铋层状压电陶瓷及其传感器总剂量辐照效应研究

王海圣，谭祥虎，韩 哲

（厦门乃尔电子有限公司，厦门，361000）

1 前言

近年来核电、航天等领域技术的进步，对高温、辐照环境下各类仪器设备的动态响应测试和状态监测具有重大需求，其中包括对振动与冲击进行测量的加速度传感器。在众多测振传感器中，压电式加速度传感器因动态范围大、频率范围宽（3～20000Hz）、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是应用最为广泛的振动监测与监控传感器。为满足压电加速度传感器核电、航天等领域技术需要，对压电元件的可靠性及稳定性提出了更加严格的要求，如耐高温及高强度辐照的影响就是十分有意义的课题。

已有文献针对钛酸铅、锆钛酸铅基压电陶瓷材料［1］［2］及压电陶瓷滤波器［3］经受辐射进行了相关的研究，但因其居里温度不高，限制了其在高温环境下的使用。铋层状结构铁电化合物（BLSF）是典型的高Tc的压电材料，由于其具有高电阻以及较为合适的压电性能，是一种高温加速度传感器的候选材料［4］。S.Y.Cho等［5］人在室温下采用60Coγray源对3层铋层状Bi4Ti3BiT）及其改性压电陶瓷材料辐照前后的性能变化进行了相关研究，但其辐照总剂量为3000kGy。本文选择2层和4层的铋层状的压电陶瓷材料进行了60Coγ-ray辐射实验，在累积总剂量100Mrad（Si）下，对辐射前后这两种压电陶瓷材料的性能进行测量，并对辐照的影响因素进行讨论。同时对采用这两组压电陶瓷材料制备的压电加速度传感器进行了累积辐照总剂量为100Mrad（Si）前后的性能对比试验，并研究了辐照变化情况。

2 实验过程

2.1 压电陶瓷材料及其加速度传感器

实验采用的成分为 A组分：（K0.5Na0.5Bi）x（NaCe）yBi2Nb20≤x≤0.5，0≤y≤0.5）［6］和B组分：（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层和4层铋层状钙钛矿相压电陶瓷粉体，通过传统电子陶瓷工艺制备出φ9.8×4.3×0.5mm压电陶瓷圆环，圆环两端面镀金电极，在160℃温度及10kV/mm的直流电压下极化，极化后的样品在500℃下经过48h人工老化，然后再进行性能测试。

压电加速度传感器采用7pcs经过老化后的压电陶瓷圆环按正端压缩结构进行装配，结构如图1所示，两种成分的压电陶瓷圆环各装配一颗压电加速度传感器编号为1号、2号（对应A组分压电陶瓷）和3号、4号（对应B组分压电陶瓷）并进行灵敏度测试。

图1 压电加速度传感器结构图

2.2 辐照试验

选取经过老化后两种成分的铋层状压电陶瓷材料制作的压电陶瓷圆环样品各10pcs及1号、2号和3号、4号传感器对压电性能及传感器灵敏度进行测试，然后在中国科学院新疆理化技术研究所利用电子元器件辐射效应实验室的60Co-γ辐射源在室温及空气湿度35%RH的试验环境下对压电陶瓷圆环及传感器样品进行辐照，所有样品置于不锈钢工作平台，辐照剂量率为442.4rad（Si）／s的位置处，经受辐照时间62.8h，即累积总辐照剂量为100Mrad（Si）后降源做压电性能及传感器灵敏度的移位测试，测试在1h内完成。

图2 压电陶瓷圆环d33测试点示意图

图3 压电加速度传感器灵敏度校准系统

2.3 性能测试

采用中国科学院声学研究所ZJ-3AN型准静态d33测试仪对压电陶瓷圆环室温下的d33值进行测试，考虑压电陶瓷材料的均匀性，每个圆环按如图2所示测试4点并记录读数后取平均值。采用常州市扬子电子有限公司YD2817B型LCR数字电桥测试这些圆环室温下的电容值C，根据公式（1），求得试样的相对介电常数：

式中：ε0为真空介电常数（8.85 pF/m）；

t为圆环的厚度；

A为圆环的面积。

采用厦门乃尔电子有限公司V01便携式振动台、NL-2110电荷放大器和CBL114-10B低噪声线缆以及NI4431数据采集卡、厦门乃尔电子有限公司校准系统对压电加速度传感器灵敏度进行测试，如图3所示。校准频率选用160Hz，标准加速度计传递面的振动加速度值用1g。

