Parametri dei materiali piezoelettrici ed equazioni piezoelettriche (3)

(11)Coefficiente di qualità meccanica Qm

Quando il Il materiale PZT piezoceramico viene utilizzato per le vibrazioni di risonanza, è necessario superare la perdita di attrito meccanico interno (consumo interno) e quando è presente un carico, è necessario superare la perdita di carico esterno. Il fattore di qualità meccanica Qmo (valore Q meccanico a vuoto) è correlato a queste perdite meccaniche. E Qm (valore Q meccanico sotto carico). È definita come: Qm = energia meccanica immagazzinata dal vibratore piezoelettrico alla risonanza / energia meccanica persa durante il periodo di risonanza. Riflette la quantità di energia consumata dal corpo piezoelettrico per superare la perdita meccanica quando vibra. Un Qm maggiore significa una minore perdita di energia meccanica. L’esistenza di Qm indica anche che è impossibile per qualsiasi materiale piezoelettrico utilizzare tutta l’energia meccanica in ingresso per l’uscita. Alla risonanza: Qm = (π/2) [ZC/(Zl-Zb)], dove ZC è l'impedenza acustica del vibratore piezoelettrico; Zl è l'impedenza acustica del carico; Zb è il blocco di smorzamento nell'impedenza acustica del trasduttore piezoelettrico. Per un trasduttore piezoelettrico, i suoi Qm e Qe non sono costanti. Sono correlati alla frequenza operativa, alla larghezza di banda di frequenza, al processo di produzione, alla struttura e al mezzo di radiazione (carico) del trasduttore piezoelettrico. Sul trasduttore piezoelettrico utilizzato nella tecnologia di rilevamento a ultrasuoni, quando Qm è troppo elevato, è facile rendere la forma d'onda di vibrazione generata dal vibratore troppo lunga (fenomeno di risonanza), con conseguente distorsione della forma d'onda e risoluzione inferiore. Allo stesso modo, Qe non è sempre più grande. La scelta e la determinazione di Qm e Qe dovrebbero essere decise in base alle effettive necessità. Un valore Q elevato significa che il consumo di energia è ridotto durante l'effetto piezoelettrico. Può ridurre la quantità di calore generato nel caso di applicazioni ad alta potenza e alta frequenza o applicazioni di pura potenza di trasmissione, il che rappresenta un vantaggio. Tuttavia, per un trasduttore a scopo di rilevamento, un valore Q elevato è svantaggioso per ampliare la banda di frequenza, migliorare la forma d'onda e aumentare la risoluzione. Inoltre, poiché il valore Q cambia anche con la natura del carico (ad esempio, il mezzo di carico a cui è esposta la sonda ad immersione in acqua e la sonda con metodo di contatto è diverso), è necessario considerare anche l'influenza del mezzo di carico quando si progetta il trasduttore (impedenza di radiazione).

(12)Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K
Questo è un parametro importante per esaminare i materiali piezoelettrici dal punto di vista energetico. La sua definizione è durante l'effetto piezoelettrico positivo, la tensione esterna E = 0, e ci sono: K2 = energia elettrica immagazzinata nel corpo piezoelettrico nelle condizioni ideali ideali. L'energia meccanica totale immessa nel corpo piezoelettrico nelle condizioni, o in altre parole: K2 = l'energia meccanica convertita che fa muovere la carica tra gli elettrodi collegati / l'energia meccanica in ingresso che segue lo stress applicato, lo stress esterno τ durante l'effetto piezoelettrico inverso = 0, sì: K2 = energia meccanica immagazzinata in corpo piezoelettrico in condizioni ideali / energia elettrica totale immessa nel corpo piezoelettrico in condizioni ideali oppure: K2 = energia elettrica convertita che causa sollecitazione meccanica / energia elettrica immessa sotto pressione i transistor hanno elasticità, dielettricità e piezoelettricità allo stesso tempo e lavorano insieme. Per questo motivo è necessario introdurre questa grandezza fisica per vedere in modo unitario queste caratteristiche, che indicano il grado di forza di accoppiamento tra energia meccanica ed energia elettrica. In senso fisico, descrive solo la conversione e non è uguale efficienza, e l'energia convertita potrebbe non essere completamente convertita in energia irradiata o in uscita (compresi consumo interno e feedback, ecc.). Naturalmente, in un certo senso, si può anche dire che il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K rappresenta l''efficienza' del corpo piezoelettrico nel convertire l'energia elettrica in energia elastica, ovvero nel convertire l'energia elastica in energia elettrica. È determinato principalmente dal tipo di materiale piezoelettrico. Dipende anche dal modo di vibrare del corpo piezoelettrico, ma non ha nulla a che vedere con il valore della frequenza di risonanza del trasduttore. Inoltre, il valore K dipende anche dalla struttura del trasduttore piezoelettrico, dalle condizioni operative, dalla dimensione dell'elettrodo e dalla posizione del corpo piezoelettrico. Possiamo dividere la densità di energia U (energia in un'unità di volume) dei materiali piezoelettrici in tre parti, una è la densità di energia elastica, una è la densità di energia del campo elettrico (densità di energia dielettrica) e una è la densità di energia di interscambio piezoelettrico Um (omettere elementi di energia termica e magnetica).

