基于晶體變形的壓電石英測試?yán)碚撗芯颗c應(yīng)用

高長銀 吳曉鈴 錢 敏

1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州，450015 2.鄭州大學(xué)，鄭州，450001 3.大連理工大學(xué)，大連，116024

0 引言

人們發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)[1]已有100多年，壓電效應(yīng)研究一直是壓電學(xué)基礎(chǔ)理論研究的核心課題。由于科技發(fā)展和工程實(shí)際的需要，壓電效應(yīng)的研究已經(jīng)由單純基于應(yīng)力的縱向、橫向、剪切等二維效應(yīng)研究[2－3]發(fā)展到基于晶體拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的三維復(fù)合效應(yīng)研究。

基于晶體變形的三維壓電效應(yīng)研究屬晶體物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、靜電學(xué)、彈性力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)等多學(xué)科交叉研究的前沿課題，如果說縱向、橫向、剪切等壓電效應(yīng)研究是從晶體應(yīng)力角度出發(fā)，揭示了機(jī)電耦合與變換的內(nèi)在規(guī)律，那么扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、彎曲效應(yīng)研究則是從晶體變形上反映壓電晶體的上述規(guī)律?；诰w變形壓電效應(yīng)研究將壓電效應(yīng)從二維發(fā)展到三維，從線性極化發(fā)展到非線性極化，將束縛電荷從單電極提取發(fā)展到多電極復(fù)合提取，…，從而在一定程度上發(fā)展了壓電學(xué)科的理論體系。

目前國內(nèi)外對晶體變形效應(yīng)進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[4-5]定性地研究了不同驅(qū)動電極配置所導(dǎo)致的石英晶體扭轉(zhuǎn)振動情況及其所產(chǎn)生的電荷分布，但并沒有建立嚴(yán)格的定量關(guān)系。日本TOKIN公司采用在壓電陶瓷圓筒表面涂覆與圓筒中心線成45°的交變曲折電極的方法制作了一種簡單的壓電扭轉(zhuǎn)致動器[6]，然而利用該壓電扭轉(zhuǎn)致動器的逆效應(yīng)來測量扭矩，特別是測量準(zhǔn)靜態(tài)、靜態(tài)扭矩，在目前技術(shù)情況下很難實(shí)現(xiàn)。四川壓電聲光所1994年研制出基于單層扭轉(zhuǎn)壓電效應(yīng)的超聲旋轉(zhuǎn)致動器，主要用于靜態(tài)與動態(tài)交互操作精密定位，定位精度可達(dá)到1±0.5個(gè)脈沖[7]。陜西師范大學(xué)對夾心式壓電超聲扭轉(zhuǎn)振動換能器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用沿切向極化帶孔的壓電陶瓷圓片的方法，建立了換能器共振頻率方程，并對影響扭振頻率的有關(guān)因素進(jìn)行了定量分析[8－9]。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制成一種具有扭轉(zhuǎn)振動的拼接壓電復(fù)合材料，可用于制作橫波換能器[10]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出壓電陶瓷管驅(qū)動的三自由度微操作手[11－12]。

自2001年起，我們對石英晶體扭轉(zhuǎn)、彎曲效應(yīng)進(jìn)行理論數(shù)值解析與實(shí)驗(yàn)研究，研究了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、彎曲效應(yīng)的形成機(jī)理、機(jī)電耦合物理模型、束縛電荷與極化電場分布，切型優(yōu)化、靈敏度分布規(guī)律等理論基礎(chǔ)課題[13－14]，并直接利用晶體變形效應(yīng)研制開發(fā)了石英單體扭矩傳感器、鉆削測力儀以及微彎曲雕刻裝置等產(chǎn)品[15－16]。本文對我們近10年來關(guān)于晶體變形壓電效應(yīng)研究的理論成果和應(yīng)用進(jìn)行了回顧和分析。

1 基于晶體變形的壓電效應(yīng)理論研究

1.1 石英彎曲效應(yīng)研究

某種切型的石英晶體受到彎矩作用，相當(dāng)于在同一截面上同時(shí)作用著拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，那么在該晶體表面上將出現(xiàn)正或負(fù)的束縛電荷。反之，當(dāng)某種電場作用在該切型的石英晶體上時(shí)，晶體便產(chǎn)生彎曲變形或彎曲運(yùn)動，這就是石英晶體的正彎曲效應(yīng)與逆彎曲效應(yīng)。

