Parameter bahan piezoelektrik dan persamaan piezoelektrik (3)

(11) Faktor kualitas mekanik Qm

Ketika Keramik piezo bahan PZT digunakan untuk getaran resonansi, hal ini diperlukan untuk mengatasi kehilangan gesekan mekanis internal (konsumsi internal), dan bila ada beban, perlu untuk mengatasi kehilangan beban eksternal. Faktor kualitas mekanis Qmo (nilai Q mekanis tanpa beban) berhubungan dengan rugi-rugi mekanis ini. Dan Qm (nilai Q mekanis di bawah beban). Didefinisikan sebagai: Qm = energi mekanik yang disimpan oleh vibrator piezoelektrik pada resonansi / energi mekanik yang hilang selama periode resonansi. Ini mencerminkan jumlah energi yang dikonsumsi oleh benda piezoelektrik untuk mengatasi kerugian mekanis saat bergetar. Qm yang lebih besar berarti kehilangan energi mekanik yang lebih sedikit. Keberadaan Qm juga menunjukkan bahwa tidak mungkin bahan piezoelektrik menggunakan seluruh energi mekanik masukan untuk keluaran. Pada resonansi: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], dimana ZC adalah impedansi akustik vibrator piezoelektrik; Zl adalah impedansi akustik beban; Zb adalah blok redaman pada impedansi akustik transduser piezoelektrik. Untuk transduser piezoelektrik, Qm dan Qe-nya tidak konstan. Hal tersebut terkait dengan frekuensi operasi, bandwidth frekuensi, proses pembuatan, struktur, dan media radiasi (beban) transduser piezoelektrik. Pada transduser piezoelektrik yang digunakan dalam teknologi deteksi ultrasonik, ketika Qm terlalu tinggi, bentuk gelombang getaran yang dihasilkan oleh vibrator akan mudah dibuat terlalu panjang (fenomena dering), sehingga mengakibatkan distorsi bentuk gelombang dan resolusi yang lebih rendah. Demikian pula, Qe tidak semakin besar. Pemilihan dan penentuan Qm dan Qe harus diputuskan sesuai dengan kebutuhan sebenarnya. Nilai Q yang besar berarti konsumsi energi yang kecil selama efek piezoelektrik. Hal ini dapat mengurangi jumlah panas yang dihasilkan dalam kasus aplikasi daya tinggi dan frekuensi tinggi atau aplikasi daya transmisi murni, yang merupakan keuntungan. Namun, untuk tujuan deteksi transduser, nilai Q yang besar tidak menguntungkan untuk memperluas pita frekuensi, meningkatkan bentuk gelombang, dan meningkatkan resolusi. Selain itu, karena nilai Q juga berubah sesuai dengan sifat beban (misalnya, media beban yang dihadapi oleh probe pencelupan air dan probe metode kontak berbeda), pengaruh media beban juga harus dipertimbangkan ketika merancang transduser (impedansi radiasi).

(12) Koefisien kopling elektromekanis K
Ini merupakan parameter penting untuk memeriksa bahan piezoelektrik dari sudut pandang energi. Pengertiannya adalah pada saat efek piezoelektrik positif, tegangan luar E = 0, maka didapat: K2 = energi listrik yang tersimpan dalam benda piezoelektrik pada kondisi ideal ideal. Total energi mekanik yang dimasukkan ke dalam benda piezoelektrik pada kondisi tersebut, atau dengan kata lain: K2 = energi mekanik yang dikonversi yang menyebabkan muatan bergerak di antara elektroda-elektroda yang terhubung / energi mekanik masukan yang mengikuti tegangan yang diberikan, tegangan eksternal τ selama efek piezoelektrik terbalik = 0, ya: K2 = energi mekanik yang disimpan dalam badan piezoelektrik kondisi ideal / masukan energi listrik total ke dalam badan piezoelektrik kondisi ideal atau : K2 = konversi energi listrik yang menyebabkan regangan mekanik / masukan energi listrik di bawah tekanan transistor mempunyai elastisitas, dielektrik dan piezoelektrik secara bersamaan, dan bekerja sama. Oleh karena itu, besaran fisika ini perlu diperkenalkan untuk melihat ciri-ciri tersebut secara terpadu, yang menunjukkan derajat kekuatan kopling antara energi mekanik dan energi listrik. Dalam pengertian fisik, ini hanya menggambarkan konversi dan efisiensinya tidak sama, dan energi yang dikonversi mungkin tidak sepenuhnya diubah menjadi energi radiasi atau keluaran (termasuk konsumsi internal dan umpan balik, dll.). Tentu saja, dalam arti tertentu, dapat juga dikatakan bahwa koefisien kopling elektromekanis K mewakili 'efisiensi' benda piezoelektrik yang mengubah energi listrik menjadi energi elastis, atau mengubah energi elastis menjadi energi listrik. Hal ini terutama ditentukan oleh jenis bahan piezoelektrik. Hal ini juga tergantung pada mode getaran badan piezoelektrik, tetapi tidak ada hubungannya dengan nilai frekuensi resonansi transduser. Selain itu, nilai K juga bergantung pada struktur transduser piezoelektrik, kondisi pengoperasian, dan ukuran elektroda serta posisi badan piezoelektrik. Kita dapat membagi rapat energi U (energi dalam satuan volume) bahan piezoelektrik menjadi tiga bagian, satu rapat energi elastis, satu rapat energi medan listrik (kerapatan energi dielektrik), dan satu lagi rapat energi pertukaran piezoelektrik Um (hilangkan item energi termal dan magnet).

