Parametrar för piezoelektriska material och piezoelektriska ekvationer (3)

(11)Mekanisk kvalitetsfaktor Qm

När PZT-material piezokeramik används för resonansvibrationer, det är nödvändigt att övervinna den interna mekaniska friktionsförlusten (intern förbrukning), och när det finns en belastning är det nödvändigt att övervinna den externa belastningsförlusten. Den mekaniska kvalitetsfaktorn Qmo (mekaniskt Q-värde utan belastning) är relaterad till dessa mekaniska förluster. Och Qm (mekaniskt Q-värde under belastning). Den definieras som: Qm = mekanisk energi lagrad av den piezoelektriska vibratorn vid resonans / mekanisk energi förlorad under resonansperioden. Det återspeglar mängden energi som förbrukas av den piezoelektriska kroppen för att övervinna den mekaniska förlusten när den vibrerar. Ett större Qm innebär mindre mekanisk energiförlust. Förekomsten av Qm indikerar också att det är omöjligt för något piezoelektriskt material att använda all ingående mekanisk energi för utmatning. Vid resonans: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], där ZC är den akustiska impedansen för den piezoelektriska vibratorn; Zl är den akustiska impedansen för lasten; Zb är dämpningsblocket i den piezoelektriska omvandlarens akustiska impedans. För en piezoelektrisk givare är dess Qm och Qe inte konstanta. De är relaterade till den piezoelektriska givarens driftsfrekvens, frekvensbandbredd, tillverkningsprocess, struktur och strålningsmedium (belastning). På den piezoelektriska givaren som används i ultraljudsdetekteringsteknik, när Qm är för hög, är det lätt att göra vibrationsvågformen som genereras av vibratorn för lång (ringningsfenomen), vilket resulterar i vågformsförvrängning och lägre upplösning. På samma sätt är Qe inte större och större. Valet och bestämningen av Qm och Qe bör bestämmas utifrån de faktiska behoven. Ett stort Q-värde betyder att energiförbrukningen är liten under den piezoelektriska effekten. Det kan minska mängden värme som genereras vid högeffekts- och högfrekvensapplikationer eller rena överföringskrafttillämpningar, vilket är en fördel. För en omvandlare för detektionsändamål är emellertid ett stort Q-värde ofördelaktigt för att bredda frekvensbandet, förbättra vågformen och öka upplösningen. Dessutom, eftersom Q-värdet också ändras med belastningens natur (till exempel belastningsmediet som vattensänkningssonden möter och kontaktmetodens sonden är olika), måste påverkan av belastningsmediet också beaktas när givaren utformas (strålningsimpedans).

(12)Elektromekanisk kopplingskoefficient K
Detta är en viktig parameter för att undersöka piezoelektriska material ur ett energiperspektiv. Dess definition är under positiv piezoelektrisk effekt, den externa spänningen E = 0, och det finns: K2 = elektrisk energi lagrad i den piezoelektriska kroppen under idealiska förhållanden. Den totala mekaniska energin som tillförs den piezoelektriska kroppen under omständigheterna, eller med andra ord: K2 = den omvandlade mekaniska energin som gör att laddningen / den inmatade energin som följer med den anslutna mekaniska spänningen, följer med den anslutna mekaniska spänningen, τ under den omvända piezoelektriska effekten = 0, ja: K2 = mekanisk energi lagrad i den piezoelektriska kroppen under ideala förhållanden / total elektrisk energiinmatning i den piezoelektriska kroppen under ideala förhållanden eller: K2 = omvandlad elektrisk energi som orsakar mekanisk töjning / inmatad elektrisk energi under tryck transistorer har elasticitet och dielektricitet tillsammans vid samma tidpunkt. Av denna anledning är det nödvändigt att införa denna fysiska storhet för att se dessa egenskaper på ett enhetligt sätt, vilket indikerar graden av kopplingsstyrka mellan mekanisk energi och elektrisk energi. I fysisk mening beskriver det bara omvandling och det är inte lika verkningsgrad, och den omvandlade energin kanske inte helt omvandlas till utstrålad eller utgående energi (inklusive intern förbrukning och återkoppling, etc.). Naturligtvis, i en mening, kan det också sägas att den elektromekaniska kopplingskoefficienten K representerar 'effektiviteten' hos den piezoelektriska kroppen som omvandlar elektrisk energi till elastisk energi, eller omvandlar elastisk energi till elektrisk energi. Det bestäms huvudsakligen av typen av piezoelektriskt material. Det beror också på vibrationsläget för den piezoelektriska kroppen, men har ingenting att göra med värdet på givarens resonansfrekvens. Dessutom beror K-värdet också på strukturen hos den piezoelektriska givaren, driftsförhållandena och elektrodstorleken och positionen för den piezoelektriska kroppen. Vi kan dela upp energitätheten U (energi i en volymenhet) för piezoelektriska material i tre delar, en är elastisk energitäthet, en är densitet för elektriskt fält (dielektrisk energitäthet), och en är piezoelektrisk utbytesenergitäthet Um (utelämna termiska och magnetiska energiobjekt).

