高压放大器在不同交流极化参数下压电阵子性能分析中的应用

实验名称：不同交流极化参数下压电阵子性能分析

测试设备：高压放大器、功能发生器、示波器、高精度自动研磨机等。

图1：(a)直流极化示意图，(b)交流极化示意图，(c)交流极化装置

实验过程：

首先使用高精度自动研磨机将尺寸为5mm×5mm×0.5mm的[001]取向PIMNT晶体和PZT-5H陶瓷板研磨至0.2mm。考虑到研磨引起的表面应力可能会使样品性能恶化，将板在600℃下退火10小时。然后使用高精度DAD322自动换片机将样品切割成2.5mm×2.5mm×0.2mm，以避免板边缘因研磨而产生的缺陷；最后通过磁控溅射在样品的两面沉积金电极，电极的厚度大概100μm。PIMNT单晶在空气中通过DCP或ACP沿[001]方向极化，而PZT-5H陶瓷通过DCP极化。DC和AC极化条件的示意图分别如图1(a)和1(b)所示。极化实验装置示意图如图1(c)所示。

实验结果：

图2：(a)PIMNT晶体的压电系数、相对介电常数和机电耦合系数随ACP极化频率的变化(@10kV/cm和10cycles)，(b)ACPPIMNT单晶的阻抗(@10kV/cm和15Hz)。

实验研究了PIMNT晶体性能与极化频率、极化电场和循环次数的关系。如图2所示，研究了PIMNT晶体的压电系数、相对介电常数和机电耦合系数与交流极化频率之间的关系。从图中可以看出，随着极化频率的升高，晶体的压电系数逐渐增加，并在频率为10Hz时达到最大值。

图3：(a)PIMNT晶体的压电系数、相对介电常数和机电耦合系数随ACP极化电场的变化(@10Hz和10cycles)，(b)ACPPIMNT单晶的阻抗(@10kV/cm和10cycles)。

图3显示了PIMNT单晶的系数，其中极化频率和循环次数分别固定在10Hz和10cycles。随着交流电场的增加，系数增加，且增加趋势基本相似。值得注意的是，在10kV/cm的电场下，交流极化的PIMNT单晶压电系数d33为1405pC/N，DCP为1147pC/N，ACP比DCP提高了22.5%。同时交流极化后单晶可以保持较高的相对介电常数和较大的机电耦合系数。然而当电场达到20kV/cm时，晶片很容易开裂。因此，电场应固定在10-18kV/cm的范围内，以确保样品的完整性的同时能够得到性能优异的样品材料。

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审核编辑 黄宇