Параметри п'єзоелектричних матеріалів і п'єзоелектричні рівняння (3)

(11) Механічний коефіцієнт якості Qm

Коли PZT матеріал п'єзокераміка використовується для резонансної вібрації, необхідно подолати внутрішні механічні втрати на тертя (внутрішнє споживання), а коли є навантаження, необхідно подолати зовнішні втрати навантаження. Коефіцієнт механічної якості Qmo (значення Q без навантаження) пов’язаний із цими механічними втратами. І Qm (механічне значення Q під навантаженням). Він визначається як: Qm = механічна енергія, збережена п’єзоелектричним вібратором під час резонансу / механічна енергія, втрачена під час періоду резонансу. Він відображає кількість енергії, яку споживає п’єзоелектричне тіло для подолання механічних втрат під час вібрації. Більший Qm означає менші втрати механічної енергії. Існування Qm також вказує на те, що будь-який п’єзоелектричний матеріал не може використовувати всю вхідну механічну енергію для виведення. При резонансі: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], де ZC - акустичний опір п'єзоелектричного вібратора; Zl – акустичний опір навантаження; Zb — демпфуючий блок в акустичному імпедансі п’єзоелектричного перетворювача. Для п’єзоелектричного перетворювача його Qm і Qe непостійні. Вони пов’язані з робочою частотою, смугою частот, процесом виробництва, структурою та середовищем випромінювання (навантаженням) п’єзоелектричного перетворювача. У п’єзоелектричному перетворювачі, який використовується в ультразвуковій технології виявлення, коли Qm є занадто високим, форму хвилі вібрації, створювану вібратором, легко зробити надто довгою (феномен дзвінка), що призводить до спотворення форми сигналу та зниження роздільної здатності. Подібним чином Qe не стає більшим і більшим. Вибір і визначення Qm і Qe слід вирішувати відповідно до фактичних потреб. Велике значення Q означає, що споживання енергії під час п’єзоелектричного ефекту є невеликим. Це може зменшити кількість тепла, що виділяється у випадку застосування високої потужності та високої частоти або застосування чистої потужності передачі, що є перевагою. Однак для перетворювача детектування велике значення Q є невигідним для розширення смуги частот, покращення форми сигналу та збільшення роздільної здатності. Крім того, оскільки значення Q також змінюється залежно від характеру навантаження (наприклад, середовище навантаження, з яким стикається зонд із зануренням у воду, і зонд із контактним методом є різними), вплив середовища навантаження також слід враховувати при проектуванні перетворювача (імпеданс випромінювання).

(12) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку K
Це важливий параметр для дослідження п’єзоелектричних матеріалів з точки зору енергії. Його визначення під час позитивного п’єзоелектричного ефекту, зовнішня напруга E = 0, і є: K2 = електрична енергія, що зберігається в п’єзоелектричному тілі за ідеальних умов. Загальна механічна енергія, що надходить у п’єзоелектричне тіло за цих умов, або іншими словами: K2 = перетворена механічна енергія, яка спричиняє переміщення заряду між з’єднаними електродами / вхідна механічна енергія, яка слідує за прикладеною напругою, зовнішня напруга τ під час зворотний п’єзоелектричний ефект = 0, так: K2 = механічна енергія, що зберігається в п’єзоелектричному тілі за ідеальних умов / загальна електрична енергія, що надходить у п’єзоелектричне тіло за ідеальних умов або: K2 = перетворена електрична енергія, що викликає механічне напруження / вхідна електрична енергія під тиском. Транзистори мають пружність, діелектрику та п’єзоелектрику одночасно, і вони працюють разом. З цієї причини необхідно ввести цю фізичну величину, щоб розглядати ці характеристики в уніфікованому вигляді, який вказує на ступінь міцності зв’язку між механічною енергією та електричною енергією. У фізичному сенсі це лише опис перетворення, і це не рівна ефективність, і перетворена енергія може не повністю перетворюватися на випромінювану або вихідну енергію (включаючи внутрішнє споживання та зворотний зв’язок тощо). Звичайно, у певному сенсі можна також сказати, що електромеханічний коефіцієнт зв’язку K представляє «ефективність» п’єзоелектричного тіла, що перетворює електричну енергію в пружну енергію або перетворює пружну енергію в електричну. Це в основному визначається типом п'єзоелектричного матеріалу. Це також залежить від режиму коливань п'єзоелектричного тіла, але не має нічого спільного зі значенням резонансної частоти перетворювача. Крім того, значення K також залежить від структури п’єзоелектричного перетворювача, умов експлуатації, розміру електрода та положення п’єзоелектричного тіла. Ми можемо розділити густину енергії U (енергія в одиниці об’єму) п’єзоелектричних матеріалів на три частини: одна – це густина пружної енергії, друга – густина енергії електричного поля (щільність діелектричної енергії) і одна – це густина енергії п’єзоелектричного обміну Um (опускаємо елементи теплової та магнітної енергії).