當(dāng)彎矩M作用在石英晶體的xyt（0～5°）切型上時(shí)，由于在oxz截面上部產(chǎn)生拉應(yīng)力，下部產(chǎn)生壓應(yīng)力，根據(jù)壓電系數(shù)d12可知，在上下表面分別產(chǎn)生正負(fù)束縛電荷，如圖1a所示。又如，當(dāng)M作用在yxt（0～5°）切型上時(shí)，則在晶體棒兩端出現(xiàn)正負(fù)電荷，如圖1b所示[14－17]。

圖1 彎曲效應(yīng)示意圖

在上述正效應(yīng)的基礎(chǔ)上，如在電荷面覆上電極（單電極或分割電極）并施加電場，則晶體便產(chǎn)生彎曲變形或彎曲運(yùn)動。如在xyt（0～5°）切型石英晶體棒垂直于x軸的表面上布上圖2a所示的分割電極并施加電場，便會產(chǎn)生寬度彎曲變形或彎曲振動。如果上述同一晶體上按圖2b所示在四個(gè)柱面上布上電極，則晶體將在oxy面上產(chǎn)生厚度彎曲變形或彎曲振動。

圖2 逆彎曲效應(yīng)示意圖

1.2 石英扭轉(zhuǎn)效應(yīng)研究

1.2.1 石英晶柱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)研究

扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是當(dāng)晶體受到扭矩作用時(shí)，在晶體表面出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象。如當(dāng)xzt（Z0°）切型晶體棒上受到扭矩Mt作用時(shí)，便在晶體四周產(chǎn)生束縛電荷，如圖3所示[18]；反之，如果在晶體棒相應(yīng)四個(gè)電極上按一定規(guī)律施加電場，則晶體棒將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形或扭轉(zhuǎn)振動，這是逆扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)證明，所施加的扭矩與產(chǎn)生的電荷呈明顯的線性關(guān)系，如圖4所示[19]。

圖3 晶柱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)示意圖

圖4 扭矩與極化電荷的關(guān)系曲線

1.2.2 石英晶片扭轉(zhuǎn)效應(yīng)研究

當(dāng)Y0°切型石英晶片上受到扭矩Mt作用時(shí)便在晶片表面產(chǎn)生束縛電荷，如圖5所示[13，20]。

圖5 晶片扭轉(zhuǎn)效應(yīng)示意圖

根據(jù)各向異性彈性理論及有物質(zhì)存在時(shí)靜電場理論，得到束縛電荷的分布規(guī)律，如圖6所示（扭矩為1N·mm）。由圖6可以看出，極化電荷分布是非均勻的，晶片上以x＝0為分界線，在x＞0時(shí)，電荷密度與y坐標(biāo)無關(guān)，與x成線性關(guān)系，且為正；而在x＜0時(shí)，電荷密度與y坐標(biāo)無關(guān)，與x成線性關(guān)系，且為負(fù)。所以檢測該扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，必須在晶片上布置兩片半圓環(huán)形電極，一片檢測正電荷，另一片檢測負(fù)電荷，即采用分割電極法進(jìn)行測量。

圖6 面極化電荷分布圖

這一點(diǎn)可通過有限元仿真計(jì)算得到證明，壓電體極化將在空間產(chǎn)生電場，其電場等效于面束縛電荷和體束縛電荷所產(chǎn)生的電場，等效束縛電荷所產(chǎn)生的電場同樣滿足麥克斯韋方程組。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，無論是電場強(qiáng)度還是電勢都與x軸成反對稱分布。

圖7 電磁場有限元模擬圖

1.2.3 扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度分布規(guī)律研究

扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度分布規(guī)律研究是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，也是研制與生產(chǎn)扭矩傳感器的工藝?yán)碚摶A(chǔ)。扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度分布是指在一定的扭矩下對特定切型的晶片采用分割電極法進(jìn)行扭轉(zhuǎn)電荷檢測時(shí)，電極分割線在不同位置（電極貼放角度不同）時(shí)檢測的電荷量變化規(guī)律，如圖8所示[13]。

圖8 電極貼放角度示意圖

圖9所示為實(shí)測的扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度分布規(guī)律曲線，橫坐標(biāo)為電極分割線與晶體坐標(biāo)系y軸之間的夾角α，縱坐標(biāo)為不同扭矩作用下電極檢測到的電荷量。由圖9可以看出，該扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度在不同扭矩作用下變化規(guī)律相同，而且在同一扭矩下靈敏度分布呈余弦變化規(guī)律。

