压电陶瓷电特性测试与分析

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）

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 6427-1999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。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。