本發明涉及壓電材料檢測,特別涉及一種用于測試壓電材料的壓電系數的測試探頭、系統、存儲介質及終端。
背景技術:
1、壓電系數是壓電材料最重要的物理參數,壓電系數越高,壓電材料的能量轉換的效率越高。現在壓電材料的應用領域越來越多,也從塊狀材料發展到了薄膜材料,但是壓電系數的測試裝置和方法并沒有明顯的改進,不能滿足技術發展和應用拓展的測試需求。
2、壓電材料的壓電系數測量方法有:直接法、準靜態法(berlincourt?method),諧振法、激光干涉法(laser?interferometer),激光多普勒測振儀(laser?scanningvibrometers)和壓電力顯微鏡(piezoelectric?force?microscopes)。其中,激光干涉法,激光多普勒測振儀和壓電力顯微鏡法都是通過逆壓電效應,即通過加脈沖電壓信號使材料產生形變,測量壓電系數。這類方法需要精度高的微小形變的量測,設備昂貴,測試效率也低,不能應用到壓電材料和器件的產業化測試。直接法、準靜態法和諧振法利用正壓電效應,測試應力作用下材料產生的電荷,簡單方便。其中諧振法是精度最高,但對測試樣品形狀有許多要求,以保證樣品工作在基模狀態,不能應用到許多實際的材料產品和壓電器件的壓電測量。直接法存在零點漂移問題。
3、準靜態裝置在傳統的塊狀壓電材料測試上應用廣泛,但應用到薄膜壓電材料測試存在嚴重局限。準靜態法的測試原理是依據正壓電效應,在壓電材料上施加一個低頻交變力,壓電材料兩端面產生交變電荷,測量交變電荷方均值,可得應力與電荷比值——壓電系數。準靜態法中交變力由底座上的電磁驅動器提供,因此交變力頻率低,作用時間長,力度大,容易損壞薄膜的物理特性,也會使得壓電薄膜去極化,失去其壓電性能。其測量時間也可能遠大于壓電薄膜的時間常數。從空間設置上講,交變了力產生于下方,無法應用于原位測試。
技術實現思路
1、本發明提供一種用于測試壓電材料的壓電系數的測試探頭、系統、存儲介質及終端,以解決現有技術中壓電系數測試中的各種缺陷和不足。
2、本發明的一個方面提供一種用于測試壓電材料的壓電系數的測試探頭,其包括:
3、檢測探針,配置為當接觸壓電材料時向所述壓電材料施加應力,以及輸出所述壓電材料響應于所述應力產生的電荷的電荷信號;
4、應力測試元件,配置為測量并輸出表示施加到所述壓電材料的所述應力的應力信號;
5、振動機構,位于所述檢測探針上方,配置為響應于接收到的驅動信號振動所述檢測探針以向所述壓電材料施加所述應力;以及
6、驅動單元,配置為向所述振動機構發送所述驅動信號,以驅動所述振動單元振動。
7、可選地,所述應力測試元件為壓力傳感器,所述壓力傳感器為壓電式壓力傳感器。
8、可選地,所述驅動信號可以是脈沖信號和/或交變信號。
9、可選地,所述驅動信號與所述壓電材料的工作驅動信號一致。
10、可選地,還包括第一輸出端和第二輸出端,
11、所述第一輸出端與所述檢測探針連通,以輸出所述電荷信號;
12、所述第二輸出端與所述應力測試元件連通,以輸出所述應力信號。
13、本發明的另一方面提供一種測試系統,用于測試壓電材料的壓電系數,其包括:
14、至少一個測試探頭,所述測試探頭向壓電材料施加應力,并輸出所述應力的應力信號以及所述壓電材料響應于所述應力產生的電荷的電荷信號;
15、承載裝置,用于承載待測試的所述壓電材料,所述承載裝置位于所述測試探頭的下方,使得位于所述承載裝置上的所述壓電材料位于所述測試探頭的下方;
16、處理單元,接收并根據所述應力信號及所述電荷信號,獲得所述壓電材料的壓電系數。
17、本發明的又一方面提供一種采用本發明所述的測試探頭測試壓電材料的壓電系數的方法,其包括以下步驟:
18、通過將測試探針接觸壓電材料對壓電材料施加應力;
19、測試對應于所述應力的應力信號;
20、測試所述壓電材料響應于所述應力產生的電荷的電荷信號;
21、根據測試的所述應力信號及電荷信號獲得所述壓電材料的壓電系數。
22、本發明還提供一種計算機可讀存儲介質,所述計算機可讀存儲介質內存儲有計算機程序,所述計算機程序被處理器執行時實現本發明所述的方法。
23、本發明還提供一種電子設備,其包括處理器、通信接口、存儲器和通信總線,其中,處理器,通信接口,存儲器通過通信總線完成相互間的通信;存儲器,用于存放計算機程序;處理器,用于執行存儲器上所存放的程序時,實現本發明所述的方法。
24、如上所述,本發明的用于測試壓電材料的壓電系數的測試探頭、系統、存儲介質及終端,至少具有以下有益效果:
