CN105702850A - 复合压电芯片和压电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合压电芯片和压电传感器。复合压电芯片包括：多个层，其中多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，第一层的压电系数随温度升高而降低，并且第二层的压电系数随温度升高而升高。根据本公开的复合压电芯片和压电传感器，能够使得压电传感器在全温度下具有较小的灵敏度漂移。

Description

复合压电芯片和压电传感器

技术领域

本公开涉及传感器领域，尤其涉及复合压电芯片和压电传感器。

背景技术

目前，国内外可用于高温环境的压电传感器采用单纯铋层状无铅压电陶瓷材料形成压电芯片。然而，包含由单纯铋层状无铅压电陶瓷材料形成压电芯片的压电传感器的灵敏度随温度的漂移较大，不能满足对于传感器灵敏度随温度偏移的要求(即小于5％)。

发明内容

根据本公开的一方面，提供一种复合压电芯片，该压电芯片包括：多个层，其中所述多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，所述第一层的压电系数随温度升高而降低，并且所述第二层的压电系数随温度升高而升高。

在一个实施例中，第一层为铋层状无铅压电陶瓷材料层。在一个实施例中，第二层为铌酸锂材料层。

在一个实施例中，第一层为复合压电芯片的基体层，并且第二层为复合压电芯片的温度补偿层。

在一个实施例中，第一层和第二层通过叠加或者键合的方式连接。

在一个实施例中，至少一个第一层和至少一个第二层彼此交替连接以构成复合压电芯片。

在一个实施例中，至少一个第一层被连接以形成第一合成块，至少一个第二层被连接以形成第二合成块，并且第一合成块和第二合成块被连接以构成复合压电芯片。

在一个实施例中，至少一个第一层和至少一个第二层具有相同或不同的数量。

在一个实施例中，第一层与第二层的厚度比依赖于第一层和第二层的温度系数。

根据本公开的另一方面，提供一种压电传感器，包括复合压电芯片，其中复合压电芯片包括：多个层，其中所述多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，所述第一层的压电系数随温度升高而降低，并且所述第二层的压电系数随温度升高而升高。

根据本公开的复合压电芯片和压电传感器，能够使得压电传感器在全温度下具有较小的灵敏度漂移(即小于5％)。

附图说明

通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是示出根据本技术公开一个示例性实施例的复合压电芯片的结构示意图；

图2是示出根据本技术公开另一个示例性实施例的复合压电芯片的结构示意图；

图3是示出根据本技术公开又一个示例性实施例的复合压电芯片的结构示意图；

图4是示出根据本技术公开一个示例性实施例的压电传感器在补偿前后的灵敏度漂移-温度特性曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例的详细描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素、部件的任何修改、替换和改进。

根据本公开的复合压电芯片包括多个层，这多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，其中第一层的压电系数随温度升高而升高，而第二层的压电系数随温度升高而降低。根据本公开的复合压电芯片和压电传感器，能够使得压电传感器在全温度下具有较小的灵敏度漂移。

下面将参照附图来对本公开的复合压电芯片进行详细说明。

图1示出了根据本公开一个示例性实施例的复合压电芯片100的结构示意图。如图1所示，根据本发明公开的复合压电芯片100包括多个层，多个层包括第一层101和第二层102，其中第一层101的压电系数随温度升高而升高，并且第二层102的压电系数随温度升高而降低。

第一层101可以为铋层状无铅压电陶瓷材料层。在一个实施例中，铋层状无铅压电陶瓷材料层可以采用Bi₄Ti₃O₁₂+xmol％Nb₂O₅+ywt％CeO₂(0.00≤x≤6.50，0.00≤y≤1.00)。第二层102可以为铌酸锂材料层。在一个实施例中，铌酸锂材料层可以采用LiNbO₃。然而，应理解，第一层101和第二层102可以不限于此，而是第一层101可以由压电系数随温度升高而升高的任何材料制成，而第二层102可以由压电系数随温度升高而降低的任何材料制成，反之亦然。

在一个实施例中，第一层101可以作为复合压电芯片100的基体层，并且第二层102可以作为复合压电芯片100的温度补偿层。然而，应理解，本技术公开并不限于此，而是第二层102也可以作为复合压电芯片100的基体层，而第一层101可以作为复合压电芯片100的温度补偿层。

在一个实施例中，第一层101和第二层102可以通过叠加或者键合的方式连接。然而，应理解，本公开并不限于此，而是第一层101和第二层102可以通过任何其他连接方式固定。

在一个实施例中，第一层101与第二层102的厚度比依赖于第一层和第二层的温度系数。换句话说，在确定了第一层101和第二层102的材料后，可以基于已选定的材料的温度系数比来确定第一层101和第二层102的厚度比，或者在确定了第一层101和第二层102的预设厚度后，可以基于确定的厚度比得出温度系数比，进而选择出适用的材料。

