Parametre for piezoelektriske materialer og piezoelektriske ligninger (3)

(11)Mekanisk kvalitetsfaktor Qm

Når PZT-materiale piezokeramik bruges til resonansvibration, det er nødvendigt at overvinde det interne mekaniske friktionstab (internt forbrug), og når der er en belastning, er det nødvendigt at overvinde det eksterne belastningstab. Den mekaniske kvalitetsfaktor Qmo (mekanisk Q-værdi uden belastning) er relateret til disse mekaniske tab. Og Qm (mekanisk Q-værdi under belastning). Det er defineret som: Qm = mekanisk energi lagret af den piezoelektriske vibrator ved resonans / mekanisk energi tabt under resonansperioden. Det afspejler mængden af ​​energi, der forbruges af det piezoelektriske legeme for at overvinde det mekaniske tab, når det vibrerer. En større Qm betyder mindre mekanisk energitab. Eksistensen af ​​Qm indikerer også, at det er umuligt for noget piezoelektrisk materiale at bruge al den indgående mekaniske energi til output. Ved resonans: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], hvor ZC er den akustiske impedans af den piezoelektriske vibrator; Zl er belastningens akustiske impedans; Zb er dæmpningsblokken i den piezoelektriske transducers akustiske impedans. For en piezoelektrisk transducer er dens Qm og Qe ikke konstante. De er relateret til driftsfrekvensen, frekvensbåndbredden, fremstillingsprocessen, strukturen og strålingsmediet (belastningen) af den piezoelektriske transducer. På den piezoelektriske transducer, der bruges i ultralydsdetektionsteknologi, er det let at gøre vibrationsbølgeformen, der genereres af vibratoren, for lang (ringefænomen), når Qm er for høj, hvilket resulterer i bølgeformsforvrængning og lavere opløsning. På samme måde er Qe ikke større og større. Valget og bestemmelsen af ​​Qm og Qe bør besluttes ud fra de faktiske behov. En stor Q-værdi betyder, at energiforbruget er lille under den piezoelektriske effekt. Det kan reducere mængden af ​​genereret varme i tilfælde af højeffekt- og højfrekvente applikationer eller rene transmissionseffektapplikationer, hvilket er en fordel. For en transducer til detektionsformål er en stor Q-værdi imidlertid ufordelagtig til at udvide frekvensbåndet, forbedre bølgeformen og øge opløsningen. Derudover, da Q-værdien også ændrer sig med belastningens art (for eksempel belastningsmediet, som vandnedsænkningssonden står over for og kontaktmetodesonden er forskellig), skal belastningsmediets indflydelse også tages i betragtning, når transduceren designes (strålingsimpedans).

(12) Elektromekanisk koblingskoefficient K
Dette er en vigtig parameter til at undersøge piezoelektriske materialer ud fra et energiperspektiv. Dens definition er under positiv piezoelektrisk effekt, den ydre spænding E = 0, og der er: K2 = elektrisk energi lagret i det piezoelektriske legeme under de ideelle betingelser. Den samlede mekaniske energi, der tilføres det piezoelektriske legeme under betingelserne, eller med andre ord: K2 = den omdannede mekaniske energi, der får ladningen / den påførte spænding til at bevæge sig mellem de tilsluttede mekaniske spændinger, τ under den omvendte piezoelektriske effekt = 0, ja: K2 = mekanisk energi lagret i det piezoelektriske legeme under ideelle forhold / samlet elektrisk energiinput i det piezoelektriske legeme under ideelle forhold eller: K2 = konverteret elektrisk energi, der forårsager mekanisk belastning / input elektrisk energi under tryk, transistorer har elasticitet og dielektricitet sammen på samme tid, de arbejder sammen med piezo-tid. Af denne grund er det nødvendigt at introducere denne fysiske størrelse for at se disse karakteristika på en samlet måde, som angiver graden af ​​koblingsstyrke mellem mekanisk energi og elektrisk energi. I fysisk forstand beskriver det kun konvertering, og det er ikke ens effektivitet, og den konverterede energi bliver muligvis ikke fuldstændigt omdannet til udstrålet eller udgående energi (herunder internt forbrug og feedback osv.). Selvfølgelig kan det på en måde også siges, at den elektromekaniske koblingskoefficient K repræsenterer 'effektiviteten' af det piezoelektriske legeme, der omdanner elektrisk energi til elastisk energi, eller omdanner elastisk energi til elektrisk energi. Det bestemmes hovedsageligt af typen af ​​piezoelektrisk materiale. Det afhænger også af vibrationstilstanden for det piezoelektriske legeme, men har intet at gøre med værdien af ​​transducerens resonansfrekvens. Derudover afhænger K-værdien også af strukturen af ​​den piezoelektriske transducer, driftsbetingelserne og elektrodestørrelsen og positionen af ​​det piezoelektriske legeme. Vi kan opdele energitætheden U (energi i en enhedsvolumen) af piezoelektriske materialer i tre dele, en er elastisk energitæthed, en er elektrisk feltenergitæthed (dielektrisk energitæthed), og en er piezoelektrisk udvekslingsenergitæthed Um (udelad termiske og magnetiske energielementer).

