基于激光多普勒技术的PZT薄膜压电性能测试研究

应用基于激光多普勒技术的微小形变分析方法,并引入数字锁相技术,成功实现了PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)铁电薄膜的压电性能测试。对商用压电陶瓷在小信号激励下的压电性能测试表明,数字锁相技术的引入能有效抑制系统噪声,并提高激光多普勒系统的位移检测分辨率,使其达到皮米量级。此外,研究了用溶胶-凝胶技术和溶胶-电雾化技术制备得到的PZT薄膜的电压-位移曲线和压电位移"蝴蝶线",实验结果表明:在5 V直流偏置下测得两种方法制备得到的PZT薄膜的d₃₃压电系数分别为218.7 pC/N和215.8 pC/N,相应的标准偏差分别为12.7和28.6。     

压电传感器材料的铁电特性研究

本文采用溶胶-凝胶工艺制备了不同Mn离子掺杂浓度的PZT薄膜.研究了不同掺杂浓度对压电传感器薄膜铁电特性的影响.试验结果表明当Mn离子含量较少时,Mn在PZT中主要表现施主掺杂特性,薄膜铁电性能提高;而当浓度增大时,薄膜性能降低.     

压电薄膜电滞回线自动测量系统设计

为了实现对压电薄膜电滞回线的自动化测量,设计了一款压电薄膜电滞回线测量系统。基于FPGA设计系统的下位机,基于Lab VIEW设计系统的上位机。以PZT薄膜为测试材料,在搭建好的系统上进行测试实验。实验结果表明:系统能实现测量过程的控制,数据的采集,电滞回线的补偿,相关参数的获取。整个系统具有自动化程度高、体积小的特点。     

退火制度对PZT铁电薄膜性能的影响

铁电薄膜的性质对于硅基MEMS器件有重要的影响,鉴于此本文尝试通过改善退火工艺以提高PZT薄膜的铁电和压电性质.采用溶胶凝胶法,在Si/SiO2/Ti/Pt衬底上制备了PZT铁电薄膜.实验中,采用一次退火工艺和每层退火工艺制备了两种PZT薄膜,采用XRD对薄膜的晶体结构进行分析,通过C-V和I-V特性的研究发现,每层退火工艺有助于提高PZT薄膜的C-V性质,并降低漏导电流.     

基于石英基底的PZT薄膜制备研究

研究了在石英基底上制备PZT薄膜,通过在石英基底上制备氮化硅沉积层来改善PZT薄膜质量。运用PECVD技术在石英基底上制备氮化硅沉积层,使用溶胶-凝胶法在沉积层上制备锆钛酸铅(PZT)薄膜,并对PZT薄膜的性能进行了表征。氮化硅沉积层的厚度选为500 nm,PZT薄膜的制备厚度选为1μm,对PZT薄膜的晶向、漏电流、介电性能和铁电性能进行了表征,结果表明在拥有氮化硅沉积层的石英基底上能够制备出性能优良的PZT薄膜。     

铁电材料I-V特性测试系统

本文介绍了铁电材料的I-V特性及测量原理、测试系统的组成,并给出了测试软件的流程图。用该测试系统对PZT10铁电陶瓷进行I-V特性测试,测量结果与有关报道相符合。本文设计的系统软件不仅可以对所测的铁电样品进行参数计算、修改和保存数据,而且可以对铁电样品的漏电导和线性感应电容进行补偿,从而获得接近本征特性的I-V曲线。利用该测试系统,可以更加方便地对不同的铁电材料进行研究。     

集成铁电器件中的关键工艺研究

对集成铁电器件中的关键工艺进行了研究,采用改进的溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了高品质、(110)择优取向的锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜,成功的利用离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)和湿法腐蚀方法对PZT薄膜进行了刻蚀加工,采用正胶剥离和干法刻蚀工艺实现了金属铂(Pt)电极图形,为集成铁电器件的实现提供了良好的工艺基础.     

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数.结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981.最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试.测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系.两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7 μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量.     

铁电材料Ⅰ-Ⅴ特性测试系统

本文介绍了铁电材料的Ⅰ-Ⅴ特性及测量原理、测试系统的组成，并给出了测试软件的流程图。用该测试系统对PZT10铁电陶瓷进行Ⅰ-Ⅴ特性测试，测量结果与有关报道相符合。本文设计的系统软件不仅可以对所测的铁电样品进行参数计算、修改和保存数据，而且可以对铁电样品的漏电导和线性感应电容进行补偿，从而获得接近本征特性的Ⅰ-Ⅴ曲线。利用该测试系统，可以更加方便地对不同的铁电材料进行研究。     

NiTi基体上沉积铁电陶瓷PZT复合材料的振动响应特性

用溶胶-凝胶法在NiTi形状记忆合金冷轧薄片基体上沉积铁电陶瓷PZT薄膜,再通过650℃烧结处理而得到NiTi/PZT复合材料,采用动态热机械分析方法测试了该复合材料及相同温度时效处理的NiTi形状记忆合金的内耗随温度及振动频率的变化曲线,比较了两种材料内耗曲线特征的差异;通过分析内耗曲线随温度、振动频率变化规律研究了材料的振动响应特性.结果表明:对于NiTi/PZT复合材料,响应振动载荷的能力相对于单纯NiTi形状记忆合金有明显改善,响应范围从10 Hz以内提高到33 Hz以内;tanδ-t曲线特征凸起峰高度值(材料的响应程度)从3%增加到5%,提高60%以上.     