根据本公开的复合压电芯片，由于第二层与第一层具有不同的压电系数随温度变化特性，因此第二层能够补偿第一层随温度升高而压电系数降低所导致的较大灵敏度漂移，从而使得能够在全温度下都具有满足要求的灵敏度漂移。

在上面的描述中，以复合压电芯片具有一个第一层和一个第二层为例进行说明的，然而，本技术公开的复合压电芯片可以具有多个第一层和多个第二层。图2是示出根据本技术公开另一个示例性实施例的复合压电芯片200的结构示意图。如图2所示，复合压电芯片200包括多个第一层101_l-101_n和多个第二层102_l-102_n。

多个第一层101_l-101_n被连接以形成第一合成块101，多个第二层102_l-102_n被连接以形成第二合成块102，并且第一合成块101和第二合成块102被连接以构成复合压电芯片200。

多个第一层101_l-101_n和多个第二层102_l-102_n的数量不受限定，可根据实际需求布置。多个第一层101_l-101_n的数量与多个第二层102_l-102_n的数量可以相同，也可以不同。在一个实施例中，多个第一层101_l-101_n的数量与多个第二层102_l-102_n的数量相同。

应理解，第一层101和第二层102的布置方式不限于图2所示。图3是示出根据本公开又一个示例性实施例的复合压电芯片300的结构示意图。如图3所示，复合压电芯片300包括多个第一层101_l-101_n和多个第二层102_l-102_n。

多个第一层101_l-101_n和多个第二层102_l-102_n彼此交替连接。也就是说，彼此相邻的第一层被第二层间隔开，而彼此相邻的第二层被第一层间隔开。

同样地，多个第一层101_l-101_n和多个第二层102_l-102_n的数量不受限定，可根据实际需求布置。多个第一层101_l-101_n的数量与多个第二层102_l-102_n的数量可以相同，也可以不同。在一个实施例中，多个第一层101_l-101_n的数量与多个第二层102_l-102_n的数量相同。

在上述实施例中，第一层与第二层的厚度比依赖于第一层和第二层的温度系数。换句话说，在确定了第一层和第二层的材料后，可以基于已选定的材料的温度系数比来确定第一层和第二层的厚度比，或者在确定了第一层和第二层的预设厚度后，可以基于确定的厚度比得出温度系数比，进而选择出适用的材料。

除了上面参考图1-图3描述的复合压电芯片以外，本公开了还提供一种压电传感器。该压电传感器包括复合压电芯片，其中复合压电芯片包括：多个层，其中所述多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，所述第一层的压电系数随温度升高而降低，并且所述第二层的压电系数随温度升高而升高。

在一个实施例中，该压电传感器可以采用正端压缩式结构，以适用于高温，例如大于480℃的环境。此外，在压电传感器中除了压电芯片以外的材料可以使用Inconel718材料，以确保压电传感器的结构刚度在高温下的弹性模量仍处于线性范围。

根据本公开的复合压电芯片和压电传感器，由于第二层与第一层具有不同的压电系数随温度变化特性，因此第二层能够补偿第一层随温度升高而压电系数降低所导致的压电传感器的较大灵敏度漂移，从而使得压电传感器能够在全温度下都具有满足要求的较小灵敏度漂移(小于5％)。

下面将描述根据本公开的具有复合压电芯片的压电传感器如何能够在全温度下都具有满足要求的较小灵敏度漂移的原理。

根据压电效应方程，正端压缩式压电传感器灵敏度可用公式(1)表示：

s＝nmgd₃₃(公式1)

其中，s为压电传感器的电荷灵敏度(PC/g)，n为压电芯片的压电陶瓷片的数量，m为压电传感器的质量块的质量，g为重力加速度，d₃₃为压电传感器的压电芯片的材料的压电系数(PC/N)。

上述公式(1)描述的是包含由等厚单一材料的压电芯片的压电传感器的电荷灵敏度，若存在N(N≥2)种不同材料且厚度足够小的压电微元叠加在一起时，上述公式变为：

$s_{\left(t\right)}=\left({\∫}_0^{x_1}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{1}dt\right)+\left({\∫}_0^{x_2}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{2}dt\right)+...\left({\∫}_0^{x_N}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{N}dt\right)$ (公式2)

其中，t为同一种压电材料的厚度，d₃₃ ^N为第N种材料的最小压电微元的压电常数d₃₃。

当考虑到多种材料(至少为两种材料)各自的温度特性后，上述公式(2)可以写成：

$s_{(t,T)}=\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^1{\∫}_0^{x_1}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{1}dt\right)+\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^2{\∫}_0^{x_2}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{2}dt\right)+...\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^N{\∫}_0^{x_N}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{N}dt\right)$ (公式3)