Den første del her er den mekaniske del af den materiale-mekaniske elastiske energi, den anden del af piezokeramiske ringkomponenter er den elektriske del-elektriske feltenergi, og den tredje del er energitætheden af ​​interaktionen mellem elastisk energi og dielektrisk energi. Den samlede indre energi er: U = Ue + Ud + 2Um. I betragtning af at piezoelektrisk energi er udskiftelig energi, er den fordoblet. Derfor kan vi definere den elektromekaniske koblingskoefficient på en anden måde: K = Um / ( UeUd) 1/2. Eller: K = Geometrisk middelværdi af piezoelektrisk energi / elastisk energi og dielektrisk energi. Grunden til at vælge den geometriske middelværdi af elastisk energi og dielektrisk energi er at overveje den ujævne energifordeling af hver lille del af den piezoelektriske krystal. På denne måde kan vi sige, at forholdet mellem den energi, der kan omdannes piezoelektrisk i en enhedsvolumen af ​​piezoelektrisk materiale, er den elektromekaniske koblingskoefficient. For eksempel kan Ud og Ue ikke piezoelektrisk omdannes, men det er ikke energitab. For specifikke materialer, såsom kvarts, er energitabet lille, og konverteringseffektiviteten er meget høj, men dens elektromekaniske koblingskoefficient er lavere end for piezoelektrisk keramik, mens konverteringseffektiviteten for piezoelektrisk keramik ikke er høj. En stor del kan omdannes piezoelektrisk, hvilket betyder, at dens elektromekaniske koblingskoefficient er høj. Herfra kan vi genkende forskellen mellem elektromekanisk koblingskoefficient og effektivitet. Den elektromekaniske koblingskoefficient er et energiforhold, dimensionsløst, og dens maksimale værdi er 1, når K = 0, betyder det, at der ikke opstår nogen piezoelektrisk effekt. De almindelige elektromekaniske koblingskoefficienter er som følger:

(1) Elektromekanisk koblingskoefficient Kp for radial vibration (også kendt som plan elektromekanisk koblingskoefficient): Afspejler den elektromekaniske koblingseffekt af en tynd skiveformet piezoelektrisk krystal, når den udsættes for radial teleskopisk vibration, forudsat at waferdiameteren er ≥3 gange tykkelsesretningen af waferens tykkelse og poltykkelsesretningen. påført elektrisk felt.

(2) Tværvibration (vibration i tværgående længde) elektromekanisk koblingskoefficient K31 afspejler den elektromekaniske koblingseffekt, når den lange pladeformede piezoelektriske krystal med tykkelsesretningen som polarisationsretningen strækker sig og trækker sig sammen i længderetningen, forudsat at længden af ​​pladen er l≥3 gange. Flagernes bredde og tykkelse.

(3) Elektromekanisk koblingskoefficient K33 for langsgående vibration (langsgående vibration): afspejler den elektromekaniske koblingseffekt af teleskopisk vibration langs længderetningen, når den slanke stangformede piezoelektriske krystal er polariseret i tykkelsesretningen, og det elektriske felts retning er den samme som polarisationsretningen. Betingelsen er en stangbredde og tykkelse eller diameter med en længde l≥3 gange.

(4) Elektromekanisk koblingskoefficient Kt af tykkelsesvibration: afspejler den elektromekaniske koblingseffekt af pladeformede piezoelektriske krystaller polariseret i tykkelsesretningen, og det elektriske felts retning er også i tykkelsesretningen. Betingelsen er, at tykkelsen af ​​waferen er mindre end waferens sidelængde eller diameter.

(5) Elektromekanisk koblingskoefficient for tykkelsesforskydningsvibration K15: Den afspejler den elektromekaniske koblingseffekt af tykkelsesforskydningsvibration af piezoelektrisk krystal.

