一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103526292103526292A(43)申请公布日2014.01.22(21)申请号201310469833.8(22)申请日2013.09.27(71)申请人哈尔滨工业大学地址150090黑龙江省哈尔滨市南岗区黄河路73号哈工大二校区土木工程学院(72)发明人周文松李惠袁富国(51)Int.Cl.C30B29/22(2006.01)G01H11/08(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书3页说明书3页附图2页附图2页(54)发明名称一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法(57)摘要本发明提供一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法，方法如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向，即Z向极化，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，其中z向为晶体的生长方向。本发明具有体积微小，可永久固定于结构表面或嵌入内部的优点。CN103526292ACN1035269ACN103526292A权利要求书1/1页1.一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，其特征在于，方法如下：采用弛豫铁电单晶材料，首先将晶体沿[011]方向极化，该方向定义为坐标轴Z，然后切割出垂直于该方向的平面(011)，该平面由坐标轴X和Y表示，在该平面沿与坐标轴夹角45度方向切割正方体晶片，切割得到正方体晶片之后，在其上下表面制作电极，得到面内剪切型压电敏感元件，所述的[001]、[010]、[100]及[011]为晶体学中表示晶向的密勒指数，(011)表示晶面的密勒指数，[011]方向与(011)面相互垂直，x，y，z表示原晶体所置于的坐标系，分别对应[100]、[010]和[001]方向，其中z向为晶体的生长方向。2.根据权利要求1所述的一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法，其特征在于：所述的弛豫铁电单晶材料为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3铌镁酸铅-钛酸铅或Pb(In0.5Nb0.5)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。3.根据权利要求1或2所述的一种面内剪切型压电敏感元件的制作方法制作的一种面内剪切型压电敏感元件。2CN103526292A说明书1/3页一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法技术领域[0001]本发明涉及一种面内剪切型压电敏感元件及其制作方法。背景技术[0002]水平剪切波(SH波)是超声导波的一种，其中零阶水平剪切波(SH0)无频散效应，在边界不会转换为其他类型的声波，且杂乱回波较少，可用于长距离结构的无损检测。目前水平剪切波的激发和检测主要采用磁致伸缩换能器、电磁超声换能器等，这类换能器为多元件组成的小型电子设备，体积较大，安装与使用均不方便，且无法嵌入结构内部使用，难以永久安装用于实时在线结构安全监测。目前一般的超声导波(如Lamb波等)的激励与检测可以采用体积很小的压电敏感元件来实现，这种压电敏感元件可以粘贴于结构表面或嵌入结构内部而不影响结构的力学性能，适用于长期的结构性能监测，但是这种压电敏感元件无法激发SH波。主要原因说明如下：[0003]压电敏感元件具有压电和逆压电效应，压电效应是指该类敏感元件在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。逆压电效应是指对上述敏感元件施加电场作用时，会引起其内部正负电荷中心的相对位移而导致敏感元件发生变形。压电敏感元件中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。压电敏感元件的压电特性采用压电常数矩阵来描述，如式(1)，式中下标i表示电效应，下标j表示力效应。[0004][0005]目前在传感器、驱动器或换能器领域应用最广的压电敏感元件为锆钛酸铅系列压电陶瓷，这种压电陶瓷经过人工极化处理后，其典型的压电常数矩阵可写为式(2)。[0006][0007]可以看出，这类压电敏感元件不是在任何方向上都有压电效应，其在x和y方向上分别具有d15和d24的厚度剪切压电效应，在z方向上有d33的纵向压电效应及d31或d32的横向压电效应。这是目前绝大多数基于压电效应的传感器、驱动器或换能器所使用的压电效应。激励与检测水平剪切波需要压电敏感元件的面内剪切变形，即在厚度方向上施加电场，在垂直厚度方向的平面内的剪切变