Перша частина тут — це механічна частина матеріально-механічної пружної енергії, друга — частина Компоненти п'єзокерамічного кільця - це електрична частина - енергія електричного поля, а третя частина - це щільність енергії взаємодії між пружною енергією та діелектричною енергією. Повна внутрішня енергія: U = Ue + Ud + 2Um. Враховуючи, що п'єзоелектрична енергія є взаємозамінною енергією, вона подвоюється. Тому ми можемо визначити електромеханічний коефіцієнт зв'язку іншим способом: K = Um / ( UeUd) 1/2. Або: K = Середнє геометричне значення п'єзоелектричної енергії / пружної енергії та діелектричної енергії. Причиною вибору середнього геометричного значення пружної енергії та діелектричної енергії є врахування нерівномірного розподілу енергії кожної крихітної частини п'єзоелектричного кристала. Таким чином, можна сказати, що відношення енергії, яка може бути п’єзоелектрично перетворена в одиниці об’єму п’єзоелектричного матеріалу, є електромеханічним коефіцієнтом зв’язку. Наприклад, Ud і Ue не можуть бути п'єзоелектрично перетворені, але це не втрата енергії. Для конкретних матеріалів, таких як кварц, втрати енергії невеликі, а ефективність перетворення дуже висока, але його електромеханічний коефіцієнт зв’язку нижчий, ніж у п’єзоелектричної кераміки, тоді як ефективність перетворення п’єзоелектричної кераміки не висока. Велика частина може бути п'єзоелектрично перетворена, що означає, що її електромеханічний коефіцієнт зв'язку високий. Звідси ми можемо розпізнати різницю між коефіцієнтом електромеханічного зв’язку та ефективністю. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку є безрозмірним відношенням енергії, і його максимальне значення дорівнює 1, коли K = 0, це означає, що п'єзоелектричний ефект не виникає. Загальні електромеханічні коефіцієнти зчеплення такі:

(1) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку Kp для радіальної вібрації (також відомий як плоский коефіцієнт електромеханічного зв’язку): відображає ефект електромеханічного зв’язку тонкого дископодібного п’єзоелектричного кристала, коли він піддається радіальній телескопічній вібрації, за умови, що діаметр пластини в ≥3 рази перевищує товщину пластини t, напрям її товщини є напрямок поляризації та напрямок прикладеного електричного поля.

(2) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку поперечної вібрації (вібрації поперечної довжини) K31 відображає ефект електромеханічного зв’язку, коли довгий листовий п’єзокристал із напрямком товщини, як напрямок поляризації, розтягується та стискається в напрямку довжини, за умови, що довжина листа становить l≥3 рази. Ширина і товщина пластівців.

(3) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку K33 поздовжньої вібрації (поздовжньої вібрації): відображає ефект електромеханічного зв’язку телескопічної вібрації вздовж напрямку довжини, коли тонкий стрижневий п’єзоелектричний кристал поляризований у напрямку товщини, а напрямок електричного поля збігається з напрямком поляризації. Умова - ширина і товщина стрижня або діаметр довжини l≥3 рази.

(4) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку Kt товщинної вібрації: відображає ефект електромеханічного зв’язку листових п’єзоелектричних кристалів, поляризованих у напрямку товщини, і напрямок електричного поля також у напрямку товщини. Умова полягає в тому, щоб товщина пластини була меншою за довжину сторони або діаметр пластини.

(5) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку вібрації зсуву по товщині K15: він відображає ефект електромеханічного зв’язку вібрації зсуву по товщині п’єзоелектричного кристала.

