Parametre for piezoelektriske materialer og piezoelektriske ligninger (3)

(11)Mekanisk kvalitetsfaktor Qm

Når PZT-materiale piezokeramikk brukes til resonansvibrasjoner, det er nødvendig å overvinne det interne mekaniske friksjonstapet (internt forbruk), og når det er en belastning, er det nødvendig å overvinne det eksterne lasttapet. Den mekaniske kvalitetsfaktoren Qmo (ikke-last mekanisk Q-verdi) er relatert til disse mekaniske tapene. Og Qm (mekanisk Q-verdi under belastning). Det er definert som: Qm = mekanisk energi lagret av den piezoelektriske vibratoren ved resonans / mekanisk energi tapt under resonansperioden. Den reflekterer mengden energi som forbrukes av det piezoelektriske legemet for å overvinne det mekaniske tapet når det vibrerer. En større Qm betyr mindre mekanisk energitap. Eksistensen av Qm indikerer også at det er umulig for noe piezoelektrisk materiale å bruke all den inngående mekaniske energien til utgang. Ved resonans: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], der ZC er den akustiske impedansen til den piezoelektriske vibratoren; Zl er den akustiske impedansen til lasten; Zb er dempningsblokken i den piezoelektriske transduserens akustiske impedans. For en piezoelektrisk transduser er Qm og Qe ikke konstante. De er relatert til driftsfrekvensen, frekvensbåndbredden, produksjonsprosessen, strukturen og strålingsmediet (belastningen) til den piezoelektriske transduseren. På den piezoelektriske transduseren som brukes i ultralyddeteksjonsteknologi, når Qm er for høy, er det lett å gjøre vibrasjonsbølgeformen som genereres av vibratoren for lang (ringefenomen), noe som resulterer i bølgeformforvrengning og lavere oppløsning. På samme måte er ikke Qe større og større. Valg og bestemmelse av Qm og Qe bør avgjøres i henhold til de faktiske behovene. En stor Q-verdi betyr at energiforbruket er lite under den piezoelektriske effekten. Det kan redusere mengden varme som genereres i tilfelle av høyeffekt- og høyfrekvente applikasjoner eller rene overføringskraftapplikasjoner, noe som er en fordel. For en transduser for deteksjonsformål er imidlertid en stor Q-verdi ufordelaktig for å utvide frekvensbåndet, forbedre bølgeformen og øke oppløsningen. I tillegg, siden Q-verdien også endrer seg med belastningens natur (for eksempel belastningsmediet som vanndykkingssonden står overfor og kontaktmetodesonden er forskjellig), må påvirkningen av belastningsmediet også vurderes når transduseren utformes (strålingsimpedans ).

(12) Elektromekanisk koblingskoeffisient K
Dette er en viktig parameter for å undersøke piezoelektriske materialer fra energiperspektivet. Dens definisjon er under positiv piezoelektrisk effekt, den ytre spenningen E = 0, og det er: K2 = elektrisk energi lagret i det piezoelektriske legemet under de ideelle forholdene. Den totale mekaniske energien som tilføres det piezoelektriske legemet under forholdene, eller med andre ord: K2 = den konverterte mekaniske energien som får ladningen / den tilførte spenningen til å bevege seg mellom de tilkoblede mekaniske spenningene, påførte elektrodene. τ under den inverse piezoelektriske effekten = 0, ja: K2 = mekanisk energi lagret i det piezoelektriske legemet under ideelle forhold / total elektrisk energiinngang i det piezoelektriske legemet under ideelle forhold eller: K2 = konvertert elektrisk energi som forårsaker mekanisk påkjenning / innført elektrisk energi under trykk transistorer har elastisitet og dielektrisitet sammen ved samme tid. Av denne grunn er det nødvendig å introdusere denne fysiske størrelsen for å se disse egenskapene på en enhetlig måte, som indikerer graden av koblingsstyrke mellom mekanisk energi og elektrisk energi. I fysisk forstand beskriver det bare konvertering og det er ikke lik effektivitet, og den konverterte energien blir kanskje ikke fullstendig omdannet til utstrålt eller utgående energi (inkludert internt forbruk og tilbakemelding, etc.). Selvfølgelig, på en måte, kan det også sies at den elektromekaniske koblingskoeffisienten K representerer 'effektiviteten' til det piezoelektriske legemet som konverterer elektrisk energi til elastisk energi, eller konverterer elastisk energi til elektrisk energi. Det bestemmes hovedsakelig av typen piezoelektrisk materiale. Det avhenger også av vibrasjonsmodusen til den piezoelektriske kroppen, men har ingenting å gjøre med verdien av resonansfrekvensen til transduseren. I tillegg avhenger K-verdien også av strukturen til den piezoelektriske transduseren, driftsforholdene og elektrodestørrelsen og posisjonen til den piezoelektriske kroppen. Vi kan dele energitettheten U (energi i en volumenhet) til piezoelektriske materialer i tre deler, en er elastisk energitetthet, en er elektrisk feltenergitetthet (dielektrisk energitetthet), og en er piezoelektrisk utvekslingsenergitetthet Um (utelat termiske og magnetiske energielementer).