3 结果与讨论

表 1、表 2分别列出了 A组分（K0.5Na0.5Bi）x（NaCe）yBi2Nb20≤x≤0.5，0≤y≤0.5）和B组分（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）制备的压电陶瓷圆环辐照前后压电常数d33及介电常数变化情况及t检验成对双样本均值分析结果。

从表1和表2中可以看出，使用t检验对样品试验前后差异性进行分析，A组分压电陶瓷圆环及 B 组分压电陶瓷圆环 d33的 P＜0.05，说明试验前后样本性能有一定差异，即样品经过累积总辐照剂量为100Mrad（Si）会影响压电陶瓷元件的性能，具体表现为有微小的上升趋势，但上升的幅度极小，可以认为前后变化不大；对于B组分压电陶瓷圆环尽管其 P（0.115417）＞0.05，统计意义上分析试验前后样本性能无差异，即样品经过累积总辐照剂量为100Mrad（Si）对B组分压电陶瓷圆环，影响不明显，但测试数据趋势上看仍有微小的上升。已有文献表明［3］对许多压电材料来说，采用γ辐射进行辐照处理是一种有效的人工老化方法，因此经过自然老化后性能已趋于稳定，在辐射过程中，其性能变化就比较小，试验中所研究的A组分与B组分压电陶瓷圆环，在试验前已在500℃（条件）下经过48h人工老化，其性能已比较稳定，因此经过总辐照剂量为100Mrad（Si）对样品的性能影响比较小，但压电陶瓷的性能略有微小的上升趋势，主要是在低频率下出现与离子电荷载体如氧空位相关的介电弛豫现象［7］。另有报道［5］表明对BiT陶瓷用稀土金属如La、Nd的掺杂能有效减少核辐射引起的微观缺陷，增强耐辐照能力，试验中A组分与B组分分别使用稀土金属Ce进行取代或掺杂，同样也有利于减少核辐射引起的微观缺陷，增强耐辐照能力，因此A组分与B组分制备的压电陶瓷圆环经过总剂量为 100Mrad（Si） 辐照后，其也会变化不大。

将在500℃条件下经过48h人工老化A、B组分压电陶瓷圆环制备的压电加速度传感器，进行累积总辐照剂量为100Mrad（Si）试验，其传感器灵敏度变化情况如表3所示。从表3可以看出，辐照前后传感器的灵敏度变化量比较小，其变化率（%）的绝对值小于年稳定度2%［8］，满足行业标准中压电加速度传感器年稳定度要求。因此可以进一步的说明A组分与B组分制备的压电陶瓷圆环能经受总剂量为100Mrad（Si）辐照，同样也说明使用A组分与B组分的压电陶瓷制备的传感器适应在核电、航天等领域的辐照环境下使用。

限于条件，未能对辐照前后压电材料及压电加速度传感器的其他性能参数测量。另外，在γ辐射、高温及振动同时作用的条件下对铋层状压电陶瓷材料及压电加速度传感器性能的变化研究，也将是十分有意义的课题。

表1 A组分压电陶瓷圆环辐照前后性能变化及t检验成对双样本均值分析结果

表2 B组分压电陶瓷圆环辐照前后性能变化及t检验成对双样本均值分析结果

表3 A、B组分压电陶瓷圆环制备的加速度传感器辐照前后灵敏度变化

4 结论

对两种铋层状压电材料及其制作的压电加速度传感器进行了累积总辐照剂量为100Mrad（Si）试验，得知：①因在低频率下出现与离子电荷载体如氧空位相关的介电弛豫导致这两种压电陶瓷材料在辐照前后d33、ε33T略有上升，但总体来看变化不大；②对两种压电陶瓷材料添加稀土金属减少辐照引起的微观缺陷及进行人工老化性能稳定后，有利于增强两种压电陶瓷材料耐辐照的能力；③这两种铋层状压电材料及其制作的压电加速度传感器具有强的抗辐射能力，能适应在核电、航天等领域所涉及的辐照环境下动态响应测试及状态监测的应用需求。