PMN與NBT-BT6弛豫鐵電材料機(jī)電耦合性能表征.pdf

1、弛豫鐵電材料所具有的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)使其在傳感器、致動(dòng)器、俘能器、加速度計(jì)、超聲馬達(dá)、伺服器等微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electromechanical system, MEMS)中得到廣泛應(yīng)用。MEMS器件中弛豫鐵電材料的研究有助于新型功能器件的建模和設(shè)計(jì)，因此準(zhǔn)確表征弛豫鐵電材料的機(jī)電耦合性能就顯得倍加重要。
　　鐵電材料的壓電俘能具有d31、d33、d15三種不同工作模式。目前，測(cè)量鐵電材料壓電系數(shù)的方法主要分為兩大類(lèi)

2、，其原理分別利用了逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)。利用這兩種效應(yīng)測(cè)量弛豫鐵電材料壓電系數(shù)d33和d31的方法有很多種，而對(duì)于壓電系數(shù)d15的測(cè)量，特別是利用正壓電效應(yīng)的測(cè)量方法鮮有報(bào)道。鐵電材料的電致伸縮效應(yīng)是一種基本的二次機(jī)電耦合效應(yīng)，通常由感應(yīng)產(chǎn)生的形變量非常小。目前關(guān)于鐵電材料電致伸縮性能測(cè)試方法的報(bào)道較少。近年來(lái)在一些弛豫鐵電體的研究中(例如鈮鎂酸鉛PMN系鐵電體)，研究者發(fā)現(xiàn)弛豫鐵電體具有良好的電致伸縮性能。但同樣作為弛豫鐵電體的鈦酸

3、鉍鈉NBT系鐵電體，至今很少有關(guān)于電致伸縮性能的報(bào)道。
　　本文簡(jiǎn)述了弛豫鐵電材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用背景，然后以?xún)深?lèi)不同材料的弛豫鐵電體為研究對(duì)象，分別創(chuàng)建了兩種模型測(cè)量了弛豫鐵電體機(jī)電耦合性能。該研究工作對(duì)剪切模式壓電器件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及弛豫鐵電材料設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。
　　選取商業(yè)PMN弛豫鐵電體，設(shè)計(jì)并制作了共面電極結(jié)構(gòu)的d15模式懸臂梁，通過(guò)測(cè)試懸臂梁電荷與加速度關(guān)系最終求得鐵電材料d15壓電系數(shù)；其次利用金屬有

4、機(jī)物沉積法(MOD)在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基底上制備了94(Na0.5Bi0.5)TiO3-6BaTiO3(NBT-BT6)弛豫鐵電薄膜并表征其機(jī)電耦合性能。
　　(1)針對(duì)壓電效應(yīng)的研究，本文基于Timoshenko梁準(zhǔn)靜態(tài)理論和d15模式壓電本構(gòu)關(guān)系設(shè)計(jì)了共面電極結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁模型。以PMN弛豫鐵電陶瓷為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立了壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、輸出電荷和加速度的關(guān)系表達(dá)式，設(shè)計(jì)了一種利用正壓電效應(yīng)測(cè)量鐵電材料d