Den første delen her er den mekaniske delen av den material-mekaniske elastiske energien, den andre delen av piezokeramiske ringkomponenter er den elektriske delen-elektrisk feltenergi, og den tredje delen er energitettheten til interaksjonen mellom elastisk energi og dielektrisk energi. Den totale indre energien er: U = Ue + Ud + 2Um. Tatt i betraktning at piezoelektrisk energi er utskiftbar energi, dobles den. Derfor kan vi definere den elektromekaniske koblingskoeffisienten på en annen måte: K = Um / ( UeUd) 1/2. Eller: K = Geometrisk middelverdi av piezoelektrisk energi / elastisk energi og dielektrisk energi. Grunnen til å velge den geometriske middelverdien av elastisk energi og dielektrisk energi er å vurdere den ujevne energifordelingen til hver ørsmå del av den piezoelektriske krystallen. På denne måten kan vi si at forholdet mellom energien som kan omdannes piezoelektrisk i en enhetsvolum av piezoelektrisk materiale er den elektromekaniske koblingskoeffisienten. For eksempel kan Ud og Ue ikke omdannes piezoelektrisk, men det er ikke energitap. For spesifikke materialer, for eksempel kvarts, er energitapet lite og konverteringseffektiviteten er veldig høy, men dens elektromekaniske koblingskoeffisient er lavere enn for piezoelektrisk keramikk, mens konverteringseffektiviteten til piezoelektrisk keramikk ikke er høy. En stor del kan omdannes piezoelektrisk, noe som betyr at dens elektromekaniske koblingskoeffisient er høy. Herfra kan vi gjenkjenne forskjellen mellom elektromekanisk koblingskoeffisient og effektivitet. Den elektromekaniske koblingskoeffisienten er et forhold mellom energi, dimensjonsløs, og dens maksimale verdi er 1, når K = 0, betyr det at ingen piezoelektrisk effekt oppstår. De vanlige elektromekaniske koblingskoeffisientene er som følger:

(1) Elektromekanisk koblingskoeffisient Kp for radiell vibrasjon (også kjent som plan elektromekanisk koblingskoeffisient): Gjenspeiler den elektromekaniske koblingseffekten til en tynn skiveformet piezoelektrisk krystall når den utsettes for radiell teleskopisk vibrasjon, forutsatt at skivediameteren er ≥3 ganger tykkelsesretningen til skiven og poltykkelsen. påført elektrisk felt.

(2) Tverrvibrasjon (tverrlengdevibrasjon) elektromekanisk koblingskoeffisient K31 reflekterer den elektromekaniske koblingseffekten når den lange arkformede piezoelektriske krystallen med tykkelsesretningen som polarisasjonsretningen strekker seg og trekker seg sammen i lengderetningen, forutsatt at lengden på arket er l≥3 ganger. Bredden og tykkelsen på flakene.

(3) Elektromekanisk koblingskoeffisient K33 for langsgående vibrasjon (lengdevibrasjon): reflekterer den elektromekaniske koblingseffekten av teleskopisk vibrasjon langs lengderetningen når den slanke stavformede piezoelektriske krystallen er polarisert i tykkelsesretningen, og retningen for det elektriske feltet er den samme som polarisasjonsretningen. Tilstanden er en stangbredde og tykkelse eller diameter med en lengde l≥3 ganger.

(4) Elektromekanisk koblingskoeffisient Kt av tykkelsesvibrasjon: reflekterer den elektromekaniske koblingseffekten til arkformede piezoelektriske krystaller polarisert i tykkelsesretningen og retningen for det elektriske felt er også i tykkelsesretningen. Betingelsen er at tykkelsen på waferen er mindre enn waferens sidelengde eller diameter.