Bagian pertama di sini adalah bagian mekanik energi elastis material-mekanik, bagian kedua adalah Komponen cincin piezokeramik merupakan bagian energi medan listrik, dan bagian ketiga merupakan rapat energi interaksi antara energi elastis dan energi dielektrik. Energi dalam totalnya adalah: U = Ue + Ud + 2Um. Mengingat energi piezoelektrik adalah energi yang dapat dipertukarkan, maka jumlahnya menjadi dua kali lipat. Oleh karena itu, kita dapat mendefinisikan koefisien kopling elektromekanis dengan cara lain: K = Um / ( UeUd) 1/2. Atau: K = Nilai rata-rata geometrik energi piezoelektrik/energi elastis dan energi dielektrik. Alasan pemilihan nilai rata-rata geometri energi elastis dan energi dielektrik adalah dengan mempertimbangkan distribusi energi yang tidak merata pada setiap bagian kecil kristal piezoelektrik. Dengan cara ini, kita dapat mengatakan bahwa rasio energi yang dapat dikonversi secara piezoelektrik dalam satuan volume bahan piezoelektrik adalah koefisien kopling elektromekanis. Misalnya, Ud dan Ue tidak dapat diubah secara piezoelektrik, namun tidak terjadi kehilangan energi. Untuk bahan tertentu, seperti kuarsa, kehilangan energinya kecil dan efisiensi konversinya sangat tinggi, namun koefisien kopling elektromekanisnya lebih rendah dibandingkan keramik piezoelektrik, sedangkan efisiensi konversi keramik piezoelektrik tidak tinggi. Sebagian besar dapat diubah secara piezoelektrik, yang berarti koefisien kopling elektromekanisnya tinggi. Dari sini kita dapat mengenali perbedaan antara koefisien dan efisiensi kopling elektromekanis. Koefisien kopling elektromekanis merupakan perbandingan energi, tidak berdimensi, dan nilai maksimumnya adalah 1, bila K = 0 berarti tidak terjadi efek piezoelektrik. Koefisien kopling elektromekanis yang umum adalah sebagai berikut:

(1) Koefisien kopling elektromekanis Kp untuk getaran radial (juga dikenal sebagai koefisien kopling elektromekanis planar): Mencerminkan efek kopling elektromekanis dari kristal piezoelektrik berbentuk cakram tipis ketika terkena getaran teleskopik radial, asalkan diameter wafer adalah ≥3 kali ketebalan wafer t, Arah ketebalannya adalah arah polarisasi dan arah medan listrik yang diterapkan.

(2) Getaran transversal (getaran panjang transversal) koefisien kopling elektromekanis K31 mencerminkan efek kopling elektromekanis ketika kristal piezoelektrik berbentuk lembaran panjang dengan arah ketebalan seiring arah polarisasi meregang dan berkontraksi dalam arah panjang, dengan syarat panjang lembaran l≥3 kali. Lebar dan ketebalan serpihan.

(3) Koefisien kopling elektromekanis K33 dari getaran longitudinal (getaran panjang memanjang): mencerminkan efek kopling elektromekanis dari getaran teleskopik sepanjang arah panjang ketika kristal piezoelektrik berbentuk batang ramping terpolarisasi dalam arah ketebalan, dan arah medan listrik sama dengan arah polarisasi. Syaratnya adalah batang dengan lebar dan tebal atau diameter dengan panjang l≥3 kali.

(4) Koefisien kopling elektromekanis Kt getaran ketebalan: mencerminkan efek kopling elektromekanis dari kristal piezoelektrik berbentuk lembaran yang terpolarisasi dalam arah ketebalan dan arah medan listrik juga dalam arah ketebalan. Syaratnya adalah ketebalan wafer lebih kecil dibandingkan dengan panjang sisi atau diameter wafer.

(5) Koefisien kopling elektromekanis dari getaran geser ketebalan K15: Ini mencerminkan efek kopling elektromekanis dari getaran geser ketebalan kristal piezoelektrik.