25、本發明測試探頭位于待測試的壓電材料的上方,自壓電材料上方向下向壓電材料施加應力,壓電材料響應于該應力產生的電荷有測試探測探測,同時由壓電式應力傳感器測試施加的應力。上述應力的驅動信號可以是脈沖信號和/或交變信號,更進一步地,驅動信號與壓電材料的工作激勵信號一致。另外,本發明的測試探頭可以在不靠近待測試的壓電材料的基膜諧振頻率的前提下,高頻工作,由此對壓電材料測試得到的壓電系數更加接近壓電材料實際工作中的壓電系數。同時測試探頭在高頻下工作,作用在壓電材料上的時間就相應變短,施加的應力的力度也相應減小,因此不會對壓電材料產生物理損壞,也不會出現壓電材料去極化的風險。
26、本發明的測試系統中,用于承載待測試的壓電材料的承載裝置可以是壓電材料薄膜生長的成膜腔室,即測試探頭可以集成至壓電材料成膜設備中,由此可以在成膜腔室中實現壓電材料的原位測試。該測試過程中不會改變壓電材料所處的環境,相應地其性能能夠更加完整的保持,使得測試得到的壓電系數更加接近壓電材料的實際壓電系數。同時,還可以在壓電材料成膜過程的任意階段進行壓電系數測試,以表征壓電材料成膜的良率,有利于提高最終形成的壓電材料薄膜的良率。
1.一種用于測試壓電材料的壓電系數的測試探頭,其特征在于,包括:
2.根據權利要求1所述的測試探頭,其特征在于,所述應力測試元件為壓力傳感器,所述壓力傳感器為壓電式壓力傳感器。
3.根據權利要求1所述的測試探頭,其特征在于,所述驅動信號可以是脈沖信號和/或交變信號。
4.根據權利要求1所述的測試探頭,其特征在于,所述驅動信號與所述壓電材料的工作驅動信號一致。
5.根據權利要求1所述的測試探頭,其特征在于,還包括第一輸出端和第二輸出端,所述第一輸出端與所述檢測探針連通,以輸出所述電荷信號;
6.一種測試系統,用于測試壓電材料的壓電系數,其特征在于,包括:
7.根據權利要求6所述的測試系統,其特征在于,所述測試探頭包括:
8.根據權利要求7所述的測試系統,其特征在于,所述應力測試元件為壓力傳感器,所述壓力傳感器為壓電式壓力傳感器。
9.根據權利要求7所述的測試系統,其特征在于,所述驅動信號可以是脈沖信號和/或交變信號。
10.根據權利要求7所述的測試系統,其特征在于,所述驅動信號與所述壓電材料的工作激勵信號一致。
11.根據權利要求6所述的測試系統,其特征在于,所述檢測探頭還包括第一輸出端和第二輸出端,
12.根據權利要求11所述的測試系統,其特征在于,所述處理單元與所述第一輸出端和所述第二輸出端連通,根據所述電荷信號和應力信號的峰峰值和/或積分值獲得所述壓電系數。
13.根據權利要求6所述的測試系統,其特征在于,所述包括一個所述測試探頭,所述測試探頭時序地移動以對所述壓電材料進行多點測試。
14.根據權利要求6所述的測試系統,其特征在于,所述包括多個所述測試探頭,多個所述測試探頭間隔分布在所述壓電材料上方,以對所述壓電材料進行多點測試。
15.根據權利要求6所述的測試系統,其特征在于,還包括運動控制系統,與所述測試探頭連接,以控制所述測試探頭實現三維運動。
16.根據權利要求6~15中任意一項所述的測試系統,其特征在于,所述承載裝置為壓電材料成膜腔室中的承載臺,所述檢測探頭設置在所述成膜腔室中,以在所述成膜腔室中對形成的所述壓電材料進行測試。
17.一種采用權利要求6~16中任意一項所述的測試系統測試壓電材料的壓電系數的方法,其特征在于,包括以下步驟:
18.根據權利要求17所述的方法,其特征在于,根據測試的所述應力信號及電荷信號獲得所述壓電材料的壓電系數包括:
19.根據權利要求18所述的方法,其特征在于,根據測試的所述應力信號及電荷信號獲得所述壓電材料的壓電系數包括:
20.根據權利要求19所述的方法,其特征在于,所述壓電系數包括壓電材料的壓電系數d33。
21.根據權利要求17所述的方法,其特征在于,通過將測試探針接觸壓電材料對壓電材料施加應力還包括:
22.根據權利要求21所述的方法,其特征在于,所述驅動信號與所述材料的工作激勵信號一致。
23.一種計算機可讀存儲介質,其特征在于,所述計算機可讀存儲介質內存儲有計算機程序,所述計算機程序被處理器執行時實現權利要求17~22中任意一所述的方法。
24.一種電子設備,其特征在于,包括處理器、通信接口、存儲器和通信總線,其中,處理器,通信接口,存儲器通過通信總線完成相互間的通信;存儲器,用于存放計算機程序;處理器,用于執行存儲器上所存放的程序時,實現權利要求17~22中任意一所述的方法。