(5) Elektromekanisk koblingskoeffisient for tykkelsesskjærvibrasjon K15: Den gjenspeiler den elektromekaniske koblingseffekten av tykkelsesskjærvibrasjon av piezoelektrisk krystall.

Oppsummert kan vi konkludere med at hovedutvelgelsesprinsippene ved valg av piezoelektriske materialer for å lage piezoelektriske transdusere i praktiske anvendelser av ultralydtesting er som følger: (1) Jo større verdien av d33--d33, jo bedre utslippsytelse. . Når du lager en transduser, er det åpenbart bedre å velge et materiale med en d33-verdi så stor som mulig; (2) Jo større verdien av g33--g33 er, desto bedre er mottaksytelsen. Selvfølgelig, hvis du ønsker å lage en mottakssvinger, bør du velge et materiale med en stor verdi på g33 så mye som mulig; når du skal lage en transduser som kombinerer både sending og mottak, bør du som en helhetlig vurdering velge en verdi nær og like stor som d33 og g33 også. (3) Akustisk impedans Z (Z = ρc)-Tatt i betraktning at reflektansen og transmittansen til ultralydbølger er relatert til forskjellen i akustisk impedans mellom mediet. jo mindre forskjell i akustisk impedans er jo høyere ultralydtransmittans. For å få så mange ultralydbølger som mulig fra den piezoelektriske transduseren inn i testmediet, bør det velges et piezoelektrisk materiale hvis akustiske impedans er så nær som mulig den akustiske impedansen til kontaktmediet. Det skal bemerkes at eksistensen av det elektriske feltet vil påvirke den tilsynelatende lydhastigheten i det piezoelektriske materialet, og til og med den akustiske impedansen til det piezoelektriske materialet vil endre seg i arbeidstilstanden. (4) Elektromekanisk koblingskoeffisient Kt av tykkelse vibrasjon - I ultralyddeteksjonsteknologien er den viktigste applikasjonen tykkelsen vibrasjonstype piezoelektrisk chip, så jo større verdien av Kt, jo bedre er den elektromekaniske konverteringsytelsen, som følsomheten til transduseren er høyere. (5) Elektromekanisk koblingskoeffisient Kp for radiell vibrasjon--Når den piezoelektriske brikken utfører tykkelsesvibrasjoner, er det også radiell vibrasjon samtidig, noe som vil forstyrre tykkelsesvibrasjonen og forårsake bølgeformforvrengning, støyøkning eller økning osv. Det er å håpe at Kp-verdien skal være så liten som mulig. Generelt sett, jo større Kt / Kp-verdi, jo bedre.

(6) Dielektrisk konstant ε – Den piezoelektriske skiven danner en kondensator etter at elektrodene er belagt, og dens kapasitans samsvarer med C = εA / t, det vil si den dielektriske konstanten ε, det relative arealet A av elektrodene, og elektrodeavstanden (wafertykkelsen) t relatert. I kretsen betyr en liten kapasitans en stor kapasitiv reaktans, som er egnet for bruk som et høyfrekvent piezoelektrisk element. Spesielt fungerer ultralyddeteksjonstransduseren for det meste i megahertz-frekvensområdet, så det kreves at ε til det piezoelektriske materialet er mindre. Omvendt, når det brukes til å lage lavfrekvente piezoelektriske komponenter (som høyttalere og mikrofoner i lydområdet), bør et materiale med en stor ε velges for å møte samsvarskravene til stor kapasitet og lav kapasitiv reaktans. Det skal bemerkes at verdien av ε også er relatert til den mekaniske friheten til transduseren, det vil si at de dielektriske konstantene til den mekaniske klemtilstanden og den mekaniske frie tilstanden er forskjellige, så det er forskjeller mellom εe og ετ. I tillegg er forholdet mellom ε og frekvens også mer følsomt, så ε-verdien bør faktisk måles på tilstanden til den spesifikke driftsfrekvensen. Det betyr at piezoelektriske wafere med samme tykkelse har en høyere resonansfrekvens, eller tykkelsen på waferen er større ved samme resonansfrekvens, noe som er praktisk for prosessering og produksjon av høyfrekvente komponenter. Derfor bør et materiale med en større Nt-verdi velges.

