پارامترهای مواد پیزوالکتریک و معادلات پیزوالکتریک (3)

(11) فاکتور کیفیت مکانیکی Qm

زمانی که پیزو سرامیک مواد PZT برای ارتعاش رزونانس استفاده می شود، برای غلبه بر اتلاف اصطکاک مکانیکی داخلی (مصرف داخلی) ضروری است و هنگامی که بار وجود دارد، لازم است بر تلفات بار خارجی غلبه کرد. ضریب کیفیت مکانیکی Qmo (مقدار Q مکانیکی بدون بار) مربوط به این تلفات مکانیکی است. و Qm (مقدار Q مکانیکی تحت بار). این چنین تعریف می شود: Qm = انرژی مکانیکی ذخیره شده توسط ویبراتور پیزوالکتریک در رزونانس / انرژی مکانیکی از دست رفته در طول دوره تشدید. این مقدار انرژی مصرف شده توسط بدنه پیزوالکتریک برای غلبه بر تلفات مکانیکی هنگام ارتعاش را منعکس می کند. Qm بزرگتر به معنای اتلاف انرژی مکانیکی کمتر است. وجود Qm همچنین نشان می دهد که برای هیچ ماده پیزوالکتریکی غیرممکن است که از تمام انرژی مکانیکی ورودی برای خروجی استفاده کند. در تشدید: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)]، که در آن ZC امپدانس صوتی ویبراتور پیزوالکتریک است. Zl امپدانس صوتی بار است. Zb بلوک میرایی در امپدانس صوتی مبدل پیزوالکتریک است. برای یک مبدل پیزوالکتریک، Qm و Qe آن ثابت نیستند. آنها به فرکانس کاری، پهنای باند فرکانس، فرآیند ساخت، ساختار و محیط تابشی (بار) مبدل پیزوالکتریک مربوط می شوند. در مبدل پیزوالکتریک مورد استفاده در فناوری تشخیص اولتراسونیک، زمانی که Qm خیلی زیاد است، به راحتی می توان شکل موج ارتعاش تولید شده توسط ویبراتور را بیش از حد طولانی کرد (پدیده زنگ) که منجر به اعوجاج شکل موج و وضوح کمتر می شود. به همین ترتیب، Qe بزرگتر و بزرگتر نیست. انتخاب و تعیین Qm و Qe باید با توجه به نیازهای واقعی تصمیم گیری شود. مقدار Q بزرگ به این معنی است که مصرف انرژی در طول اثر پیزوالکتریک کم است. می تواند میزان گرمای تولید شده را در کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا یا کاربردهای توان انتقال خالص کاهش دهد که این یک مزیت است. با این حال، برای یک مبدل برای اهداف تشخیص، یک مقدار Q بزرگ برای گسترش باند فرکانس، بهبود شکل موج و افزایش وضوح مضر است. علاوه بر این، از آنجایی که مقدار Q نیز با ماهیت بار تغییر می کند (به عنوان مثال، محیط باری که با کاوشگر غوطه وری در آب مواجه می شود و پروب روش تماس متفاوت است)، تأثیر محیط بار نیز باید در هنگام طراحی مبدل در نظر گرفته شود (امپدانس تابش).

