压电陶瓷微位移特性的电脑接触式干涉测量法

    1　引言

    压电陶瓷(PZT)微位移驱动器是近年来发展起来的高精度微位移器件,能实现亚微米级的微位移。它是利用压电陶瓷材料的逆压电效应,在材料的适当方向加电场而产生相应的位移和力的器件,因此它是一种加电压能产生微位移变化的机电传感器。由于其微位移精度高、灵敏度高、响应快、易自动控制、抗强磁场强辐射等优点,在光学、微电子技术、高精度定位、精密加工、激光通讯等领域被广泛应用。

    就材料而言,现有的PZT材料多分为硬PZT材料和软PZT材料两种。硬PZT材料的居里温度超过300°C,不易极化和退极化,其稳定性将伴随小的压电常量,具有优良的线性和低迟滞。软PZT材料居里温度低于200°C,室温下加强电场即可进行极化和退极化处理,压电常数大,可产生大的位移,但线性和迟滞特性较差,较大的介电常数和损耗系数将限制其在高频下驱动。故一般要求低频下应用的具有大伸长量的微位移器件多选用软性PZT材料。本文作者介绍了一种用电脑接触式干涉仪测量微位移特性的方法,对自制PZT微位移器进行了非线性和迟滞特性的测试。

    2　PZT微位移器工作原理

    PZT微位移器是基于当PZT材料处于居里温度以下时,呈现的逆压电效应机理而制作的。在一定电场E作用下,引起材料内部的正负电荷中心发生相对位移,该位移导致介质发生形变,其应变与电场之间的转换关系可由压电方程[1]表示为

式中i,j=1,…,6,分别与x,y,z,yz,zx,xy方向相应;a=1,2,3,分别与x,y,z轴相对应;S、T表示二阶张量;Si为各方向的应变量;sij为弹性柔顺系数;daj为压电应变常数;Tj为应力;Ea为电场强度。

    PZT微位移器多利用厚度方向(方向3)产生的位移,即i=3时有

    S₃=s₃₃T₃+d₃₃E₃+s₁₃(T₁+T₂)           (2)

在只有单方向应力作用时,厚度方向电压与位移之间的关系为

    S₃=s₃₃T₃+d₃₃E₃          (3)

    若用单片PZT材料,驱动电压必须达到上千伏。为在较低电压下产生较大位移量,除采用压电系数d33大的材料外,常把多层PZT片胶结或烧结为整体,在其中埋入电极,形成机械上串联、电路上并联的叠层结构,如图1所示。

    在恒定承载力的作用下,应力T产生的压缩量为常量,则压电体动态方程可简化为

    S=d₃₃E          (4)