La prima parte qui è la parte meccanica dell'energia elastica materiale-meccanica, la seconda parte di I componenti dell'anello piezoceramico rappresentano l'energia del campo elettrico parziale e la terza parte è la densità energetica dell'interazione tra energia elastica ed energia dielettrica. L'energia interna totale è: U = Ue + Ud + 2Um. Considerando che l'energia piezoelettrica è energia intercambiabile, è raddoppiata. Possiamo quindi definire il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico in altro modo: K = Um / ( UeUd) 1/2. Oppure: K = Valore medio geometrico dell'energia piezoelettrica/energia elastica ed energia dielettrica. La ragione per scegliere il valore medio geometrico dell'energia elastica e dell'energia dielettrica è considerare la distribuzione non uniforme dell'energia di ogni piccola parte del cristallo piezoelettrico. In questo modo possiamo dire che il rapporto tra l'energia che può essere convertita piezoelettricamente in un'unità di volume di materiale piezoelettrico è il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico. Ad esempio, Ud e Ue non possono essere convertiti piezoelettricamente, ma non si tratta di una perdita di energia. Per materiali specifici, come il quarzo, la perdita di energia è ridotta e l'efficienza di conversione è molto elevata, ma il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico è inferiore a quello della ceramica piezoelettrica, mentre l'efficienza di conversione della ceramica piezoelettrica non è elevata. Gran parte può essere convertita piezoelettricamente, il che significa che il suo coefficiente di accoppiamento elettromeccanico è elevato. Da qui possiamo riconoscere la differenza tra coefficiente di accoppiamento elettromeccanico ed efficienza. Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico è un rapporto di energia, adimensionale, e il suo valore massimo è 1, quando K = 0 significa che non si verifica alcun effetto piezoelettrico. I comuni coefficienti di accoppiamento elettromeccanico sono i seguenti:

(1) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico Kp per vibrazione radiale (noto anche come coefficiente di accoppiamento elettromeccanico planare): riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico di un cristallo piezoelettrico a forma di disco sottile quando è soggetto a vibrazione telescopica radiale, a condizione che il diametro del wafer sia ≥ 3 volte lo spessore del wafer t, la sua direzione dello spessore è la direzione di polarizzazione e la direzione del campo elettrico applicato.

(2) Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K31 della vibrazione trasversale (vibrazione della lunghezza trasversale) riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico quando il lungo cristallo piezoelettrico a forma di foglio con la direzione dello spessore come direzione di polarizzazione si allunga e si contrae nella direzione della lunghezza, a condizione che la lunghezza del foglio sia l≥3 volte. La larghezza e lo spessore dei fiocchi.

(3) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K33 della vibrazione longitudinale (vibrazione della lunghezza longitudinale): riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico della vibrazione telescopica lungo la direzione della lunghezza quando il sottile cristallo piezoelettrico a forma di bastoncino è polarizzato nella direzione dello spessore e la direzione del campo elettrico è la stessa della direzione di polarizzazione. La condizione è una larghezza e uno spessore o un diametro dell'asta con una lunghezza l≥3 volte.

(4) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico Kt della vibrazione dello spessore: riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico di cristalli piezoelettrici a forma di foglio polarizzati nella direzione dello spessore e anche la direzione del campo elettrico è nella direzione dello spessore. La condizione è che lo spessore del wafer sia inferiore alla lunghezza del lato o al diametro del wafer.

(5) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico della vibrazione di taglio dello spessore K15: riflette l'effetto di accoppiamento elettromeccanico della vibrazione di taglio dello spessore del cristallo piezoelettrico.