Підсумовуючи, ми можемо зробити висновок, що основні принципи вибору під час вибору п’єзоелектричних матеріалів для виготовлення п’єзоелектричних перетворювачів у практичних застосуваннях ультразвукового тестування такі: (1) Чим більше значення d33--d33, тим кращі показники випромінювання. . Очевидно, що при виготовленні передавального перетворювача краще вибрати матеріал із якомога більшим значенням d33; (2) Чим більше значення g33--g33, тим краще якість прийому. Очевидно, якщо ви хочете зробити приймальний перетворювач, ви повинні вибрати матеріал з якомога більшим значенням g33; коли вам потрібно зробити перетворювач, який поєднує в собі як передачу, так і прийом, як всеосяжне міркування, ви повинні вибрати значення, близьке та таке ж велике, як d33 і g33. (3) Акустичний імпеданс Z (Z = ρc) – враховуючи, що коефіцієнти відбиття та пропускання ультразвукових хвиль пов’язані з різницею в акустичному опорі середовища. чим менша різниця в акустичному опорі, тим вище коефіцієнт пропускання ультразвуку. Для того, щоб якомога більше ультразвукових хвиль від п'єзоелектричного перетворювача входило в досліджуване середовище, слід вибрати п'єзоелектричний матеріал, акустичний опір якого максимально близький до акустичного опору контактного середовища. Слід зазначити, що наявність електричного поля буде впливати на видиму швидкість звуку в п’єзоелектричному матеріалі, і навіть акустичний опір п’єзоелектричного матеріалу буде змінюватися в робочому стані. (4) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку Kt товщинної вібрації. У технології ультразвукового виявлення найважливішим застосуванням є п’єзоелектричний чіп типу товщинної вібрації, тому чим більше значення Kt, тим краща ефективність електромеханічного перетворення, що вища за чутливість перетворювача. (5) Коефіцієнт електромеханічного зв’язку Kp радіальної вібрації – коли п’єзоелектричний чіп виконує вібрацію по товщині, одночасно існує радіальна вібрація, яка заважатиме вібрації по товщині та спричинить спотворення форми хвилі, збільшення або збільшення шуму тощо. Сподіваємося, що значення Kp має бути якомога меншим. Загалом, чим більше значення Kt / Kp, тим краще.

(6) Діелектрична проникність ε. П’єзоелектрична пластина утворює конденсатор після покриття електродів, і її ємність відповідає C = εA / t, тобто діелектрична проникність ε, відносна площа A електродів і відстань між електродами (товщина пластини) t. У схемі мала ємність означає великий ємнісний опір, який придатний для використання в якості високочастотного п'єзоелемента. Зокрема, ультразвуковий датчик виявлення здебільшого працює в діапазоні частот мегагерців, тому потрібно, щоб ε п’єзоелектричного матеріалу було менше. Навпаки, коли використовується для виготовлення низькочастотних п’єзоелектричних компонентів (таких як динаміки та мікрофони в звуковому діапазоні), слід вибирати матеріал із великим ε, щоб відповідати відповідним вимогам великої ємності та низького ємнісного опору. Слід зазначити, що значення ε також пов’язане з механічною свободою перетворювача, тобто діелектричні проникності механічного затиснутого стану та механічного вільного стану різні, тому існують відмінності між εe та ετ. Крім того, залежність між ε та частотою також є більш чутливою, тому значення ε слід фактично вимірювати за умови конкретної робочої частоти. Це означає, що п'єзоелектричні пластини однакової товщини мають більш високу резонансну частоту, або товщина пластини більша при однаковій резонансній частоті, що зручно для обробки та виготовлення високочастотних компонентів. Тому слід вибирати матеріал з більшим значенням Nt.

