【摘 要】
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无铅压电陶瓷具有较好压电性能的同时具备环境友好的特性,可以用来制作环保型压电传感器。本文研究了无铅压电陶瓷的组分设计、制备工艺、性能测试以及其在压电加速度传感器中的应用。无铅压电加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、环境友好、安装方便等优点。压电加速度传感器的性能与其核心压敏元件所使用的压电陶瓷材料密切相关。采用传统固相烧结法制备出（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xCaZrO3（x=0.
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无铅压电陶瓷具有较好压电性能的同时具备环境友好的特性,可以用来制作环保型压电传感器。本文研究了无铅压电陶瓷的组分设计、制备工艺、性能测试以及其在压电加速度传感器中的应用。无铅压电加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、环境友好、安装方便等优点。压电加速度传感器的性能与其核心压敏元件所使用的压电陶瓷材料密切相关。采用传统固相烧结法制备出（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xCaZrO3（x=0.020,0.023,0.033,0.044）,（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBaZrO3（x=0.035,0.046,0.055,0.065）以及Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3（烧结温度为1250℃,1270℃,1290℃）三种无铅压电陶瓷,并进行了测试与分析。结果表明:（1）在（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xCaZrO3无铅压电陶瓷体系中,当CaZrO3掺杂量为x=0.033并且烧结温度为1161℃时综合性能最佳,其中压电常数d33=114p C/N,机电耦合系数kp=0.21,此时谐振频率fr=295k Hz,反谐振频率fa=300k Hz,频率常数（Np）为2540Hz·m;（2）（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBaZrO3无铅压电陶瓷体系在掺杂量为x=0.046且烧结温度为1158℃的情况下具有较好的综合性能,其中压电常数为d33=141p C/N,机电耦合系数kp=0.22,此时谐振频率fr=333k Hz,反谐振频率fa=340k Hz,频率常数（Np）为2867Hz·m;（3）通过探究(Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3)的烧结温度,经过测试发现BCZT基无铅压电陶瓷在烧结温度为1270℃时表现出较好的综合性能,其压电常数为d33=206p C/N,机电耦合系数kp=0.16,此时谐振频率fr=319k Hz,反谐振频率fa=322k Hz,频率常数（Np）为2747Hz·m。以上述三种压电材料分别作为压敏元件并制备成无铅压电加速度传感器,并对其依次编号为1,2和3。测试结果表明,这些传感器的电荷灵敏度分别为S1=0.53p C/m·s-2,S2=0.72p C/m·s-2,S3=1.03p C/m·s-2。此外,温度响应的最大线性误差分别为δt1=5.40%,δt2=5.88%,δt3=4.10%,加速度响应的最大线性误差分别为δa1=5.36%,δa2=5.90%,δa3=4.17%,基本都控制在10%以内,并且通过长期测试传感器的灵敏度,发现这三种无铅压电加速度传感器的灵敏度变化范围很小,具有良好的长期稳定性,基本满足人们的正常使用需求。压电加速度传感器通过采用无铅压电材料元件可以有效地保护环境,为未来的可持续发展提供重要的支持。
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