In sintesi, possiamo concludere che i principali principi di selezione nella scelta dei materiali piezoelettrici per realizzare trasduttori piezoelettrici nelle applicazioni pratiche dei test a ultrasuoni sono i seguenti: (1) Maggiore è il valore di d33--d33, migliore è la prestazione di emissione. . Ovviamente, quando si realizza un trasduttore trasmittente, è meglio scegliere un materiale con un valore d33 il più grande possibile; (2) Maggiore è il valore di g33--g33, migliore sarà la prestazione di ricezione. Ovviamente, se volete realizzare un trasduttore ricevente, dovreste scegliere un materiale il più possibile con un valore di g33 elevato; quando è necessario realizzare un trasduttore che combini sia trasmissione che ricezione, come considerazione globale, si dovrebbe scegliere un valore vicino e grande anche a d33 e g33. (3) Impedenza acustica Z (Z = ρc)-Considerando che la riflettanza e la trasmittanza delle onde ultrasoniche sono legate alla differenza di impedenza acustica tra il mezzo. la minore differenza nell'impedenza acustica corrisponde alla maggiore trasmittanza ultrasonica. Per far sì che il maggior numero possibile di onde ultrasoniche provenienti dal trasduttore piezoelettrico entrino nel mezzo di prova, è necessario selezionare un materiale piezoelettrico la cui impedenza acustica sia il più vicino possibile all'impedenza acustica del mezzo di contatto. Va notato che l'esistenza del campo elettrico influenzerà la velocità apparente del suono nel materiale piezoelettrico e anche l'impedenza acustica del materiale piezoelettrico cambierà nello stato di funzionamento. (4) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico Kt della vibrazione dello spessore: nella tecnologia di rilevamento a ultrasuoni, l'applicazione più importante è il chip piezoelettrico del tipo a vibrazione dello spessore, quindi maggiore è il valore di Kt, migliori sono le prestazioni di conversione elettromeccanica, mentre la sensibilità del trasduttore è maggiore. (5) Coefficiente di accoppiamento elettromeccanico Kp della vibrazione radiale: quando il chip piezoelettrico esegue vibrazioni di spessore, si verifica contemporaneamente anche una vibrazione radiale, che interferirà con la vibrazione di spessore e causerà distorsione della forma d'onda, aumento o aumento del rumore, ecc. Si spera che il valore Kp sia il più piccolo possibile. In generale, maggiore è il valore Kt/Kp, meglio è.

(6) Costante dielettrica ε: il wafer piezoelettrico forma un condensatore dopo che gli elettrodi sono stati rivestiti e la sua capacità è conforme a C = εA / t, ovvero la costante dielettrica ε, l'area relativa A degli elettrodi e la spaziatura degli elettrodi (spessore del wafer) t correlati. Nel circuito, una piccola capacità significa una grande reattanza capacitiva, adatta per l'uso come elemento piezoelettrico ad alta frequenza. In particolare, il trasduttore di rilevamento a ultrasuoni funziona principalmente nella gamma di frequenze dei megahertz, quindi è necessario che ε del materiale piezoelettrico sia inferiore. Al contrario, quando utilizzato per realizzare componenti piezoelettrici a bassa frequenza (come altoparlanti e microfoni nella gamma audio), è necessario selezionare un materiale con un ε elevato per soddisfare i requisiti di grande capacità e bassa reattanza capacitiva. Va notato che il valore di ε è legato anche alla libertà meccanica del trasduttore, cioè le costanti dielettriche dello stato di bloccaggio meccanico e dello stato libero meccanico sono diverse, quindi ci sono differenze tra εe e ετ. Inoltre, anche la relazione tra ε e la frequenza è più sensibile, quindi il valore ε dovrebbe essere effettivamente misurato in base alla frequenza operativa specifica. Ciò significa che i wafer piezoelettrici dello stesso spessore hanno una frequenza di risonanza più elevata o che lo spessore del wafer è maggiore alla stessa frequenza di risonanza, il che è conveniente per la lavorazione e la produzione di componenti ad alta frequenza. Pertanto, dovrebbe essere selezionato un materiale con un valore Nt maggiore.

(8) Punto di Curie ferroelettrico Tc--Il cristallo ferroelettrico ha ferroelettricità solo entro un certo intervallo di temperature. Quando la temperatura raggiunge il punto di curie ferroelettrico, il cristallo perde ferroelettricità e le proprietà dielettriche, piezoelettriche, ottiche, elastiche e termiche sono tutte anormali. La maggior parte dei ferroelettrici ha un solo punto curie, ma alcuni ferroelettrici hanno punti curie superiori e inferiori e hanno ferroelettricità solo nell'intervallo di temperature tra i punti curie superiore e inferiore. Ad esempio, il punto di curie superiore del titanato di zirconato di piombo è 115-120 ° C e il punto di curie inferiore è -5 ° C. Se al titanato di bario viene aggiunto il 5% di titanato di calcio, il punto di curie inferiore può raggiungere -40 ° C. . Inoltre, alcuni materiali ferroelettrici non hanno punto di curie, come alcuni speciali materiali piezoelettrici polimerici (perché si sciolgono o addirittura bruciano quando raggiungono una certa temperatura).