(12) ضریب جفت الکترومکانیکی K
این یک پارامتر مهم برای بررسی مواد پیزوالکتریک از منظر انرژی است. تعریف آن در اثر پیزوالکتریک مثبت، ولتاژ خارجی E = 0 است و عبارتند از: K2 = انرژی الکتریکی ذخیره شده در جسم پیزوالکتریک تحت شرایط ایده آل ایده آل. کل انرژی مکانیکی ورودی به جسم پیزوالکتریک تحت شرایط، یا به عبارت دیگر: K2 = انرژی مکانیکی تبدیل شده که باعث می شود بار الکتریکی وارد شده بین انرژی الکتریکی متصل شود که باعث می شود بار الکتریکی / انرژی الکتریکی متصل شده بین من حرکت کند. تنش τ در طول اثر پیزوالکتریک معکوس = 0، بله: K2 = انرژی مکانیکی ذخیره شده در بدنه پیزوالکتریک در شرایط ایده آل / کل انرژی الکتریکی ورودی به جسم پیزوالکتریک در شرایط ایده آل یا: K2 = انرژی الکتریکی تبدیل شده که باعث کرنش مکانیکی می شود / انرژی الکتریکی ورودی تحت فشار ترانزیستورها دارای الاستیسیته زمانی و الکتریسیته یکسان هستند. با هم به همین دلیل لازم است این کمیت فیزیکی برای مشاهده این ویژگی ها به صورت یکپارچه معرفی شود که نشان دهنده میزان قدرت جفت شدن بین انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی است. از نظر فیزیکی، فقط تبدیل را توصیف می کند و بازده برابر نیست و ممکن است انرژی تبدیل شده به طور کامل به انرژی تابشی یا خروجی (از جمله مصرف داخلی و بازخورد و غیره) تبدیل نشود. البته به یک معنا می توان گفت که ضریب جفت الکترومکانیکی K نشان دهنده 'بازده' جسم پیزوالکتریک در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی الاستیک یا تبدیل انرژی الاستیک به انرژی الکتریکی است. عمدتاً با نوع مواد پیزوالکتریک تعیین می شود. همچنین به حالت ارتعاش بدنه پیزوالکتریک بستگی دارد، اما ربطی به مقدار فرکانس رزونانس مبدل ندارد. علاوه بر این، مقدار K به ساختار مبدل پیزوالکتریک، شرایط عملکرد و اندازه الکترود و موقعیت بدنه پیزوالکتریک نیز بستگی دارد. ما می‌توانیم چگالی انرژی U (انرژی در واحد حجم) مواد پیزوالکتریک را به سه قسمت تقسیم کنیم، یکی چگالی انرژی الاستیک، یکی چگالی انرژی میدان الکتریکی (چگالی انرژی دی‌الکتریک)، و دیگری چگالی انرژی تبادل پیزوالکتریک Um (موارد انرژی حرارتی و مغناطیسی را حذف کنید).

بخش اول در اینجا بخش مکانیکی انرژی الاستیک مواد مکانیکی است، بخش دوم از اجزای حلقه پیزوسرامیک بخش الکتریکی انرژی میدان الکتریکی است و بخش سوم چگالی انرژی برهمکنش بین انرژی الاستیک و انرژی دی الکتریک است. کل انرژی داخلی عبارت است از: U = Ue + Ud + 2Um. با توجه به اینکه انرژی پیزوالکتریک انرژی قابل تعویض است، دو برابر می شود. بنابراین، می توانیم ضریب جفت الکترومکانیکی را به روش دیگری تعریف کنیم: K = Um / ( UeUd) 1/2. یا: K = مقدار متوسط ​​هندسی انرژی پیزوالکتریک / انرژی الاستیک و انرژی دی الکتریک. دلیل انتخاب مقدار میانگین هندسی انرژی الاستیک و انرژی دی الکتریک، در نظر گرفتن توزیع ناهموار انرژی هر قسمت کوچک کریستال پیزوالکتریک است. به این ترتیب می توان گفت که نسبت انرژی قابل تبدیل پیزوالکتریک در واحد حجم ماده پیزوالکتریک، ضریب جفت الکترومکانیکی است. به عنوان مثال، Ud و Ue را نمی توان به صورت پیزوالکتریک تبدیل کرد، اما اتلاف انرژی نیست. برای مواد خاص مانند کوارتز، اتلاف انرژی کم و راندمان تبدیل بسیار بالا است، اما ضریب جفت الکترومکانیکی آن کمتر از سرامیک های پیزوالکتریک است، در حالی که راندمان تبدیل سرامیک های پیزوالکتریک زیاد نیست. بخش بزرگی را می توان به صورت پیزوالکتریک تبدیل کرد، به این معنی که ضریب جفت الکترومکانیکی آن بالا است. از اینجا می توانیم تفاوت بین ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی و بازده را تشخیص دهیم. ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی نسبتی از انرژی است، بدون بعد، و مقدار حداکثر آن 1 است، زمانی که K = 0، به این معنی است که هیچ اثر پیزوالکتریک رخ نمی دهد. ضرایب کوپلینگ الکترومکانیکی رایج به شرح زیر است:

(1) ضریب جفت الکترومکانیکی Kp برای ارتعاش شعاعی (همچنین به عنوان ضریب جفت الکترومکانیکی مسطح نیز شناخته می شود): اثر جفت الکترومکانیکی یک کریستال پیزوالکتریک دیسکی شکل نازک را هنگامی که تحت ارتعاش تلسکوپی شعاعی قرار می گیرد، منعکس می کند، مشروط بر اینکه ضخامت ویفر برابر 3 برابر قطر ویفر باشد. جهت قطبش و جهت میدان الکتریکی اعمال شده.