Den första delen här är den mekaniska delen av den material-mekaniska elastiska energin, den andra delen av piezokeramiska ringkomponenter är den elektriska delen av elektrisk fältenergi, och den tredje delen är energitätheten för interaktionen mellan elastisk energi och dielektrisk energi. Den totala inre energin är: U = Ue + Ud + 2Um. Med tanke på att piezoelektrisk energi är utbytbar energi, fördubblas den. Därför kan vi definiera den elektromekaniska kopplingskoefficienten på ett annat sätt: K = Um / ( UeUd) 1/2. Eller: K = Geometriskt medelvärde för piezoelektrisk energi / elastisk energi och dielektrisk energi. Anledningen till att välja det geometriska medelvärdet för elastisk energi och dielektrisk energi är att beakta den ojämna energifördelningen för varje liten del av den piezoelektriska kristallen. På detta sätt kan vi säga att förhållandet mellan energin som kan omvandlas piezoelektriskt i en enhetsvolym av piezoelektriskt material är den elektromekaniska kopplingskoefficienten. Till exempel kan Ud och Ue inte piezoelektriskt omvandlas, men det är inte energiförlust. För specifika material, såsom kvarts, är energiförlusten liten och omvandlingseffektiviteten är mycket hög, men dess elektromekaniska kopplingskoefficient är lägre än den för piezoelektrisk keramik, medan omvandlingseffektiviteten för piezoelektrisk keramik inte är hög. En stor del kan piezoelektriskt omvandlas, vilket innebär att dess elektromekaniska kopplingskoefficient är hög. Härifrån kan vi känna igen skillnaden mellan elektromekanisk kopplingskoefficient och effektivitet. Den elektromekaniska kopplingskoefficienten är ett förhållande mellan energi, dimensionslöst, och dess maximala värde är 1, när K = 0 betyder det att ingen piezoelektrisk effekt inträffar. De vanliga elektromekaniska kopplingskoefficienterna är följande:

(1) Elektromekanisk kopplingskoefficient Kp för radiell vibration (även känd som plan elektromekanisk kopplingskoefficient): Återspeglar den elektromekaniska kopplingseffekten av en tunn skivformad piezoelektrisk kristall när den utsätts för radiell teleskopisk vibration, förutsatt att skivans diameter är ≥ 3 gånger tjockleksriktningen för skivan och tjockleksriktningen och poltjocklekens riktning. pålagt elektriskt fält.

(2) Tvärvibration (tvärlängdsvibration) elektromekanisk kopplingskoefficient K31 reflekterar den elektromekaniska kopplingseffekten när den långa arkformade piezoelektriska kristallen med tjockleksriktningen som polarisationsriktningen sträcker sig och drar ihop sig i längdriktningen, förutsatt att längden på arket är l≥3 gånger. Flingornas bredd och tjocklek.

(3) Elektromekanisk kopplingskoefficient K33 för longitudinell vibration (longitudinell längdvibration): reflekterar den elektromekaniska kopplingseffekten av teleskopisk vibration längs längdriktningen när den smala stavformade piezoelektriska kristallen är polariserad i tjockleksriktningen, och det elektriska fältets riktning är samma som polarisationsriktningen. Villkoret är en stavbredd och tjocklek eller diameter med en längd l≥3 gånger.

(4) Elektromekanisk kopplingskoefficient Kt för tjockleksvibration: reflekterar den elektromekaniska kopplingseffekten av arkformade piezoelektriska kristaller polariserade i tjockleksriktningen och det elektriska fältets riktning är också i tjockleksriktningen. Villkoret är att skivans tjocklek är mindre än skivans sidolängd eller diameter.

(5) Elektromekanisk kopplingskoefficient för tjockleksskjuvvibration K15: Den återspeglar den elektromekaniska kopplingseffekten av tjockleksskjuvvibrationer av piezoelektrisk kristall.