Va notato che quando la temperatura effettiva non ha raggiunto il punto di curie, le prestazioni di molti trasduttori piezoelettrici (come Kt, ecc.) sono notevolmente diminuite o peggiorate (ad esempio, la sonda al titanato di bario si deteriora a 60-70 ° C). Inoltre, la temperatura più alta alla quale può funzionare non è uguale alla capacità di sopportare sbalzi di temperatura, causati dall'esistenza di anisotropia incluso il coefficiente di dilatazione termica. Pertanto, in caso di temperature più elevate, come quelle dei cavi degli elettrodi di saldatura e del riscaldamento durante il versamento del blocco di assorbimento durante l'uso effettivo del trasduttore e il processo di realizzazione del trasduttore. Quando si seleziona un materiale piezoelettrico, è necessario prestare particolare attenzione alle condizioni operative del trasduttore.

(9) Fattore di qualità meccanica Qm e fattore di qualità elettrica Qe- Nelle applicazioni pratiche, se i valori Qm e Qe sono grandi, si verificherà un fenomeno di 'richiamo', con conseguente distorsione della forma d'onda e risoluzione ridotta, che non favoriscono il rilevamento. La situazione si presenta. Pertanto, partendo dalle esigenze della tecnologia di rilevamento, per riflettere realmente le caratteristiche del segnale di eco e garantire che la risoluzione di rilevamento soddisfi i requisiti di rilevamento, generalmente non si prevede che Qm e Qe siano troppo grandi. Oltre a tenere in considerazione nella scelta dei materiali, nella progettazione e nella produzione dei trasduttori, i valori di frequenza, Qm e Qe devono essere opportunamente ridotti aumentando lo smorzamento sulla struttura e modificando l'impedenza sul circuito. Naturalmente, la riduzione dei valori Qm e Qe va a scapito della sensibilità (ridotta potenza di uscita). Pertanto, il valore Q appropriato dovrebbe essere selezionato e regolato in base alle esigenze dell'applicazione reale (secondo l'esperienza, il valore Q effettivo del trasduttore di rilevamento a ultrasuoni non dovrebbe essere superiore a 10).

(10) Prestazioni di invecchiamento dei materiali piezoelettrici Tubo cilindrico piezoceramico -Le proprietà piezoelettriche dei materiali piezoelettrici polarizzati subiranno cambiamenti irreversibili nel tempo. Questo fenomeno è chiamato 'invecchiamento', poiché la costante dielettrica, le perdite dielettriche, le costanti piezoelettriche, i coefficienti di accoppiamento elettromeccanico e l'elasticità solitamente diminuiscono con il tempo, mentre le costanti di frequenza e i valori Q meccanici aumentano con il tempo. La variazione di questi parametri è sostanzialmente lineare con il valore logaritmico del tempo. È generalmente considerato come un'unità di dieci anni, chiamata 'invecchiamento di dieci anni'. Ovviamente, questo indice riflette la stabilità temporale dei materiali piezoelettrici. Quando si realizzano trasduttori piezoelettrici, si dovrebbe prestare la dovuta attenzione anche alla selezione di materiali con una migliore stabilità temporale. Su uno specifico trasduttore a ultrasuoni, questo fenomeno di invecchiamento si manifesterà specificamente nella sensibilità, nell'occupazione iniziale delle onde e nel livello di rumore elettrico. Pertanto, è necessario prestare attenzione anche agli effetti dell'invecchiamento sull'acquisto e sulla conservazione del trasduttore.

(11) Stabilità termica dei materiali piezoelettrici: si riferisce alle proprietà piezoelettriche dei materiali piezoelettrici che sono costanti o non degradate dopo un periodo di funzionamento continuo in un determinato intervallo di temperature al di sotto del punto di curie, in particolare per ambienti ad alta temperatura. Il trasduttore di lavoro deve essere selezionato tra materiali con buona stabilità termica.
Gli 11 elementi sopra riportati rappresentano le principali considerazioni e principi di selezione quando scegliamo i materiali piezoelettrici per realizzare trasduttori per test a ultrasuoni. Dovremmo considerare in modo completo e selezionare in modo appropriato in base all'applicazione e alle esigenze specifiche.