圖9 扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度分布曲線

綜上所述，要獲得最大扭轉(zhuǎn)電荷靈敏度，電極分割線必須與坐標(biāo)系的y軸重合，這為傳感器的設(shè)計(jì)與安裝提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

2 基于晶體變形壓電效應(yīng)傳感器與執(zhí)行器的開發(fā)

2.1 壓電微細(xì)雕刻執(zhí)行器

由壓電彎曲效應(yīng)可知，即使在同一切型上，由于電極布置不同，也將產(chǎn)生不同方向的彎曲變形和伸縮變形。直接應(yīng)用彎曲效應(yīng)布置電極如圖10所示，并將晶體棒一端固定成懸臂梁，自由端裝上筆尖或微型刀具，當(dāng)在電極上施加不同的驅(qū)動電場時(shí)，便可做成新型執(zhí)行器，該執(zhí)行器可用于三維微細(xì)雕刻操作中[21]。

圖10 壓電微細(xì)雕刻執(zhí)行器示意圖

2.2 扭矩傳感器

由石英晶片的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可知，由于晶片表面產(chǎn)生的束縛電荷以y軸反對稱分布，所以當(dāng)在其整個(gè)表面粘貼一片電極時(shí)，在扭矩的作用下，輸出電荷正好大小抵消，而不呈現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此特提出只用三片Y0°切型的石英晶片對裝，四片檢測電極置于晶片之間，兩兩交錯相連，如圖11所示。當(dāng)僅有徑向力作用時(shí)，各晶片產(chǎn)生的電荷情況如圖11a所示，正好相互抵消，理論上輸出為零。當(dāng)僅有扭矩作用時(shí)，電極A與C、B與D產(chǎn)生的電荷符號相同，大小相等，電極A與C并聯(lián)后輸出，電極B與D并聯(lián)后接地，見圖11b。由圖11可見該方法只需采用一部電荷放大器，且電極輸出為單電極的兩倍，提高了扭轉(zhuǎn)晶組的電荷靈敏度[15－22]。

圖12為該扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)圖，該扭轉(zhuǎn)傳感器已獲國家發(fā)明專利[23]。

圖11 扭矩測量晶組

圖12 扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)圖

2.3 三向鉆削測力儀

圖13為三向鉆削測力儀結(jié)構(gòu)圖，該測力儀內(nèi)設(shè)兩組晶片，其中一組晶片組成扭矩、徑向力敏感組件，另一組晶片組成拉壓力敏感組件[16]。

圖13 三向鉆削測力儀結(jié)構(gòu)

該三向鉆削測力儀的核心是扭矩、徑向力合用一組具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的石英晶片，如圖14所示。當(dāng)僅施加扭矩時(shí)，電極1和2產(chǎn)生等量、符號相反的電荷，即QMt和－QMt，見圖14a。當(dāng)僅施加徑向力時(shí)，電極1和2產(chǎn)生等量、符號相同的電荷，即QFr，見圖14b。當(dāng)徑向力和扭矩同時(shí)作用時(shí)，電極1產(chǎn)生的電荷為QMt＋QFr，電極2產(chǎn)生的電荷為－QMt＋QFr，將兩電極產(chǎn)生的電荷相加，結(jié)果為2QFr，它僅與徑向力有關(guān)，與扭矩?zé)o關(guān)；將兩電極產(chǎn)生的電荷相減，結(jié)果為2QMt，它僅與扭矩有關(guān)，與徑向力無關(guān)。因此，可采用一組具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的晶片同時(shí)感知扭矩和徑向力。

3 結(jié)束語

（1）某種切型的石英晶體受到彎矩作用，那么在晶體表面上將出現(xiàn)束縛電荷。反之，當(dāng)電場作用于石英晶體上時(shí)，晶體便產(chǎn)生彎曲變形。

（2）當(dāng)晶體受到扭矩作用時(shí)，在晶體表面出現(xiàn)束縛電荷的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所施加的扭矩與產(chǎn)生的電荷呈明顯的線性關(guān)系。

圖14 徑向力和扭矩測量晶組

（3）在工程實(shí)際中，直接應(yīng)用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可開辟一種扭矩測量新方法，解決了移動扭矩測量問題；可利用彎曲效應(yīng)開發(fā)出新型壓電雕刻筆式執(zhí)行器。

（4）基于晶體變形的壓電效應(yīng)的探索與開發(fā)，無論對壓電學(xué)體系的發(fā)展與完善還是工程實(shí)際應(yīng)用都有研究的必要性。

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