Sammanfattningsvis kan vi dra slutsatsen att de huvudsakliga urvalsprinciperna vid val av piezoelektriska material för att tillverka piezoelektriska givare i praktiska tillämpningar av ultraljudstestning är följande: (1) Ju större värdet av d33--d33, desto bättre emissionsprestanda. . När man gör en sändande givare är det självklart bättre att välja ett material med ett så stort d33-värde som möjligt; (2) Ju högre värde på g33--g33, desto bättre mottagningsprestanda. Självklart, om du vill göra en mottagande givare, bör du välja ett material med ett stort värde på g33 så mycket som möjligt; när du behöver göra en givare som kombinerar både sändning och mottagning, som en övergripande övervägande, bör du välja ett värde nära och lika stort som d33 och g33 också. (3) Akustisk impedans Z (Z = ρc) - Med tanke på att reflektansen och transmittansen för ultraljudsvågor är relaterade till skillnaden i akustisk impedans mellan mediet. den mindre skillnaden i akustisk impedans är den högre ultraljudstransmittansen. För att få så många ultraljudsvågor som möjligt från den piezoelektriska givaren att komma in i testmediet, bör ett piezoelektriskt material väljas vars akustiska impedans är så nära kontaktmediets akustiska impedans som möjligt. Det bör noteras att förekomsten av det elektriska fältet kommer att påverka den skenbara ljudhastigheten i det piezoelektriska materialet, och även den akustiska impedansen hos det piezoelektriska materialet kommer att förändras i arbetstillståndet. (4) Elektromekanisk kopplingskoefficient Kt för tjockleksvibration - I ultraljudsdetekteringstekniken är den viktigaste applikationen piezoelektriskt chip av tjockleksvibrationstyp, så ju större värdet på Kt är, desto bättre blir den elektromekaniska omvandlingsprestandan, vilket gör att givarens känslighet är högre. (5) Elektromekanisk kopplingskoefficient Kp för radiell vibration--När det piezoelektriska chipet utför tjockleksvibrationer, finns det också radiella vibrationer samtidigt, vilket kommer att störa tjockleksvibrationen och orsaka vågformsförvrängning, brusökning eller ökning, etc. Förhoppningen är att Kp-värdet ska vara så litet som möjligt. Generellt sett gäller att ju högre Kt/Kp-värde, desto bättre.

(6) Dielektrisk konstant ε—Den piezoelektriska skivan bildar en kondensator efter att elektroderna är belagda, och dess kapacitans överensstämmer med C = εA / t, det vill säga den dielektriska konstanten ε, den relativa arean A för elektroderna och elektrodavståndet (wafertjocklek) t relaterat. I kretsen betyder en liten kapacitans en stor kapacitiv reaktans, som är lämplig att använda som ett högfrekvent piezoelektriskt element. Speciellt arbetar ultraljudsdetektionsgivare mestadels i megahertz-frekvensområdet, så det krävs att ε för det piezoelektriska materialet är mindre. Omvänt, när det används för att tillverka lågfrekventa piezoelektriska komponenter (såsom högtalare och mikrofoner i ljudområdet), bör ett material med ett stort ε väljas för att möta matchningskraven för stor kapacitet och låg kapacitiv reaktans. Det bör noteras att värdet på ε också är relaterat till givarens mekaniska frihet, det vill säga de dielektriska konstanterna för det mekaniska klämtillståndet och det mekaniska fria tillståndet är olika, så det finns skillnader mellan εe och ετ. Dessutom är förhållandet mellan ε och frekvens också mer känsligt, så ε-värdet bör faktiskt mätas på tillståndet för den specifika driftfrekvensen. Det betyder att piezoelektriska skivor med samma tjocklek har en högre resonansfrekvens, eller så är skivans tjocklek större vid samma resonansfrekvens, vilket är bekvämt för bearbetning och tillverkning av högfrekventa komponenter. Därför bör ett material med ett större Nt-värde väljas.