(2) ارتعاش عرضی (ارتعاش طول عرضی) ضریب جفت الکترومکانیکی K31 اثر جفت الکترومکانیکی را منعکس می‌کند زمانی که کریستال پیزوالکتریک ورقه‌ای بلند با جهت ضخامت به عنوان جهت قطبش کشیده می‌شود و در جهت طول منقبض می‌شود، مشروط بر اینکه طول ورق l≥3 برابر باشد. عرض و ضخامت پوسته ها.

(3) ضریب جفت الکترومکانیکی K33 ارتعاش طولی (ارتعاش طول طولی): اثر جفت الکترومکانیکی ارتعاش تلسکوپی را در جهت طول منعکس می‌کند وقتی کریستال پیزوالکتریک میله‌ای باریک در جهت ضخامت قطبی می‌شود و جهت قطبی میدان الکتریکی همان جهت است. شرط عرض و ضخامت یا قطر میله با طول l≥3 برابر است.

(4) ضریب جفت الکترومکانیکی Kt ارتعاش ضخامت: منعکس کننده اثر جفت الکترومکانیکی کریستال های پیزوالکتریک ورق شکل قطبی شده در جهت ضخامت و جهت میدان الکتریکی نیز در جهت ضخامت است. شرط این است که ضخامت ویفر کوچکتر از طول یا قطر ویفر باشد.

(5) ضریب جفت الکترومکانیکی ارتعاش برشی ضخامت K15: منعکس کننده اثر جفت الکترومکانیکی ارتعاش برشی ضخامت کریستال پیزوالکتریک است.

به طور خلاصه، می توان نتیجه گرفت که اصول اصلی انتخاب هنگام انتخاب مواد پیزوالکتریک برای ساخت مبدل های پیزوالکتریک در کاربردهای عملی آزمایش اولتراسونیک به شرح زیر است: (1) هر چه مقدار d33--d33 بزرگتر باشد، عملکرد انتشار بهتر است. . بدیهی است که هنگام ساخت یک مبدل فرستنده، بهتر است ماده ای با مقدار d33 تا حد امکان انتخاب شود. (2) هرچه مقدار g33--g33 بزرگتر باشد، عملکرد دریافت بهتر است. بدیهی است که اگر می خواهید یک مبدل گیرنده بسازید، باید تا حد امکان ماده ای با مقدار زیاد g33 انتخاب کنید. هنگامی که نیاز به ساخت مبدلی دارید که هم انتقال و هم دریافت را با هم ترکیب می کند، به عنوان یک بررسی جامع، باید مقداری نزدیک و به بزرگی d33 و g33 را نیز انتخاب کنید. (3) امپدانس آکوستیک Z (Z = ρc) - با توجه به اینکه بازتاب و عبور امواج مافوق صوت به تفاوت امپدانس صوتی بین محیط مرتبط است. تفاوت کوچکتر در امپدانس صوتی، انتقال اولتراسونیک بالاتر است. برای اینکه تا حد امکان امواج اولتراسونیک از مبدل پیزوالکتریک وارد محیط آزمایش شود، باید یک ماده پیزوالکتریک که امپدانس صوتی آن تا حد امکان نزدیک به امپدانس صوتی محیط تماس باشد انتخاب شود. لازم به ذکر است که وجود میدان الکتریکی بر سرعت ظاهری صوت در ماده پیزوالکتریک تأثیر می گذارد و حتی امپدانس صوتی ماده پیزوالکتریک نیز در حالت کار تغییر می کند. (4) ضریب جفت الکترومکانیکی Kt ارتعاش ضخامت - در فناوری تشخیص اولتراسونیک، مهمترین کاربرد تراشه پیزوالکتریک نوع ارتعاش ضخامت است، بنابراین هر چه مقدار Kt بزرگتر باشد، عملکرد تبدیل الکترومکانیکی بهتری دارد، که حساسیت مبدل بالاتر است. (5) ضریب جفت الکترومکانیکی Kp ارتعاش شعاعی--زمانی که تراشه پیزوالکتریک در حال انجام ارتعاش ضخامت است، همزمان ارتعاش شعاعی نیز وجود دارد که با ارتعاش ضخامت تداخل می کند و باعث اعوجاج شکل موج، افزایش یا افزایش نویز و غیره می شود. امید است که مقدار Kp تا حد ممکن کوچک باشد. به طور کلی، هرچه مقدار Kt / Kp بزرگتر باشد، بهتر است.

