鉍層狀壓電陶瓷及其傳感器總劑量輻照效應研究

王海圣，譚祥虎，韓 哲

（廈門乃爾電子有限公司，廈門，361000）

1 前言

近年來核電、航天等領域技術的進步，對高溫、輻照環境下各類儀器設備的動態響應測試和狀態監測具有重大需求，其中包括對振動與沖擊進行測量的加速度傳感器。在眾多測振傳感器中，壓電式加速度傳感器因動態范圍大、頻率范圍寬（3～20000Hz）、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力產生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是應用最為廣泛的振動監測與監控傳感器。為滿足壓電加速度傳感器核電、航天等領域技術需要，對壓電元件的可靠性及穩定性提出了更加嚴格的要求，如耐高溫及高強度輻照的影響就是十分有意義的課題。

已有文獻針對鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料［1］［2］及壓電陶瓷濾波器［3］經受輻射進行了相關的研究，但因其居里溫度不高，限制了其在高溫環境下的使用。鉍層狀結構鐵電化合物（BLSF）是典型的高Tc的壓電材料，由于其具有高電阻以及較為合適的壓電性能，是一種高溫加速度傳感器的候選材料［4］。S.Y.Cho等［5］人在室溫下采用60Coγray源對3層鉍層狀Bi4Ti3BiT）及其改性壓電陶瓷材料輻照前后的性能變化進行了相關研究，但其輻照總劑量為3000kGy。本文選擇2層和4層的鉍層狀的壓電陶瓷材料進行了60Coγ-ray輻射實驗，在累積總劑量100Mrad（Si）下，對輻射前后這兩種壓電陶瓷材料的性能進行測量，并對輻照的影響因素進行討論。同時對采用這兩組壓電陶瓷材料制備的壓電加速度傳感器進行了累積輻照總劑量為100Mrad（Si）前后的性能對比試驗，并研究了輻照變化情況。

2 實驗過程

2.1 壓電陶瓷材料及其加速度傳感器

實驗采用的成分為 A組分：（K0.5Na0.5Bi）x（NaCe）yBi2Nb20≤x≤0.5，0≤y≤0.5）［6］和B組分：（Na0.5-z-wSrzBawBi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2（0＜x≤7，0＜y≤2，0＜z＜0.5，0＜w＜0.5，0＜z+w＜0.5）的2層和4層鉍層狀鈣鈦礦相壓電陶瓷粉體，通過傳統電子陶瓷工藝制備出φ9.8×4.3×0.5mm壓電陶瓷圓環，圓環兩端面鍍金電極，在160℃溫度及10kV/mm的直流電壓下極化，極化后的樣品在500℃下經過48h人工老化，然后再進行性能測試。

壓電加速度傳感器采用7pcs經過老化后的壓電陶瓷圓環按正端壓縮結構進行裝配，結構如圖1所示，兩種成分的壓電陶瓷圓環各裝配一顆壓電加速度傳感器編號為1號、2號（對應A組分壓電陶瓷）和3號、4號（對應B組分壓電陶瓷）并進行靈敏度測試。

圖1 壓電加速度傳感器結構圖

2.2 輻照試驗

選取經過老化后兩種成分的鉍層狀壓電陶瓷材料制作的壓電陶瓷圓環樣品各10pcs及1號、2號和3號、4號傳感器對壓電性能及傳感器靈敏度進行測試，然后在中國科學院新疆理化技術研究所利用電子元器件輻射效應實驗室的60Co-γ輻射源在室溫及空氣濕度35%RH的試驗環境下對壓電陶瓷圓環及傳感器樣品進行輻照，所有樣品置于不銹鋼工作平臺，輻照劑量率為442.4rad（Si）／s的位置處，經受輻照時間62.8h，即累積總輻照劑量為100Mrad（Si）后降源做壓電性能及傳感器靈敏度的移位測試，測試在1h內完成。

圖2 壓電陶瓷圓環d33測試點示意圖

圖3 壓電加速度傳感器靈敏度校準系統

2.3 性能測試

采用中國科學院聲學研究所ZJ-3AN型準靜態d33測試儀對壓電陶瓷圓環室溫下的d33值進行測試，考慮壓電陶瓷材料的均勻性，每個圓環按如圖2所示測試4點并記錄讀數后取平均值。采用常州市揚子電子有限公司YD2817B型LCR數字電橋測試這些圓環室溫下的電容值C，根據公式（1），求得試樣的相對介電常數：

