一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

PZT-4和PZT-5材料的热释电性能评价及测试方法研究

针对目前PZT-4和PZT-5材料热释电性能缺乏系统研究的问题,采用固相烧结法制备了PZT-4和PZT-5材料,对所制备材料进行了SEM、XRD和介电温谱表征,应用静态和动态测量法相结合的方式,对所制备材料的热释电系数进行了研究,探究了正弦交变温度波振幅和频率对测试结果的影响,并对材料的热释电优值进行了计算。研究结果显示:在频率为16 mHz时,PZT-4和PZT-5材料分别于2.8 V和2.5 V获得了热释电系数的最大值;在电压为2.5 V时,PZT-4和PZT-5材料分别于24 mHz和40 mHz获得了热释电系数的最大值;两种材料的探测率优值均高于目前常用的PVDF材料。研究结果为PZT-4和PZT-5材料在热释电能量收集、非制冷红外焦平面器件等方面的潜在应用提供了定量化参考。

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点,被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料,软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量,进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷,本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_(1/2)Nb_(1/2))_(0.02)Zr_(0.51)Ti_(0.47)O_(3)-0.6%MnCO_(3)(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料,通过掺入一定含量的Li_(2)CO_(3)烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度,并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料,利用流延工艺制备出压电叠层驱动器,并与相同工艺制备的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.25)(Ti_(0.48)Zr_(0.52))_(0.75)O_(3)(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li_(2)CO_(3)通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050℃。当Li_(2)CO_(3)含量为0.1%(质量分数)时,高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优,其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下,PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20℃,且经过5×10^(6)次循环后应变仅降低6%。这表明Li_(2)CO_(3)低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能,而且在发热和疲劳特性方面有较大优势,在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

压电阻抗法中PZT片的形状选择研究

压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)片是压电阻抗法中普遍使用的传感器,首先,对厚度相同且面积相近的圆形、正方形、矩形、五边形、梯形PZT片对同一钢板上相同损伤及其严重程度的敏感性进行了对比。然后,利用有限元软件COMSOL对各形状PZT片主表面平面内位移进行了分析研究。结果表明:在压电阻抗法应用中,面积相同的PZT片,圆形、正方形和矩形对损伤及其严重程度的敏感性较优。矩形PZT片对损伤的敏感性具有方向性,对宽度侧的损伤更敏感。就形状这一单一因素而言,压电阻抗法中PZT片的性能差异,取决于其主表面平面内位移一致性。一致性越好,对损伤及其严重程度的识别能力越强。

用于能量收集器的PMnN-PZT压电陶瓷

试验采用固相合成法,通过Li_(2)CO_(3)掺杂,制得高能量密度的Pb_(0.95)Sr_(0.05)[(Mn_(1/3)Nb_(2/3))_(0.04)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))0.96]O_(3)+0.25wt%CeO_(2)+0.50wt%Yb_(2)O_(3)+0.15wt%Fe_(2)O_(3)三元系压电陶瓷材料。研究分析了掺杂不同质量分数的Li_(2)CO_(3)对PMnNPZT压电陶瓷材料的压电性能、介电性能、相组成及其微观结构的影响。结果显示:当掺杂量为0.1 wt%,烧成温度为1050℃时,材料结构致密,晶粒均匀,材料的压电和介电性能:d 33=340 pC/N,K_(p)=0.60,ε_(r)=725,tanδ=0.23%,Q_(m)=670,g_(33)=53.0×10^(-3)V·(m·N)^(-1),机电转化效率d_(33)·g_(33)为18016.8×10^(-15)m^(2)/N,满足能量收集器用压电陶瓷元件需要。

Sr取代硬性PMS-PZT压电陶瓷研究

采用常规固相反应法合成了Pb_(1-x)Sr_(x)(Mn_(1/3)Sb_(2/3))_(0.05)Zr_(0.48)Ti_(0.47)O_(3+)0.25%CeO_(2)+0.50%Yb_(2)O_(3)+0.15%Fe_(2)O_(3)(PMS-PZT,x=0,0.02,0.04,0.06)的三元系硬性压电陶瓷。采用X线衍射仪、准静态压电常数测试仪和铁电测试仪系统地研究了Sr取代对PMS-PZT陶瓷的相结构及电学性能的影响。实验结果表明,无Sr取代和有Sr取代的PMS-PZT压电陶瓷均具有单一的四方相晶体结构。当x=0.02时,PMS-PZT的性能最佳:d_(33)=415 pC/N,Q_(m)=522,T_(C)=291℃,k_(p)=0.64,ε_(r)=1304,P_(r)=11.32μC/cm^(2),E c=9.05 kV/cm.

柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展

随着柔性传感器技术在人工智能、电子皮肤等领域的应用,柔性PZT复合薄膜压力传感器因具有高柔性以及高压电性能深受研究者的青睐。柔性PZT传感器作为先进智能设备的重要组成部分,对未来机器人电子皮肤以及智慧医疗的进步有重大推动作用。将从柔性PZT复合薄膜压力传感器的工作原理与制备、研究现状及应用等方面进行综述,最后对传感器的现状进行了总结分析,并对传感器的未来发展进行展望。

三种PZT薄片粘贴状态的导纳理论模型的适用性分析

因粘贴状态PZT薄片的导纳理论模型中结构变量难以量化,通过理论计算与实验对比来评价各模型的适用性较为困难。首先从各模型对结构变量定义的角度对比了三种理论模型的差异,然后通过把相同PZT圆片粘贴到不同材料板上,得到粘贴前后导纳曲线会发生的频移和幅值变化规律,并使用该规律定性地分析了三种理论模型的适用性。结果表明,等效电压模型和机械阻抗模型不能体现粘贴后导纳曲线的一致频移,动刚度模型能较好地体现频移和幅值减小,与实验更加相符。

基于PZT压电陶瓷的SiC MOSFET缓冲吸收电路

在高速关断过程中,碳化硅(silicon carbide,SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管器件呈现出严重的电压过冲和振荡,降低器件电压裕量。通常,采用缓冲吸收电路改善SiC器件的关断电压轨迹。然而,现有研究忽略SiC器件与吸收电路的交互规律和工作温度对吸收电路性能的影响,限制缓冲吸收电路的应用。针对这些问题,该文提出一种基于锆钛酸铅(lead zirconate titanate,PZT)压电陶瓷的缓冲吸收电路,分析PZT的温度特性,通过建立半桥电路与PZT缓冲吸收电路的高精度交互模型,揭示PZT缓冲吸收电路与SiC器件的耦合规律,利用特征方程-根轨迹方法,定量刻画PZT缓冲吸收电路的参数设计域。对比评估工作温度对多种缓冲吸收电路性能的影响。实验结果表明,所提设计方法能很好地抑制关断电压过冲与振荡,验证设计方法的有效性。相较于传统RC缓冲吸收电路,PZT缓冲吸收电路在工作温度发生变动后,仍然具有很好的抑制效果,且抑制效果随工作温度的上升而不断增强。为SiC功率器件的暂态稳定性分析,以及功率模块和缓冲吸收电路的集成设计,提供有益的参考。

基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备

压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到222.12 MHz,有效机电耦合系数(keff)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景.

SPS中压力对PZT陶瓷准同型相界(MPB)的影响

采用放电等离子烧结的方法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary,MPB)组分的Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_(3)压电陶瓷,研究了放电等离子的压力对材料中菱面体相和四方相比例的影响.研究结果表明:当在30 MPa下采用放电等离子烧结制备PZT压电陶瓷时,晶体结构处于菱面体相和四方相的混合状态,并且最接近于准同型相界(MPB),其自发极化达到:P s=75.265μC/cm^(-2),压电性能也是所有压力中最高的:d_(33)=136.9 pC/N.证明了压力对于晶体结构有一定的影响,可以调控处在准同型相界附近材料中的菱面体相和四方相的比例,进一步提升材料的性能.

PVDF/PZT混合基质膜的制备及在膜生物反应器中的应用

利用热致相分离(TIPS)法,以乙酰基柠檬酸三丁酯(ATBC)为稀释剂,1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM][PF_(6)])离子液体、锆钛酸铅(PZT)为添加剂,制备了聚偏氟乙烯(PVDF)/PZT混合基质膜.通过研究混合基质膜的微观结构、熔点、结晶度及压电性能等,考察了PZT掺杂量对PVDF/PZT混合基质膜结构和性能的影响.结果表明,当PZT质量分数达到4%时,混合基质膜的微观结构由球晶状与致密状共同组成,致密结构会导致水通量的下降.当PZT质量分数为3%时,其孔隙率为51.4%,纯水通量为333.8 L/(m^(2)·h),机械性能较好,拉伸强度为3.53 MPa.通过高压极化,混合基质膜获得比PVDF膜更高的压电特性,用于压电膜生物反应器(MBR)时,混合基质膜的抗污染性能提高,通量较原膜增加了36.3%.