Singkatnya, kita dapat menyimpulkan bahwa prinsip pemilihan utama ketika memilih bahan piezoelektrik untuk membuat transduser piezoelektrik dalam aplikasi praktis pengujian ultrasonik adalah sebagai berikut: (1) Semakin besar nilai d33--d33, semakin baik kinerja emisinya. . Tentunya saat membuat transduser transmisi sebaiknya memilih material dengan nilai d33 sebesar mungkin; (2) Semakin besar nilai g33--g33, semakin baik kinerja penerimaannya. Tentunya jika Anda ingin membuat transduser penerima, sebaiknya pilih material dengan nilai g33 yang besar sebanyak mungkin; ketika Anda perlu membuat transduser yang menggabungkan transmisi dan penerimaan, sebagai pertimbangan komprehensif, Anda harus memilih nilai yang mendekati dan sama besarnya dengan d33 dan g33 juga. (3) Impedansi akustik Z (Z = ρc) - Mengingat reflektansi dan transmitansi gelombang ultrasonik berkaitan dengan perbedaan impedansi akustik antar medium. perbedaan impedansi akustik yang lebih kecil adalah transmitansi ultrasonik yang lebih tinggi. Untuk memasukkan gelombang ultrasonik sebanyak mungkin dari transduser piezoelektrik ke media uji, bahan piezoelektrik yang impedansi akustiknya sedekat mungkin dengan impedansi akustik media kontak harus dipilih. Perlu diperhatikan bahwa keberadaan medan listrik akan mempengaruhi kecepatan suara semu pada bahan piezoelektrik, bahkan impedansi akustik bahan piezoelektrik akan berubah dalam keadaan kerjanya. (4) Koefisien kopling elektromekanis Kt dari getaran ketebalan-Dalam teknologi deteksi ultrasonik, aplikasi yang paling penting adalah chip piezoelektrik jenis getaran ketebalan, sehingga semakin besar nilai Kt, semakin baik kinerja konversi elektromekanis, yang mana sensitivitas transduser semakin tinggi. (5) Koefisien kopling elektromekanis Kp getaran radial - Ketika chip piezoelektrik melakukan getaran ketebalan, ada juga getaran radial pada saat yang sama, yang akan mengganggu getaran ketebalan dan menyebabkan distorsi bentuk gelombang, peningkatan atau peningkatan kebisingan, dll. Diharapkan nilai Kp harus sekecil mungkin. Secara umum, semakin besar nilai Kt/Kp maka semakin baik.

(6) Konstanta dielektrik ε—Wafer piezoelektrik membentuk kapasitor setelah elektroda dilapisi, dan kapasitansinya sesuai dengan C = εA / t, yaitu konstanta dielektrik ε, luas relatif A elektroda, dan jarak elektroda (Ketebalan wafer) t terkait. Dalam rangkaian, kapasitansi kecil berarti reaktansi kapasitif besar, yang cocok untuk digunakan sebagai elemen piezoelektrik frekuensi tinggi. Secara khusus, transduser pendeteksi ultrasonik sebagian besar bekerja pada rentang frekuensi megahertz, sehingga bahan piezoelektrik harus lebih kecil. Sebaliknya, ketika digunakan untuk membuat komponen piezoelektrik frekuensi rendah (seperti speaker dan mikrofon dalam rentang audio), bahan dengan ε besar harus dipilih untuk memenuhi persyaratan pencocokan kapasitas besar dan reaktansi kapasitif rendah. Perlu diperhatikan bahwa nilai ε juga berkaitan dengan kebebasan mekanis transduser, yaitu konstanta dielektrik keadaan penjepit mekanis dan keadaan bebas mekanis berbeda, sehingga terdapat perbedaan antara εe dan ετ. Selain itu, hubungan antara ε dan frekuensi juga lebih sensitif, sehingga nilai ε harus benar-benar diukur pada kondisi frekuensi operasi tertentu. Artinya, wafer piezoelektrik dengan ketebalan yang sama memiliki frekuensi resonansi yang lebih tinggi, atau ketebalan wafer lebih besar pada frekuensi resonansi yang sama, sehingga memudahkan pemrosesan dan pembuatan komponen frekuensi tinggi. Oleh karena itu, sebaiknya dipilih material dengan nilai Nt yang lebih besar.