式中：ε0為真空介電常數（8.85 pF/m）；

t為圓環的厚度；

A為圓環的面積。

采用廈門乃爾電子有限公司V01便攜式振動臺、NL-2110電荷放大器和CBL114-10B低噪聲線纜以及NI4431數據采集卡、廈門乃爾電子有限公司校準系統對壓電加速度傳感器靈敏度進行測試，如圖3所示。校準頻率選用160Hz，標準加速度計傳遞面的振動加速度值用1g。

3 結果與討論

表 1、表 2分別列出了 A組分（K0.5Na0.5Bi）x（NaCe）yBi2Nb20≤x≤0.5，0≤y≤0.5）和B組分（Na0.5-z-wSrzBawBi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2（0＜x≤7，0＜y≤2，0＜z＜0.5，0＜w＜0.5，0＜z+w＜0.5）制備的壓電陶瓷圓環輻照前后壓電常數d33及介電常數變化情況及t檢驗成對雙樣本均值分析結果。

從表1和表2中可以看出，使用t檢驗對樣品試驗前后差異性進行分析，A組分壓電陶瓷圓環及 B 組分壓電陶瓷圓環 d33的 P＜0.05，說明試驗前后樣本性能有一定差異，即樣品經過累積總輻照劑量為100Mrad（Si）會影響壓電陶瓷元件的性能，具體表現為有微小的上升趨勢，但上升的幅度極小，可以認為前后變化不大；對于B組分壓電陶瓷圓環盡管其 P（0.115417）＞0.05，統計意義上分析試驗前后樣本性能無差異，即樣品經過累積總輻照劑量為100Mrad（Si）對B組分壓電陶瓷圓環，影響不明顯，但測試數據趨勢上看仍有微小的上升。已有文獻表明［3］對許多壓電材料來說，采用γ輻射進行輻照處理是一種有效的人工老化方法，因此經過自然老化后性能已趨于穩定，在輻射過程中，其性能變化就比較小，試驗中所研究的A組分與B組分壓電陶瓷圓環，在試驗前已在500℃（條件）下經過48h人工老化，其性能已比較穩定，因此經過總輻照劑量為100Mrad（Si）對樣品的性能影響比較小，但壓電陶瓷的性能略有微小的上升趨勢，主要是在低頻率下出現與離子電荷載體如氧空位相關的介電弛豫現象［7］。另有報道［5］表明對BiT陶瓷用稀土金屬如La、Nd的摻雜能有效減少核輻射引起的微觀缺陷，增強耐輻照能力，試驗中A組分與B組分分別使用稀土金屬Ce進行取代或摻雜，同樣也有利于減少核輻射引起的微觀缺陷，增強耐輻照能力，因此A組分與B組分制備的壓電陶瓷圓環經過總劑量為 100Mrad（Si） 輻照后，其也會變化不大。

將在500℃條件下經過48h人工老化A、B組分壓電陶瓷圓環制備的壓電加速度傳感器，進行累積總輻照劑量為100Mrad（Si）試驗，其傳感器靈敏度變化情況如表3所示。從表3可以看出，輻照前后傳感器的靈敏度變化量比較小，其變化率（%）的絕對值小于年穩定度2%［8］，滿足行業標準中壓電加速度傳感器年穩定度要求。因此可以進一步的說明A組分與B組分制備的壓電陶瓷圓環能經受總劑量為100Mrad（Si）輻照，同樣也說明使用A組分與B組分的壓電陶瓷制備的傳感器適應在核電、航天等領域的輻照環境下使用。

限于條件，未能對輻照前后壓電材料及壓電加速度傳感器的其他性能參數測量。另外，在γ輻射、高溫及振動同時作用的條件下對鉍層狀壓電陶瓷材料及壓電加速度傳感器性能的變化研究，也將是十分有意義的課題。

表1 A組分壓電陶瓷圓環輻照前后性能變化及t檢驗成對雙樣本均值分析結果

表2 B組分壓電陶瓷圓環輻照前后性能變化及t檢驗成對雙樣本均值分析結果

表3 A、B組分壓電陶瓷圓環制備的加速度傳感器輻照前后靈敏度變化

4 結論

對兩種鉍層狀壓電材料及其制作的壓電加速度傳感器進行了累積總輻照劑量為100Mrad（Si）試驗，得知：①因在低頻率下出現與離子電荷載體如氧空位相關的介電弛豫導致這兩種壓電陶瓷材料在輻照前后d33、ε33T略有上升，但總體來看變化不大；②對兩種壓電陶瓷材料添加稀土金屬減少輻照引起的微觀缺陷及進行人工老化性能穩定后，有利于增強兩種壓電陶瓷材料耐輻照的能力；③這兩種鉍層狀壓電材料及其制作的壓電加速度傳感器具有強的抗輻射能力，能適應在核電、航天等領域所涉及的輻照環境下動態響應測試及狀態監測的應用需求。