高精度电感式传感器测量系统设计

基于对传感器测量系统精度影响因素的分析,利用数字合成、相敏检波、相位预调整技术改善了电感式传感器测量系统的精度,研制了差动式电感传感器。实验表明,利用该技术实现了高精度电感式传感器测量系统的设计,使该系统达到深亚微米测量精度。     

精密电感测微仪中的数字相敏检波技术

根据反相采样的原理,将数字相敏检波技术应用于电感测微仪中,提出了具体的实现方法和算法,并给出了相应的软件设计。通过实验结果表明,采用数字反相采样相敏检波法提高了电感测微仪的精度,能在精密和超精密测量应用中使用。     

Design and implementation of a versatile and variable-frequency piezoelectric coefficient measurement system

We present a simple but versatile piezoelectric coefficient measurement system, which can measure the longitudinal and transverse piezoelectric coefficients in the pressing and bending modes, respectively, at different applied forces and a wide range of frequencies. The functionality of this measurement system has been demonstrated on three samples, including a PbZr(0.52)Ti(0.48)O(3) (PZT) piezoelectric ceramic bulk, a ZnO thin film, and a laminated piezoelectric film sensor. The static longitudinal piezoelectric coefficients of the PZT bulk and the ZnO film are estimated to be around 210 and 8.1 pC∕N, respectively. The static transverse piezoelectric coefficients of the ZnO film and the piezoelectric film sensor are determined to be, respectively, -0.284 and -0.031 C∕m(2).     

基于微机的精密电感式测微仪的设计

介绍了一种基于微机的精密电感测微仪。分析了影响仪器测量精度的因素,在此基础上通过测量电路的设计,对零点误差进行了抑制,对正弦激励信号进行了稳频和稳幅,同时通过AD和微机对信号进行了数字相敏检波,并利用计算机强大的数据处理能力对数字采样信号进行了处理。通过一系列的实验对该电感测微仪进行了评价,并将其应用于精密测量中。由实验数据和应用实例表明,该测量仪具有良好的性能指标,能在精密和超精密测量领域中使用。     

A Pulse Coherent Spectrometer of Nuclear Magnetic Resonance for Magnetic Materials

A pulse coherent automated nuclear magnetic resonance spectrometer designed to study samples of magnetically ordered materials in the frequency range 20–200 MHz is described. The spectrometer provides the programming of time and frequency parameters of pulse sequences and allows phase-sensitive detection of echo signals with their subsequent representation in digital form. Experimentally observed nuclear spin echo signals in an isotope-enriched YIG film are presented.     

一种新型PZT压薄膜应力传感器的设计仿真

针对目前应力传感器不能兼顾柔性、动态测量及无法测量曲面接触应力特征信息等难题,设计了一种新型的PZT压电薄膜柔性应力传感器。主要有由PZT压电薄膜、导线、特殊的压敏涂层等构成。传感器的受力信息可以通过检测PZT压电薄膜传感器的电荷变化来获取,可应用于测量各种接触面之间的应力。为研究测量轮胎路面等具有复杂曲面接触结构的应力分布提供了新的思路和方法,分析了压电传式感器的工作原理,压电薄膜的传感特性,建立有限元分析模型,进行仿真分析,结果表明该传感器结构简单、体积小,相对于传统测量方法更加可靠,适用于曲面应力的测量。     

Design and construction of an automatic thin film fabrication and simultaneous computer-controlled measurement equipment built in a cryostat

The classical way of preparing thin films under one set of conditions and measurement of their properties under a different set of conditions produces large variations in film properties. A system has been designed which provides for measurements of many thin film parameters without removal from the deposition chamber. These parameters include thickness as well as film structural, electrical, and magnetic properties. Such an automatic film fabrication/measurement equipment is highly desirable for thin film research.     

Near-infrared spectroscopy using digital phase-sensitive detection

Scanning near-infrared (NIR) spectrometers commonly employ analog lock-in amplifiers for demodulation that require complex circuitry and are sensitive to electromagnetic interference. Here, a new sampling system based on digital phase-sensitive detection is reported that used a quadrature sampling algorithm to establish the sampling frequency as an integral multiple of four times the optical signal frequency. A complex programmable logic device was used to control the analog-to-digital converter. A digital signal processor was used to receive data, complete the quadrature calculations, and transfer the results to a computer. Consequently, the circuitry was simplified with reduced electromagnetic interference. Spectra were obtained using instrumentation based on analog and digital sensitive detection that showed the latter provided more accurate results. The optimum signal-to-noise ratio of 66.34 dB was higher than the value obtained by the analog system.     

沉积不连续NiTi形状记忆合金薄膜PZT的阻尼性能

在铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT)表面沉积不连续的NiTi形状记忆合金(SMA)薄膜,运用XRD、SEM和动态弹性模量测试仪研究了其显微组织及阻尼特性。结果表明:与PZT相比,NiTiSMA薄膜/PZT复合材料的阻尼性能下降;原因是PZT基体与NiTi SMA薄膜在晶化冷却时的收缩不一致导致在PZT基体中靠近薄膜的区域形成了组织异常区,限制了电偶极子的运动,在外界应力作用下薄膜与基体两者的应变不协调加强了异常区对电偶极子运动的限制。     

自混合干涉微位移传感器

有许多测量微位移的光干涉方法 ,然而难以实现结构紧凑、价格低的测量系统 ,因为这些传统干涉方法都需要许多光学元器件。提出用激光自混合干涉术测量微位移 ,分析和讨论了自混合干涉信号的产生和处理方法 ,用快速傅立叶变换(FFT)相位探测技术分析自混合干涉信号 ,可提高相位测量精度。提出的传感器可以用于亚微米级位移的测量和控制 ,并给出了 PZT位移的实验结果