(8) Titik Curie Feroelektrik Tc--Kristal feroelektrik hanya memiliki feroelektrik dalam kisaran suhu tertentu. Ketika suhu mencapai titik curie feroelektrik, kristal akan kehilangan feroelektrik, dan sifat dielektrik, piezoelektrik, optik, elastis, dan termal semuanya tidak normal. Kebanyakan feroelektrik hanya memiliki satu titik curie, tetapi beberapa feroelektrik memiliki titik curie atas dan bawah, dan feroelektrik hanya memiliki kisaran suhu antara titik curie atas dan bawah. Misalnya, titik curie atas timbal zirkonat titanat adalah 115-120 °C dan titik curie bawah adalah -5 °C. Jika 5% kalsium titanat ditambahkan ke barium titanat, titik curie bawah bisa mencapai -40 °C. Selain itu, beberapa feroelektrik tidak memiliki titik curie, seperti beberapa bahan piezoelektrik polimer khusus (karena telah meleleh atau bahkan terbakar ketika mencapai suhu tertentu).

Perlu dicatat bahwa ketika suhu sebenarnya belum mencapai titik curie, kinerja banyak transduser piezoelektrik (seperti Kt, dll.) telah menurun atau memburuk secara signifikan (misalnya, probe barium titanat memburuk pada 60-70 ° C) Selain itu, suhu tertinggi di mana ia dapat bekerja tidak sama dengan mampu menahan perubahan suhu yang tiba-tiba, yang disebabkan oleh adanya anisotropi termasuk koefisien muai panas. Oleh karena itu, dalam kasus suhu yang lebih tinggi seperti ujung elektroda las dan pemanasan selama penuangan blok serapan selama penggunaan aktual transduser dan proses pembuatan transduser, Saat memilih bahan piezoelektrik, pertimbangan khusus harus diberikan pada kondisi pengoperasian transduser.

(9) Faktor kualitas mekanik Qm dan faktor kualitas listrik Qe-Dalam penerapan praktis, jika nilai Qm dan Qe besar, akan terjadi fenomena 'dering', yang mengakibatkan distorsi gelombang dan penurunan resolusi, yang tidak kondusif untuk pendeteksian. Situasinya muncul. Oleh karena itu, mulai dari kebutuhan teknologi pendeteksian, agar benar-benar mencerminkan karakteristik sinyal gema dan memastikan bahwa resolusi pendeteksian memenuhi persyaratan pendeteksian, Qm dan Qe umumnya tidak diharapkan terlalu besar. Selain mempertimbangkan saat memilih bahan, saat merancang dan membuat transduser, nilai Frekuensi, Qm, dan Qe perlu dikurangi secara tepat dengan meningkatkan redaman pada struktur dan mengubah impedansi pada rangkaian. Tentu saja, penurunan nilai Qm dan Qe mengorbankan sensitivitas (pengurangan daya keluaran). Oleh karena itu, nilai Q yang sesuai harus dipilih dan disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi aktual (menurut pengalaman, nilai Q aktual transduser deteksi ultrasonik tidak boleh lebih besar dari 10).

(10) Kinerja penuaan bahan piezoelektrik tabung silinder piezoceramic -Sifat piezoelektrik bahan piezoelektrik terpolarisasi akan mengalami perubahan yang tidak dapat diubah seiring waktu. Fenomena ini disebut 'penuaan', seperti konstanta dielektrik, Rugi-rugi dielektrik, konstanta piezoelektrik, koefisien kopling elektromekanis, dan elastisitas biasanya menurun seiring waktu, dan konstanta frekuensi serta nilai Q mekanis meningkat seiring waktu. Perubahan parameter tersebut pada dasarnya linier dengan nilai logaritma waktu. Umumnya dianggap sebagai satuan sepuluh tahun, yang disebut 'penuaan sepuluh tahun'. Jelasnya, indeks ini mencerminkan stabilitas waktu bahan piezoelektrik. Saat membuat transduser piezoelektrik, pertimbangan juga harus diberikan untuk memilih bahan dengan stabilitas waktu yang lebih baik. Pada transduser ultrasonik tertentu, fenomena penuaan ini akan secara spesifik dimanifestasikan dalam sensitivitas, penempatan gelombang awal, dan tingkat kebisingan listrik. Oleh karena itu, perhatian juga harus diberikan pada pengaruh penuaan terhadap pembelian dan penyimpanan transduser.

(11) Stabilitas termal bahan piezoelektrik-Ini mengacu pada sifat piezoelektrik bahan piezoelektrik yang konstan atau tidak terdegradasi setelah periode operasi terus menerus dalam kisaran suhu tertentu di bawah titik curie, terutama untuk lingkungan bersuhu tinggi. Transduser yang berfungsi harus dipilih dari bahan dengan stabilitas termal yang baik.
11 item di atas adalah pertimbangan utama dan prinsip pemilihan ketika kita memilih bahan piezoelektrik untuk membuat transduser pengujian ultrasonik. Kita harus mempertimbangkan secara komprehensif dan memilih dengan tepat sesuai dengan aplikasi dan kebutuhan spesifik.