(8) Ferroelektrisk Curiepunkt Tc--Den ferroelektriska kristallen har bara ferroelektricitet inom ett visst temperaturområde. När temperaturen når den ferroelektriska curie-punkten kommer kristallen att förlora ferroelektricitet, och de dielektriska, piezoelektriska, optiska, elastiska och termiska egenskaperna är alla onormala. De flesta ferroelektriska ämnen har bara en curiepunkt, men ett fåtal ferroelektriska ämnen har övre och nedre curiepunkter, och de har ferroelektricitet endast i temperaturområdet mellan de övre och nedre curiepunkterna. Till exempel är den övre curiepunkten för blyzirkonattitanat 115-120 ° C och den nedre curiepunkten är -5 ° C. Om 5 % kalciumtitanat tillsätts till bariumtitanat kan den nedre curiepunkten nå -40 ° C. . Dessutom har vissa ferroelektriska ämnen ingen curiepunkt, till exempel vissa speciella piezoelektriska polymermaterial (eftersom de har smält eller till och med bränts när de når en viss temperatur).

Det bör noteras att när den faktiska temperaturen inte har nått curie-punkten, har prestandan hos många piezoelektriska givare (såsom Kt, etc.) minskat eller försämrats avsevärt (t.ex. försämras bariumtitanat-sonden vid 60-70 ° C) Dessutom är den högsta temperaturen vid vilken den kan arbeta inte lika med att kunna motstå plötsliga temperaturförändringar, inklusive plötsliga temperaturförändringar, inklusive koefficienten. av termisk expansion. Därför, i fallet med högre temperaturer såsom svetselektrodledningar och uppvärmning under hällning av absorptionsblocket under den faktiska användningen av givaren och processen att tillverka givaren, När man väljer ett piezoelektriskt material, bör särskild hänsyn tas till givarens driftsförhållanden.

(9) Mekanisk kvalitetsfaktor Qm och elektrisk kvalitetsfaktor Qe-I praktiska tillämpningar, om Qm- och Qe-värdena är höga, kommer det att finnas ett 'ringande'-fenomen, vilket resulterar i vågformsförvrängning och minskad upplösning, vilket inte är gynnsamt för detektering. Situationen uppstår. Därför, med utgångspunkt från behoven av detekteringsteknik, för att verkligen återspegla ekosignalens egenskaper och säkerställa att detekteringsupplösningen uppfyller detekteringskraven, förväntas Qm och Qe i allmänhet inte vara för stora. Förutom att ta hänsyn till när man väljer material, när man designar och tillverkar givare, måste frekvens-, Qm- och Qe-värden reduceras på lämpligt sätt genom att öka dämpningen på strukturen och ändra impedansen på kretsen. Att minska Qm- och Qe-värdena sker naturligtvis på bekostnad av känsligheten (minskad uteffekt). Därför bör lämpligt Q-värde väljas och justeras enligt behoven för den faktiska applikationen (enligt erfarenhet bör det faktiska Q-värdet för ultraljudsdetektionsgivaren inte vara större än 10).

(10) Åldringsprestanda hos piezoelektriska material piezokeramiskt cylinderrör -De piezoelektriska egenskaperna hos polariserade piezoelektriska material kommer att ha irreversibla förändringar med tiden. Detta fenomen kallas 'åldrande', såsom dielektrisk konstant, dielektriska förluster, piezoelektriska konstanter, elektromekaniska kopplingskoefficienter och elasticitet minskar vanligtvis med tiden, och frekvenskonstanter och mekaniska Q-värden ökar med tiden. Ändringen av dessa parametrar är i princip linjär med det logaritmiska värdet av tid. Det anses allmänt vara en enhet på tio år, vilket kallas 'tioårig åldrande'. Uppenbarligen återspeglar detta index tidsstabiliteten hos piezoelektriska material. När man tillverkar piezoelektriska givare bör man också ta hänsyn till valet av material med bättre tidsstabilitet. På en specifik ultraljudsgivare kommer detta åldringsfenomen att uttryckas specifikt i känslighet, initial våguppsättning och elektrisk brusnivå. Därför bör man också vara uppmärksam på effekten av åldrande på inköp och förvaring av givaren.

(11) Termisk stabilitet för piezoelektriska material-Detta hänvisar till de piezoelektriska egenskaperna hos piezoelektriska material som är konstanta eller icke-nedbrytbara efter en period av kontinuerlig drift i ett visst temperaturområde under curiepunkten, särskilt för högtemperaturmiljöer. Arbetsgivaren bör väljas från material med god termisk stabilitet.
Ovanstående 11 artiklar är de viktigaste övervägandena och urvalsprinciperna när vi väljer piezoelektriska material för att göra ultraljudstestgivare. Vi bör heltäckande överväga och välja på lämpligt sätt enligt den specifika applikationen och behoven.