其中，φ_(T) ^N表示第N种材料的温度特性函数(温度系数)。

上述公式(3)可以进一步简化为：

$s_{(t,T)}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^n{\∫}_0^{x_n}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{n}dt\right)$ (公式4)

为了得到一种组合使得其灵敏度在各温度范围保持恒定，可有令：

$s_{(t,T)}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^n{\∫}_0^{x_n}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{n}dt\right)=C$ (公式5)

其中，C为设定常数。

由以上可知，可通过调整一定数量的具有不同压电系数的材料的种类和厚度的组合，将压电传感器的灵敏度-温度漂移值调整到一个恒定的值。例如，为了将压电传感器的灵敏度在全温度范围内调整到(50PC±5％)以内，可以正如本公开，将传统的压电陶瓷材料层(例如，铋层状无铅压电陶瓷材料层)作为基体，并在基体上连接作为温度补偿层的铌酸锂材料层。具体地，对于仅由铋层状无铅陶瓷材料形成的压电芯片，当质量块的质量m＝0.0275kg，压电系数d₃₃＝20PC/N，n＝11片时，根据公式(1)，可得压电传感器的理论灵敏度为S₁＝59.29PC/g。然后，将铌酸锂材料的压电系数d₃₃＝10PC/N代入公式(5)，得到公式(6)：

$|\[\underset{n=1}{\overset{2}{\Σ}}\left({\mathrm{\φ}}_{\left(T\right)}^n{\∫}_0^{x_n}{\mathrm{mgtd}}_{33}^{n}dt\right)-50\]/50|\≤5\%$ (公式6)

由于铋层状无铅压电陶瓷材料和铌酸锂材料的灵敏度-温度漂移曲线可以通过回归得到，因此最终选取的铋层状无铅压电陶瓷材料层与铌酸锂材料层的键合厚度比值可通过公示(6)计算出以作为预设值，即2.25。

表1为补偿后的压电传感器灵敏度-温度偏差(漂移)实验测试表。在试验中，以25℃测得的灵敏度作为基准，并测量了100℃、190℃、250℃、280℃、380℃、480℃的灵敏度。从表1可见，在高达480℃以内，灵敏度相对于25℃时的灵敏度漂移均在±5％以内。

表1补偿后的灵敏度-温度漂移

图4是示出根据本公开一个示例性实施例的压电传感器在补偿前后的灵敏度漂移-温度特性曲线图。在试验中，采用了三综合(温度+振动)测试箱。从图4可见，在补偿前，从约150华氏度(65.5℃)至900华氏度(即约482.2℃)，灵敏度漂移均超过5％，并且随着温度升高而增大。在利用了本公开的复合压电芯片以后，在高达900华氏度的温度范围内，灵敏度漂移均在±5％以内。

根据本技术公开的复合压电芯片和压电传感器，由于第二层与第一层具有不同的压电系数随温度变化特性，因此第二层能够补偿第一层随温度升高而压电系数降低所导致的压电传感器的较大灵敏度漂移，从而使得压电传感器能够在全温度下都具有满足要求的较小灵敏度漂移。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本技术公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种复合压电芯片，该压电芯片包括：

多个层，其中所述多个层包括至少一个第一层和至少一个第二层，所述第一层的压电系数随温度升高而降低，并且所述第二层的压电系数随温度升高而升高。

2.根据权利要求1所述的复合压电芯片，其中，所述第一层为铋层状无铅压电陶瓷材料层。

3.根据权利要求2所述的复合压电芯片，其中，所述第二层为铌酸锂材料层。

4.根据权利要求3所述的复合压电芯片，其中，所述第一层作为所述复合压电芯片的基体层，并且所述第二层作为所述复合压电芯片的温度补偿层。

5.根据权利要求4所述的复合压电芯片，其中，所述第一层和所述第二层通过叠加或者键合的方式连接。

6.根据权利要求4所述的复合压电芯片，其中，所述至少一个第一层和所述至少一个第二层彼此交替连接以构成所述复合压电芯片。

7.根据权利要求4所述的复合压电芯片，其中，所述至少一个第一层被连接以形成第一合成块，所述至少一个第二层被连接以形成第二合成块，并且所述第一合成块和所述第二合成块被连接以构成所述复合压电芯片。

8.根据权利要求1所述的复合压电芯片，其中，所述至少一个第一层和所述至少一个第二层具有相同或不同的数量。

9.根据权利要求1所述的复合压电芯片，其中，所述第一层与所述第二层的厚度比依赖于所述第一层和所述第二层的温度系数。

10.一种压电传感器，包括权利要求1-9中任一项所述的复合压电芯片。