基于PZT传感器的粉煤灰混凝土强度监测及预测研究

近年来压电陶瓷材料传感器由于低成本、响应快等优点被学者广泛研究,其监测的准确性及灵敏度仍需进一步考究。针对地势陡峭的建筑强度检测工作难度较大的现状,采用嵌入式PZT传感器对粉煤灰为0、20%、40%、60%的混凝土强度变化进行试验监测研究,并构建了其抗压强度预测模型。通过对各组试验在EMI监测、电导与强度关系、强度拟合等方面的分析,结果表明,适量粉煤灰掺量可提高混凝土强度;随龄期的增加,PZT传感器电导峰值下降,频率增加;预测模型预测的各粉煤灰掺量混凝土强度平均误差为3.91、1.95、1.74、0.85,误差较小。PZT传感器可应用于工程,且具有较好的灵敏性、准确性。

Co、Sm共掺杂PZN-PZT压电陶瓷的低温烧结与电性能研究

试验采用传统固相法,成功制备出Co、Sm共掺杂的Pb_(0.95)Ba_(0.05)(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_(0.2)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))_(0.8)O_(3)+0.6mol%Co_(2)O_(3)+0.04mol%Sm_(2)O_(3)三元系压电陶瓷。研究分析了不同烧成温度下PZN-PZT压电陶瓷材料的压电性能、介电性能、相组成及其微观结构。结果显示,Co、Sm共掺杂不仅改善了PZN-PZT的压电、介电综合性能:d_(33)=301 pC/N,K_(p)=0.72,ε_(r)=1486.46,tanδ=0.11%,Q_(m)=515,而且将材料的烧成温度降低到950℃。

基于EMI-CNN的建筑施工模板支撑体系节点健康监测

为预防模板坍塌引发建筑施工安全事故风险,提出一种基于压电阻抗法(EMI)和卷积神经网络(CNN)的模板支撑体系节点智能监测方法。首先,利用压电陶瓷传感器(PZT)的机电耦合特性及其集驱动-传感于一体的特点,建立PZT-节点耦合系统的机电阻抗传感机制模型;其次,基于EMI法,以与待测结构耦合的PZT片电导信号为监测指标,确定模板支撑体系节点松动的发生;然后,以敏感频段内PZT片的801个原始电导信号为模型输入,9个节点松动程度为模型输出,构建162组学习样本和27组测试样本,建立EMI-CNN模型,确定节点松动程度;最后,以一个实际工程中的建筑施工模板体系节点为例,验证EMI-CNN模型的有效性,并对比分析EMI-BP模型。研究结果表明:EMI-CNN模型经过85次迭代达到收敛,预测准确率达到100%,相较于EMI-BP模型提高29.63%。该监测方法可实现对建筑施工模板支撑体系节点健康状态实时、准确、无损监测。

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF∶2HCl∶4NH4Cl∶4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2 400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的d31横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.

PZT铁电厚膜声纳换能器阵列的研制

对8×8元阵列锆钛酸铅(PZT)厚膜声纳换能器芯片进行了设计,对PZT铁电厚膜的微图形的刻蚀工艺及其反应机理进行了深入的研究。最后成功地刻蚀出8×8元声纳换能器图形,为进一步研制PZT厚膜声纳换能器打下了良好的基础。

溶胶-水热法合成PZT纳米粉体及性能研究

结合溶胶-凝胶和水热法的优点,采用改进的溶胶-水热复合法在较低温下制备出纯相PZT纳米粉体,并对粉体的烧结性能进行了研究,分别讨论了烧结温度、保温时间等工艺参数对烧结陶瓷密度、微观结构和压电性能的影响.270℃保温热处理2 h可合成出粒径约为20～30 nm,具有良好分散性的钙钛矿型PZT纳米粉体,且具有良好的烧结活性.在1150℃烧结保温2 h,压电性能达到最优（机电耦合系数：0.50,机械品质因数：410,压电常数：220 pC/N,介电常数：1 060）.结果表明,溶胶水热复合法具有合成温度低、组分易于控制、粉体烧结活性高的优点.

PZT/LaNiO_3/MgO多层结构制备及性能研究

利用激光脉冲法在MgO衬底上沉积制备LaNiO3(LNO)薄膜作为底电极材料,其上利用射频磁控溅射制备了锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜。试验分析了LaNiO3表面结构和形貌,采用快速退火法在不同温度下对样品进行了热处理,发现在500℃即得到(110)取向、晶化完全的PZT薄膜。在5 V测试电压下发现650℃下晶化的样品表现出非常优异的介电和铁电性能,介电常数(rε,)和损耗(tanδ)分别达570和0.05,漏电流在10-9A量级,电滞回线完全饱和且形状对称,剩余极化强度(Pr)和矫顽场(Ec)分别为35.8μC/cm2和76.3 kV/cm。