(8) Сегнетоелектрична точка Кюрі Tc – сегнетоелектричний кристал має сегнетоелектрику лише в певному діапазоні температур. Коли температура досягає сегнетоелектричної точки Кюрі, кристал втрачає сегнетоелектрику, а діелектричні, п’єзоелектричні, оптичні, пружні та теплові властивості є ненормальними. Більшість сегнетоелектриків мають лише одну точку Кюрі, але деякі сегнетоелектрики мають верхню та нижню точки Кюрі, і вони мають сегнетоелектрику лише в діапазоні температур між верхньою та нижньою точками Кюрі. Наприклад, верхня точка кюрі титанату цирконата свинцю становить 115-120 ° C, а нижня точка кюрі -5 ° C. Якщо до титанату барію додати 5% титанату кальцію, нижня точка кюрі може досягати -40 ° C. . Крім того, деякі сегнетоелектрики не мають точки Кюрі, наприклад деякі спеціальні полімерні п’єзоелектричні матеріали (оскільки вони розплавилися або навіть згоріли, коли досягли певної температури).

Слід зазначити, що коли фактична температура не досягає точки Кюрі, продуктивність багатьох п’єзоелектричних перетворювачів (таких як Kt тощо) значно знижується або погіршується (наприклад, зонд з титанату барію погіршується при 60-70 ° C). Крім того, найвища температура, при якій він може працювати, не дорівнює здатності витримувати різкі зміни температури, що спричинено існуванням анізотропії, включаючи коефіцієнт теплового розширення. Таким чином, у разі вищих температур, таких як зварювальні електроди та нагрівання під час заливки абсорбційного блоку під час фактичного використання перетворювача та процесу виготовлення перетворювача, при виборі п’єзоелектричного матеріалу слід звернути особливу увагу на умови роботи перетворювача.

(9) Механічний коефіцієнт якості Qm і електричний коефіцієнт якості Qe. У практичних застосуваннях, якщо значення Qm і Qe великі, виникне явище «дзвінка», що призведе до спотворення форми сигналу та зниження роздільної здатності, що не сприяє виявленню. Виникає ситуація. Тому, виходячи з потреб технології виявлення, для того, щоб справді відображати характеристики ехо-сигналу та гарантувати, що роздільна здатність виявлення відповідає вимогам виявлення, зазвичай очікується, що Qm і Qe не будуть занадто великими. На додаток до врахування під час вибору матеріалів, під час проектування та виготовлення перетворювачів, значення частоти, Qm і Qe повинні бути відповідним чином зменшені шляхом збільшення демпфування конструкції та зміни імпедансу в ланцюзі. Звичайно, зменшення значень Qm і Qe відбувається за рахунок чутливості (зниження вихідної потужності). Таким чином, відповідне значення Q слід вибирати та регулювати відповідно до потреб фактичного застосування (згідно з досвідом, фактичне значення Q датчика ультразвукового виявлення не повинно перевищувати 10).

(10) Ефективність старіння п’єзоелектричних матеріалів п'єзокерамічна циліндрична трубка - п'єзоелектричні властивості поляризованих п'єзоелектричних матеріалів з часом будуть мати незворотні зміни. Це явище називається 'старінням', наприклад діелектрична проникність, діелектричні втрати, п'єзоелектричні константи, коефіцієнти електромеханічного зв'язку та пружність зазвичай зменшуються з часом, а частотні константи та механічні значення Q збільшуються з часом. Зміна цих параметрів в основному лінійна з логарифмічним значенням часу. Зазвичай він розглядається як одиниця десятирічного витримування, що називається «десятирічним старінням». Очевидно, що цей показник відображає стійкість п'єзоелектричних матеріалів у часі. Під час виготовлення п’єзоелектричних перетворювачів належну увагу також слід приділяти вибору матеріалів із кращою стабільністю у часі. На конкретному ультразвуковому перетворювачі це явище старіння буде конкретно проявлятися в чутливості, початковій зайнятості хвилі та рівні електричного шуму. Тому також слід звернути увагу на вплив старіння на придбання та зберігання перетворювача.

(11) Термічна стабільність п’єзоелектричних матеріалів. Це відноситься до п’єзоелектричних властивостей п’єзоелектричних матеріалів, які є постійними або не погіршуються після періоду безперервної роботи в певному температурному діапазоні нижче точки Кюрі, особливо для високотемпературних середовищ. Робочий перетворювач слід вибирати з матеріалів з хорошою термічною стабільністю.
Наведені вище 11 пунктів є основними міркуваннями та принципами вибору, коли ми вибираємо п’єзоелектричні матеріали для виготовлення ультразвукових перетворювачів. Ми повинні всебічно розглянути та вибрати належним чином відповідно до конкретного застосування та потреб.