PZT基压电陶瓷的制备及在加速度传感器中的应用

摘要

压电陶瓷发展中的一个重要转折点是PZT系列陶瓷的发现。PZT陶瓷具有较好的压电性能，所以常常被用来制作压电器件，如传感器、变压器等。本文研究了陶瓷材料的制备和性能以及在压电加速度传感器中的应用。压电加速度传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高、抗干扰能力强、环境特性好、安装方便等优点。对于压电加速度传感器，压电陶瓷材料的性能是非常重要的一个方面。　　用传统固相烧结法制备了0.02Pb(Sb0.5Nb0.5)O3-0.98Pb1-2xBaxSrx(Zr0.53Ti0.47)O3压电陶瓷（其中x=0.02，0.03，0.04，0.05）和Pb0.95La0.05ZrxTi1-x+0.6％Nb2O5压电陶瓷（其中x=0.53，0.55，0.57，0.59）材料，并采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对压电陶瓷材料进行了表征分析。第一种配方考察了 Ba、Sr掺杂量和烧结温度对压电陶瓷性能的影响，第二种配方考察了 Zr/Ti比和烧结温度对压电陶瓷性能的影响。结果表明：（1）0.02Pb(Sb0.5Nb0.5)O3-0.98 Pb1-2xBaxSrx(Zr0.53Ti0.47)O3压电陶瓷在Ba、Sr掺杂量x=0.04，烧结温度1260℃时，表现出比较好的综合性能。压电常数d33=615 pC/N，相对介电常数ε33/ε0=2224，介质损耗tanδ=2.11%。（2）Pb0.95La0.05ZrxTi1-x+0.6%Nb2O5压电陶瓷在Zr/Ti=55/45，烧结温度1260℃时，表现出比较好的综合性能。压电常数d33=577 pC/N，相对介电常数ε33/ε0=2286，介质损耗tanδ=1.41%。　　把上述两种压电材料应用在中心压缩式压电加速度传感器上，分别用编号1和2来表示。对传感器性能测试表明：传感器的电荷灵敏度分别是K1=2.72 pC/m·s-2和K2=2.61 pC/m·s-2，最大横向灵敏度比分别是K1max=4.46%和K2max=4.5%，都小于5%，最大线性误差分别是δ1max=2.97%和δ2max=3.02%，最大温度响应偏差分别是ζ1=3.82%和ζ2=4.21%，最大湿度响应偏差分别是α1=3.71%和α2=4.25%，重复性和迟滞特性也都比较好，重复性误差分别是R1=3.71%和R2=3.74%，迟滞误差分别是δH1=2.21%和δH2=2.6%。另外长期测试传感器的电荷灵敏度和最大横向灵敏度比，结果表明：两类压电加速度传感器都具有良好的长期稳定性，传感器电荷灵敏度的不稳定度分别是1.43%和1.92%，最大横向灵敏度比的不稳定度分别是4.48%和4.67%。结果符合通用振动测试类型传感器的使用要求。

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1 绪论

1.1 压电陶瓷及其基本理论

1.2 压电陶瓷的改性

1.3 压电陶瓷的发展

1.4 压电陶瓷的应用

1.5 压电加速度传感器概述

1.6 选题背景与研究意义

1.7 课题研究内容

2 实验过程和测试

2.1 实验材料及设备

2.2 制备工艺及过程

2.3 样品性能测试

2.4 本章小结

3 PSN-PZT压电陶瓷的研究

3.1 XRD图谱分析

3.2 SEM照片分析

3.3 Ba、Sr掺杂量的确定

3.4 烧结温度的确定

3.5 材料使用温度

3.6 本章小结

4 PLZT+Nb2O5压电陶瓷的研究

4.1 XRD图谱分析

4.2 SEM照片分析

4.3 Zr/Ti比的确定

4.4 烧结温度的确定

4.5 材料使用温度

4.6 本章小结

5 压电加速度传感器的制作与测试

5.1 压电加速度传感器的制作

5.2 压电加速度传感器的性能测试

5.3 本章小结

6 结论

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