Sammenfattende kan vi konkludere, at de vigtigste udvælgelsesprincipper ved udvælgelse af piezoelektriske materialer til fremstilling af piezoelektriske transducere i praktiske anvendelser af ultralydstestning er som følger: (1) Jo større værdien af ​​d33--d33 er, jo bedre emissionsydelse. . Når man laver en transducer, er det naturligvis bedre at vælge et materiale med en d33-værdi så stor som muligt; (2) Jo større værdien af ​​g33--g33 er, jo bedre er modtageydelsen. Det er klart, hvis du ønsker at lave en modtagende transducer, bør du vælge et materiale med en stor værdi på g33 så meget som muligt; når du skal lave en transducer, der kombinerer både transmission og modtagelse, bør du som en omfattende overvejelse også vælge en værdi tæt på og lige så stor som d33 og g33. (3) Akustisk impedans Z (Z = ρc) - I betragtning af at reflektansen og transmittansen af ​​ultralydsbølger er relateret til forskellen i akustisk impedans mellem mediet. jo mindre forskel i akustisk impedans er den højere ultralydstransmittans. For at få så mange ultralydsbølger som muligt fra den piezoelektriske transducer til at komme ind i testmediet, bør der vælges et piezoelektrisk materiale, hvis akustiske impedans er så tæt som muligt på kontaktmediets akustiske impedans. Det skal bemærkes, at eksistensen af ​​det elektriske felt vil påvirke den tilsyneladende lydhastighed i det piezoelektriske materiale, og selv den akustiske impedans af det piezoelektriske materiale vil ændre sig i arbejdstilstanden. (4) Elektromekanisk koblingskoefficient Kt for tykkelsesvibration - I ultralydsdetektionsteknologien er den vigtigste applikation tykkelsen af ​​vibrationstypen piezoelektrisk chip, så jo større værdien af ​​Kt er, jo bedre er den elektromekaniske konverteringsydelse, hvor følsomheden af ​​transduceren er højere. (5) Elektromekanisk koblingskoefficient Kp for radial vibration--Når den piezoelektriske chip udfører tykkelsesvibrationer, er der også radial vibration på samme tid, hvilket vil forstyrre tykkelsesvibrationen og forårsage bølgeformsforvrængning, støjstigning eller -stigning osv. Det er håbet, at Kp-værdien skal være så lille som muligt. Generelt gælder det, at jo større Kt/Kp-værdien er, jo bedre.

(6) Dielektrisk konstant ε—Den piezoelektriske wafer danner en kondensator, efter at elektroderne er belagt, og dens kapacitans er i overensstemmelse med C = εA / t, det vil sige den dielektriske konstant ε, det relative areal A af elektroderne og elektrodeafstanden (wafertykkelsen) t relateret. I kredsløbet betyder en lille kapacitans en stor kapacitiv reaktans, som er velegnet til brug som et højfrekvent piezoelektrisk element. Specielt virker ultralydsdetektionstransduceren for det meste i megahertz-frekvensområdet, så det kræves, at ε af det piezoelektriske materiale er mindre. Omvendt, når det bruges til at lave lavfrekvente piezoelektriske komponenter (såsom højttalere og mikrofoner i lydområdet), bør et materiale med et stort ε vælges for at opfylde de matchende krav til stor kapacitet og lav kapacitiv reaktans. Det skal bemærkes, at værdien af ​​ε også er relateret til transducerens mekaniske frihed, det vil sige, at de dielektriske konstanter for den mekaniske fastspændingstilstand og den mekaniske frie tilstand er forskellige, så der er forskelle mellem εe og ετ. Derudover er forholdet mellem ε og frekvens også mere følsomt, så ε-værdien bør faktisk måles på betingelsen af ​​den specifikke driftsfrekvens. Det betyder, at piezoelektriske wafere af samme tykkelse har en højere resonansfrekvens, eller at waferens tykkelse er større ved samme resonansfrekvens, hvilket er praktisk til behandling og fremstilling af højfrekvente komponenter. Derfor bør der vælges et materiale med en større Nt-værdi.