(8) Ferroelektrisk curiepunkt Tc - Den ferroelektriske krystallen har kun ferroelektrisitet innenfor et visst temperaturområde. Når temperaturen når det ferroelektriske curie-punktet, vil krystallen miste ferroelektrisitet, og de dielektriske, piezoelektriske, optiske, elastiske og termiske egenskapene er alle unormale. De fleste ferroelektriske har bare ett curiepunkt, men noen få ferroelektriske har øvre og nedre curiepunkter, og de har ferroelektrisitet bare i temperaturområdet mellom øvre og nedre curiepunkt. For eksempel er det øvre curiepunktet for blyzirkonattitanat 115-120 ° C og det nedre curiepunktet er -5 ° C. Hvis 5 % kalsiumtitanat tilsettes til bariumtitanat, kan det nedre curiepunktet nå -40 ° C. . I tillegg har noen ferroelektriske stoffer ikke noe curiepunkt, for eksempel noen spesielle piezoelektriske polymermaterialer (fordi de har smeltet eller til og med brent når de når en viss temperatur).

Det skal bemerkes at når den faktiske temperaturen ikke har nådd curie-punktet, har ytelsen til mange piezoelektriske transdusere (som Kt, etc.) blitt betydelig redusert eller forringet (for eksempel forringes bariumtitanat-sonden ved 60-70 ° C) Dessuten er den høyeste temperaturen den kan fungere ved ikke lik å kunne tåle en plutselig temperaturendringer, inkludert koefficienten, inkludert koefficienten. av termisk ekspansjon. Derfor, i tilfelle av høyere temperaturer som sveiseelektrodeledninger og oppvarming under helling av absorpsjonsblokken under den faktiske bruken av transduseren og prosessen med å lage transduseren, Når du velger et piezoelektrisk materiale, bør det tas spesifikke hensyn til driftsforholdene til transduseren.

(9) Mekanisk kvalitetsfaktor Qm og elektrisk kvalitetsfaktor Qe-I praktiske applikasjoner, hvis Qm- og Qe-verdiene er store, vil det være et 'ringing'-fenomen, som resulterer i bølgeformforvrengning og redusert oppløsning, som ikke bidrar til deteksjon. Situasjonen oppstår. Derfor, med utgangspunkt i behovene til deteksjonsteknologi, for virkelig å reflektere egenskapene til ekkosignalet og sikre at deteksjonsoppløsningen oppfyller deteksjonskravene, forventes Qm og Qe generelt ikke å være for store. I tillegg til å ta hensyn til når man velger materialer, når man designer og produserer transdusere, må Frekvens-, Qm- og Qe-verdier reduseres på passende måte ved å øke dempingen på strukturen og endre impedansen på kretsen. Å redusere Qm- og Qe-verdier går selvfølgelig på bekostning av følsomhet (redusert utgangseffekt). Derfor bør den riktige Q-verdien velges og justeres i henhold til behovene til den faktiske applikasjonen (ifølge erfaring bør den faktiske Q-verdien til ultralyddeteksjonstransduseren ikke være større enn 10).

(10) Aldringsytelse for piezoelektriske materialer piezokeramisk sylinderrør -De piezoelektriske egenskapene til polariserte piezoelektriske materialer vil ha irreversible endringer over tid. Dette fenomenet kalles 'aldring', slik som dielektrisk konstant, dielektriske tap, piezoelektriske konstanter, elektromekaniske koblingskoeffisienter og elastisitet avtar vanligvis med tiden, og frekvenskonstanter og mekaniske Q-verdier øker med tiden. Endringen av disse parameterne er i utgangspunktet lineær med den logaritmiske verdien av tid. Det er generelt sett på som en enhet på ti år, som kalles 'ti-års aldring'. Åpenbart gjenspeiler denne indeksen tidsstabiliteten til piezoelektriske materialer. Når du lager piezoelektriske transdusere, bør det også tas hensyn til valg av materialer med bedre tidsstabilitet. På en spesifikk ultralydsvinger vil dette aldringsfenomenet bli spesifikt manifestert i følsomhet, innledende bølgebesetting og elektrisk støynivå. Derfor bør man også være oppmerksom på effekten av aldring på kjøp og oppbevaring av transduseren.

(11) Termisk stabilitet av piezoelektriske materialer-Dette refererer til de piezoelektriske egenskapene til piezoelektriske materialer som er konstante eller ikke nedbrutt etter en periode med kontinuerlig drift i et visst temperaturområde under curie-punktet, spesielt for høytemperaturmiljøer. Arbeidstransduseren bør velges fra materialer med god termisk stabilitet.
De ovennevnte 11 elementene er hovedbetraktningene og valgprinsippene når vi velger piezoelektriske materialer for å lage transdusere for ultralydtesting. Vi bør vurdere og velge riktig i henhold til den spesifikke applikasjonen og behovene.