(6) ثابت دی الکتریک ε- ویفر پیزوالکتریک پس از پوشش الکترودها، خازن را تشکیل می دهد و ظرفیت آن با C = εA / t مطابقت دارد، یعنی ثابت دی الکتریک ε، سطح نسبی A الکترودها، و فاصله الکترودها (ضخامت ویفر) t مربوط می شود. در مدار، ظرفیت کوچک به معنای راکتانس خازنی بزرگ است که برای استفاده به عنوان یک عنصر پیزوالکتریک با فرکانس بالا مناسب است. به طور خاص، مبدل تشخیص اولتراسونیک بیشتر در محدوده فرکانس مگاهرتز کار می کند، بنابراین لازم است که ε مواد پیزوالکتریک کوچکتر باشد. برعکس، وقتی برای ساخت اجزای پیزوالکتریک فرکانس پایین (مانند بلندگوها و میکروفون‌ها در محدوده صوتی) استفاده می‌شود، باید ماده‌ای با ε بزرگ انتخاب شود تا نیازهای مطابق با ظرفیت بزرگ و راکتانس خازنی کم را برآورده کند. لازم به ذکر است که مقدار ε با آزادی مکانیکی مبدل نیز مرتبط است، یعنی ثابت های دی الکتریک حالت گیره مکانیکی و حالت آزاد مکانیکی متفاوت است، بنابراین بین εe و ετ تفاوت وجود دارد. علاوه بر این، رابطه بین ε و فرکانس نیز حساس تر است، بنابراین مقدار ε باید در واقع بر اساس شرایط فرکانس کاری خاص اندازه گیری شود. به این معنی که ویفرهای پیزوالکتریک با ضخامت یکسان دارای فرکانس تشدید بالاتری هستند یا ضخامت ویفر در همان فرکانس تشدید بزرگتر است که برای پردازش و ساخت قطعات با فرکانس بالا راحت است. بنابراین، ماده ای با مقدار Nt بزرگتر باید انتخاب شود.

(8) نقطه کوری فروالکتریک Tc--کریستال فروالکتریک فقط در محدوده دمایی خاصی دارای فروالکتریک است. هنگامی که دما به نقطه کوری فروالکتریک می رسد، کریستال فروالکتریکی را از دست می دهد و خواص دی الکتریک، پیزوالکتریک، نوری، الاستیک و حرارتی همگی غیر طبیعی هستند. بیشتر فروالکتریک ها فقط یک نقطه کوری دارند، اما تعداد کمی فروالکتریک دارای نقاط کوری بالا و پایین هستند و فروالکتریک فقط در محدوده دمایی بین نقاط کوری بالا و پایین دارند. به عنوان مثال، نقطه کوری بالایی تیتانات زیرکونات سرب 115-120 درجه سانتیگراد و نقطه کوری پایینی 5- درجه سانتیگراد است. اگر 5٪ تیتانات کلسیم به تیتانات باریم اضافه شود، نقطه کوری پایینی می تواند به -40 درجه سانتیگراد برسد. علاوه بر این، برخی از فروالکتریک ها نقطه جوش ندارند، مانند برخی از مواد پیزوالکتریک پلیمری خاص (زیرا با رسیدن به دمای خاصی ذوب شده و یا حتی می سوزند).