(8) Ferroelektrisk Curie-punkt Tc - Den ferroelektriske krystal har kun ferroelektricitet inden for et bestemt temperaturområde. Når temperaturen når det ferroelektriske curie-punkt, vil krystallen miste ferroelektricitet, og de dielektriske, piezoelektriske, optiske, elastiske og termiske egenskaber er alle unormale. De fleste ferroelektriske stoffer har kun ét curie-punkt, men nogle få ferroelektriske stoffer har øvre og nedre curie-punkter, og de har kun ferroelektricitet i temperaturområdet mellem de øvre og nedre curie-punkter. For eksempel er det øvre curie-punkt for blyzirconat-titanat 115-120 ° C, og det nedre curie-punkt er -5 ° C. Hvis 5 % calciumtitanat tilsættes til bariumtitanat, kan det nedre curie-punkt nå -40 ° C. . Derudover har nogle ferroelektriske stoffer ikke noget curie-punkt, såsom nogle specielle piezoelektriske polymermaterialer (fordi de er smeltet eller endda brændt, når de når en vis temperatur).

Det skal bemærkes, at når den faktiske temperatur ikke har nået curie-punktet, er ydeevnen af mange piezoelektriske transducere (såsom Kt osv.) væsentligt faldet eller forringet (f.eks. forringes bariumtitanat-sonden ved 60-70 °C) Desuden er den højeste temperatur, den kan arbejde ved, ikke lig med at være i stand til at modstå en pludselige temperaturændringer, inkl. af termisk ekspansion. Derfor, i tilfælde af højere temperaturer såsom svejseelektrodeledninger og opvarmning under hældning af absorptionsblokken under den faktiske brug af transduceren og processen med at fremstille transduceren, skal der tages særlige hensyn til transducerens driftsbetingelser, når der vælges et piezoelektrisk materiale.

(9) Mekanisk kvalitetsfaktor Qm og elektrisk kvalitetsfaktor Qe-I praktiske applikationer, hvis Qm- og Qe-værdierne er store, vil der være et 'ringe'-fænomen, hvilket resulterer i bølgeformsforvrængning og reduceret opløsning, som ikke er befordrende for detektion. Situationen opstår. Derfor, med udgangspunkt i detektionsteknologiens behov, for virkelig at afspejle ekkosignalets egenskaber og sikre, at detektionsopløsningen opfylder detekteringskravene, forventes Qm og Qe generelt ikke at være for store. Ud over at tage hensyn til, når der vælges materialer, hvornår der designes og fremstilles transducere, skal Frekvens-, Qm- og Qe-værdier reduceres passende ved at øge dæmpningen på strukturen og ændre impedansen på kredsløbet. Reduktion af Qm- og Qe-værdier kommer naturligvis på bekostning af følsomhed (reduceret udgangseffekt). Derfor bør den passende Q-værdi vælges og justeres i henhold til behovene for den faktiske applikation (ifølge erfaringen bør den faktiske Q-værdi for ultralydsdetektionstransduceren ikke være større end 10).

(10) Ældningsevne af piezoelektriske materialer piezokeramisk cylinderrør -De piezoelektriske egenskaber af polariserede piezoelektriske materialer vil have irreversible ændringer med tiden. Dette fænomen kaldes 'aldring', såsom dielektrisk konstant, dielektriske tab, piezoelektriske konstanter, elektromekaniske koblingskoefficienter og elasticitet falder normalt med tiden, og frekvenskonstanter og mekaniske Q-værdier stiger med tiden. Ændringen af ​​disse parametre er grundlæggende lineær med den logaritmiske værdi af tid. Det betragtes generelt som en enhed på ti år, hvilket kaldes 'ti-årig aldring'. Dette indeks afspejler naturligvis tidsstabiliteten af ​​piezoelektriske materialer. Ved fremstilling af piezoelektriske transducere bør der også tages behørigt hensyn til at vælge materialer med bedre tidsstabilitet. På en specifik ultralydstransducer vil dette ældningsfænomen blive specifikt manifesteret i følsomhed, indledende bølgebesættelse og elektrisk støjniveau. Derfor bør man også være opmærksom på effekten af ​​aldring på køb og opbevaring af transduceren.

(11) Termisk stabilitet af piezoelektriske materialer-Dette refererer til de piezoelektriske egenskaber af piezoelektriske materialer, der er konstante eller ikke-nedbrydelige efter en periode med kontinuerlig drift i et bestemt temperaturområde under curie-punktet, især for højtemperaturmiljøer. Arbejdstransduceren bør vælges blandt materialer med god termisk stabilitet.
Ovenstående 11 punkter er de vigtigste overvejelser og udvælgelsesprincipper, når vi vælger piezoelektriske materialer til at lave ultralydstesttransducere. Vi bør grundigt overveje og vælge passende i henhold til den specifikke applikation og behov.