电压到电压陶瓷初次达到最大位移的时间tp约为15μs,说明压电陶瓷响应输出时间非常短,在时域内可以将其输出看成一个脉冲冲量。在外部电场和压电陶瓷自身结构刚度作用下,压电陶瓷冲击激励所产生的加速度输出可以看成为一个半正弦脉冲。对于半正弦脉冲,其表达式为f(t)={0‚t≤0；Esinπτt‚0<t<τ;0,t≥τ.(4)f(t)=⎧⎩⎨⎪⎪0‚t≤0；Esinπτt‚0<t<τ;0,t≥τ.(4)对式(4)进行Fourier变换,可得其频谱函数|F(ω)|为|F(ω)|=|Eπ/τω2-(π/τ)2|√2+2cosωτ(5)|F(ω)|=∣∣Eπ/τω2−(π/τ)2∣∣2+2cosωτ−−−−−−−−−√(5)由于压电陶瓷受到阶跃电压作用后其位移输出是一个先加速后减速的过程,取压电陶瓷输出的加速度半正弦脉冲时间τ≈tp/2=7.5μs(如图2),根据其频谱函数|F(ω)|则压电陶瓷输出频谱带宽约为f=ω/2π=1.5/τ≈200kHz,压电陶瓷冲击激励所能激励的频带宽度BW/2π=1/τ≈130kHz。从以上分析可以看出,虽然压电陶瓷谐振频率较低,但其冲击产生的频带宽度却要远远高于其谐振频率,能产生很大的激励带宽;适当提高压电陶瓷谐振频率,则其响应时间tp将越短,可激励的带宽将越大。1.2压电陶瓷加速度的测试当压电陶瓷上装载有待测试件,由于受到待测试件及安装条件的限制,压电陶瓷的输出会受到相应的限制。但当压电陶瓷输出位移受到限制时,其可以输出较大的推力,压电陶瓷输出的推力可由下式进行近似计算F=KT·ΔL0(6)式中,ΔL0为无外力约束时压电陶瓷的最大额定输出位移;KT为压电陶瓷刚度(N/m)。则压电陶瓷对安装在其上的待测试件所能产生的最大加速度为amax=FmaxΜeff(7)amax=FmaxMeff(7)式中,Fmax为压电陶瓷输出最大力。为了测试压电陶瓷所能产生的加速度,建立了如图3所示的测试装置。其上安装固定用托板质量为1.70g,所用加速度计质量为4.03g,即:M=5.73g,采用式(3)计算得有效质量为:Meff=7.45g。PTBS200/8×8/10型压电陶瓷的最大输出力Fmax=1000N,则由公式(7)得此时压电陶瓷所能产生的瞬时最大输出加速度为amax=Fmax/Meff=1000/(7.45×10-3)=134228.2m/s2≈13682gn(gn为重力加速度单位,9.8m/s2)。在图3所示装置中,所采用的加速度计量程为10000gn,冲击极限15000gn,灵敏度γ为0.0027mV/gn,其后续信号放大电路的放大倍数AF为100。对压电陶瓷施加170V阶跃电压,测得加速度计输出如图4所示,加速度计输出的电压变化ΔV约为3.5V,则压电陶瓷冲击产生的加速度为a=ΔVγ⋅AF=3.50.0027×10-3×100=12.963gn(8)a=ΔVγ⋅AF=3.50.0027×10−3×100=12.963gn(8)压电陶瓷产生冲击加速度接近13000gn,测试结果与计算结果较为接近,测试结果显示压电陶瓷在阶跃激励作用下冲击过程能产生很大的加速度。2微悬臂梁冲击响应信号测试结果从以上分析可以看出,压电陶瓷冲击响应能产生很宽的激励带宽,且其输出加速度很大。虽然压电陶瓷谐振频率较低,但其冲击激励所能产生的频带宽度却要远远高于其谐振频率带宽。MEMS微器件由于尺寸小、材料弹性模量大,其谐振频率较高,利用压电陶瓷作为冲击激励产生的激励带宽可以满足诸如MEMS等微结构动态测试激励的要求;且适当提高压电陶瓷的谐振频率,则其响应时间tp将越短,可激励的带宽将越大。利用压电陶瓷在阶跃激励下冲击激励能产生较大激励带宽的特点,本文建立了基于压电陶瓷的底座激励装置,测试了几种典型MEMS微结构的动态特性。针对图5所示的压电微悬臂梁,建立了图6所示基于底座激励的微结构动态测试装置。悬臂梁为多层结构,采用MEMS工艺制作。压电微悬臂梁通过粘接的方式固定在压电陶瓷底座激励装置上,从芯片引线至电荷放大器,电荷放大器输出电压信号由计算机采集、分析。采用比对法,测试了图5所示1#、2#压电微悬臂梁谐振频率。实验过程中为了确定压电微悬臂梁的谐振频率,首先接如图5所示1#梁的输出至电荷放大器,在170V电压阶跃激励下压电陶瓷产生冲击激励,采集1#梁的响应信号。图7(a)为压电微悬臂梁受到冲击激励后的响应曲线,图7(b)是对上述冲击响应信号进行FFT分析后得到的频谱图。从图中可以看出,1#梁的冲击响应谱中主要有两个峰值:8.51kHz、47.78kHz。将图5中1#梁与2#梁的输出电极接在一起,使两个梁的输出信号叠加输出。在相同条件下,进行了多次冲击实验,1#&2#梁冲击响应输出及频谱分析如图8所示。从图中可以看出,8.51kHz、47.78kHz的峰值仍然存在,但多出一个新的峰值53.32kHz。由于整个实验过程中条件保持不变,只是将2#梁的输出引入,因此可以判定新出现的53.32kHz的峰值是2#梁引入的。为了确定1#梁的谐振频率,断开1#梁,仅测量2#梁冲击响应输出。冲击响应信号及相应的频谱分析如图9所示。从图中可以看出47.78kHz的峰值已经不再存在,而8.51kHz峰值仍在,只是其频谱幅值变小。根据测试结果可以判定47.78kHz为1#梁的谐振频率,2#梁的谐振频率为53.32kHz。结合压电微悬臂梁结构尺寸,采用有限元分析,也可确定1#、2#微梁的谐振频率。1#梁10次测试实验显示测试结果分布平稳,均集中在47.78kHz附近,最大变化0.015kHz,没有大的波动,说明了基于底座激励的测试方法较为准确。采用上述底座激励装置,针对图10所示的压阻式微机械加速度传感器结构,对压电陶瓷施加90V阶跃激励电压实现对微结构的冲击激励,采用有限元分析与测试相结合的微结构动态测试方法,本文测试了其动态特性。压阻式微机械加速度传感器输出信号放大后由计算机采集、分析。微机械加速度传感器结构典型冲击响应与频谱分析曲线如图11所示,结果中有两个峰值频率:15.65kHz、36.88kHz,如图11(b)所示。根据其尺寸,结合有限元计算结果,确定该微机械加速度传感器谐振频率为15.65kHz。通过比对测试,可以确定36.88kHz的峰值是由于测试装置引入的。通过上述实验,验证了压电陶瓷冲击激励应用在MEMS微结构动态测试上的可行性,且整套装置简单、成本低。同时,对压电陶瓷冲击输出特性的研究可以看出,压电陶瓷瞬时冲击输出加速速度能达到上万gn,其输出加速度可以作为加速度传感器,特别是高g值加速度传感器灵敏度测试的一种有效手段。3压电陶瓷动态测试方法针对压电材料在逆压电效应下具有