小型PZT压力探针制备工艺研究

    1　引言

    PZT压力探针是一种压电式压力传感器^[1]。它无需外加电源,从而避免了因外加电源而带来的噪声影响;它具有很高的固有频率,因此频率响应快;并且其灵敏度高,可用于测量快的压力变化。如测量爆炸时的冲击波压力、瞬间的压力峰值,适用于动力学测量^[2]。

    压电式压力传感器的工作原理是压电效应。把压电式传感器看成一个静电发生器,当压电晶体受力F作用时,电容器上就产生电荷Q,若压电系数为d,则

　　Q=d·F                  (1)

    即压电晶体承受的应力与输出电荷成正比。假定MOS-FET高增益放大器的开环增益A为无限大,并且没有漏泄电阻,则输出电压

　　V_o=-Q/CR

压电晶片两端产生的电荷Q均移向CR,且与压电晶片本身的电容和连接电缆的电容无关^[3]。正是利用这一效应,并对其产生的电荷或电压放大测量,然后转换成压力、加速度、机械冲击和振动等物理量^[4]。

    自1980年Mitchell等用PZT传感器测量液体中的冲击波速度取得成功后,美国Dynasen Inc.随之研制和生产了几种规格的单体PZT探针,提供给美国三大核武器实验室等单位使用。在我国,20世纪后期也有利用PZT探针测量冲击波速度的应用。在核禁试后,我国在次临界实验中提出对核材料、模拟材料以及相关材料进行动态参数的精密测量,PZT压电传感器有了更进一步的发展。

    在动高压实验中,用电探针测量获取状态方程参数较常见。但当材料中的冲击压力低于10 GPa或材料为绝缘、液体时,电探针的使用受到了极大的限制,测量精度也不能满足要求。而PZT压力探针在冲击波诊断系统中,可代替电探针,用以测量冲击波到达时间,特别是用在具有单波结构的中、低压力区,进行一些金属材料、绝缘材料和液体的状态方程参数测量以及进行低压材料本构关系研究。

    2　PZT压力探针的结构设计

    设计的PZT压力探针结构如图1所示。陶瓷体的尺寸设计为 1 mm×0.5 mm,探针的外径为 1.5 mm,右端设计为插针形状,便于使用时安装连接。

    该PZT压力探针的制作难点为

    (1)陶瓷体电极制作;

    (2)陶瓷体的极化;

    (3) PZT压力探针的装配。

    我们常用印(涂)导电浆料制作陶瓷电极,然后加热固化,或真空镀金属膜。如此小的陶瓷片,靠印(涂)工艺是难以实现的,因为其电极面积太小,厚度小,易造成两端面电极连通而短路;另外,靠印(涂)工艺制得的电极层,由于陶瓷面积小,电极层表体的应力表现更为突出,致使电极层易于脱落。