لازم به ذکر است که زمانی که دمای واقعی به نقطه کوری نرسیده باشد، عملکرد بسیاری از مبدل های پیزوالکتریک (مانند Kt و غیره) به طور قابل توجهی کاهش یافته یا بدتر شده است (به عنوان مثال، پروب تیتانات باریم در دمای 60-70 درجه سانتیگراد بدتر می شود) علاوه بر این، بالاترین دمایی که در آن می تواند کار کند، برابر با وجود تغییرات ناگهانی دما نیست. ضریب انبساط حرارتی بنابراین، در مورد دماهای بالاتر مانند سیم های الکترود جوشکاری و گرمایش در حین ریختن بلوک جذب در طول استفاده واقعی از مبدل و فرآیند ساخت مبدل، هنگام انتخاب یک ماده پیزوالکتریک، باید به شرایط عملکرد مبدل توجه ویژه ای داشت.

(9) ضریب کیفیت مکانیکی Qm و ضریب کیفیت الکتریکی Qe-در کاربردهای عملی، اگر مقادیر Qm و Qe بزرگ باشند، پدیده 'زنگ' وجود خواهد داشت که منجر به اعوجاج شکل موج و کاهش وضوح می شود که برای تشخیص مناسب نیستند. وضعیت پیش می آید. بنابراین، با شروع از نیازهای فناوری تشخیص، به منظور انعکاس واقعی ویژگی های سیگنال اکو و اطمینان از اینکه وضوح تشخیص مطابق با الزامات تشخیص است، Qm و Qe معمولاً خیلی بزرگ نیستند. علاوه بر در نظر گرفتن در هنگام انتخاب مواد، هنگام طراحی و ساخت مبدل، باید مقادیر فرکانس، Qm و Qe به طور مناسب با افزایش میرایی سازه و تغییر امپدانس در مدار کاهش یابد. البته، کاهش مقادیر Qm و Qe به قیمت حساسیت (کاهش توان خروجی) تمام می شود. بنابراین، مقدار Q مناسب باید با توجه به نیازهای کاربردی واقعی انتخاب و تنظیم شود (طبق تجربه، مقدار Q واقعی مبدل تشخیص اولتراسونیک نباید بیشتر از 10 باشد).

(10) عملکرد پیری مواد پیزوالکتریک لوله استوانه ای پیزوسرامیک - خواص پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریک قطبی شده با گذشت زمان تغییرات برگشت ناپذیری خواهد داشت. این پدیده 'پیری' نامیده می شود، مانند ثابت دی الکتریک، تلفات دی الکتریک، ثابت های پیزوالکتریک، ضرایب جفت الکترومکانیکی، و الاستیسیته معمولاً با زمان کاهش می یابد و ثابت های فرکانس و مقادیر Q مکانیکی با زمان افزایش می یابد. تغییر این پارامترها اساساً با مقدار لگاریتمی زمان خطی است. عموماً واحد ده ساله در نظر گرفته می شود که به آن 'پیری ده ساله' می گویند. بدیهی است که این شاخص نشان دهنده پایداری زمانی مواد پیزوالکتریک است. هنگام ساخت مبدل های پیزوالکتریک، باید به انتخاب موادی با پایداری زمانی بهتر نیز توجه لازم را داشت. در یک مبدل اولتراسونیک خاص، این پدیده پیری به طور خاص در حساسیت، اشغال موج اولیه و سطح نویز الکتریکی آشکار می‌شود. بنابراین باید به تاثیر کهنگی در خرید و ذخیره سازی مبدل نیز توجه شود.

(11) پایداری حرارتی مواد پیزوالکتریک - این به خصوصیات پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریکی اشاره دارد که پس از یک دوره کار مداوم در محدوده دمایی معین زیر نقطه کوری ثابت یا تجزیه نمی شوند، به ویژه برای محیط های با دمای بالا. مبدل کار باید از موادی با پایداری حرارتی خوب انتخاب شود.
11 مورد بالا ملاحظات اصلی و اصول انتخاب هنگام انتخاب مواد پیزوالکتریک برای ساخت مبدل های آزمایش اولتراسونیک هستند. ما باید به طور جامع در نظر بگیریم و با توجه به کاربرد و نیازهای خاص به طور مناسب انتخاب کنیم.