Was sind die Eigenschaften von piezoelektrischem Keramikmaterial?

Was sind die Eigenschaften von piezoelektrischem Keramikmaterial?

    Die Beurteilung, ob piezoelektrische Keramikmaterialien für Oberflächenwellengeräte geeignet sind, kann unter folgenden Aspekten berücksichtigt werden:

    (1) Die Dielektrizitätskonstante sollte moderat sein. Im Allgemeinen muss die Dielektrizitätskonstante 10 bis 1000 betragen. Eine zu große Dielektrizitätskonstante führt zu einer direkten Kopplung zwischen den Interdigitalelektroden. Wenn es zu klein ist, ist die Impedanz zu groß und die Verbindung zwischen der Schaltung und dem Gerät lässt sich nicht leicht anpassen. In der piezoelektrischen Keramik des monolithischen Systems sind mit Ausnahme der Dielektrizitätskonstante von BaTiO3 von 1.700 sowohl PbTiO3 als auch PbNb2O6 klein, etwa 200, was als piezoelektrisches Material für Oberflächenwellenbauelemente mit höherer Frequenz verwendet werden kann. Andere binäre und mehrelementige piezoelektrische Keramikmaterialien haben eine Dielektrizitätskonstante von 200 bis 1000, was der moderaten Dielektrizitätskonstante entspricht.

20k Ultraschallvibrator

15K Vibratorschwanz

    (2) Es ist möglich, durch Bearbeitung eine gute Oberfläche zu erhalten, die für die Herstellung der Interdigitalelektroden geeignet ist. Im Allgemeinen ist das Einkristallmaterial sehr dicht und die Oberfläche ist nach der anschließenden Bearbeitung wie Schneiden und Polieren ideal. Piezoelektrische Keramiken bestehen im Allgemeinen aus pulverförmigen Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung. Nach einer Reihe von Behandlungen wird es bei hoher Temperatur gesintert, sodass seine Korngröße und Porengröße die Hauptindikatoren für piezoelektrische Keramikmaterialien für Oberflächenwellengeräte sind. Es bestimmt nicht nur die Glätte des Materials, sondern auch die obere Betriebsfrequenz des Gerätes. Wie oben erwähnt, hängt die Betriebsfrequenz des Oberflächenwellengeräts von der Breite zwischen den Fingerstäben des Interdigitalwandlers ab, was erfordert, dass die Abmessung des Oberflächenluftlochs mindestens kleiner als die Breite zwischen den Fingern des Interdigitalwandlers ist. Beispielsweise wird ein Oberflächenwellen-Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz von 60 MHz auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Keramikmaterials mit einer Oberflächenwellengeschwindigkeit von 2400 m/s hergestellt. Seine Oberflächenwellenwellenlänge A beträgt eine Sekunde/Fabrik, also A = 40 μm. Die Breite der ineinandergreifenden Streifen beträgt λ/4, was 10 μm entspricht. Um die Reflexion von Schallwellen zu reduzieren, wird ein Split-Finger-Wandler eingesetzt, d. h. jeder Finger ist λ/8 und jeder Fingerstreifen ist nur 51 µm breit. Um den Einfluss von Materialporen und -körnern auf die Metallgabelfinger zu verhindern, müssen die Porengröße und die Korngröße mindestens weniger als 3 μm betragen. Um eine gute Oberfläche zu erhalten, die für die Herstellung der Interdigitalelektroden geeignet ist, müssen daher die Kristallkörner und Poren des piezoelektrischen Keramikmaterials so klein wie möglich sein.

20K-Vibrator

Ultraschallwandler

    (3) Die Dämpfung der Oberflächenwellenübertragung ist gering. Die Dämpfung der Übertragung akustischer Oberflächenwellen hängt von den physikalischen Eigenschaften und dem Oberflächenzustand des piezoelektrischen Keramikmaterials selbst ab. Wenn die Poren und Körner zu groß sind, treten Streuverluste auf, und der Reibungsverlust während der Vibration zwischen den Körnern führt ebenfalls zu einer Dämpfung. Daher wird es neben der Verarbeitung auch durch die Auswahl der Materialien bestimmt.

    (4) Zur Verbesserung der elektromechanischen Wandlereffizienz ist ein möglichst hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient erforderlich. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient spiegelt die Effizienz der gegenseitigen Umwandlung zwischen der mechanischen Energie des piezoelektrischen Materials und der elektrischen Enthalpie wider und ist ein sehr wichtiger Indikator. Es hängt nicht nur eng mit den elastischen Eigenschaften, dielektrischen Eigenschaften und piezoelektrischen Eigenschaften von Materialien zusammen, sondern auch eng mit verschiedenen Schwingungsmodi. Um die Umwandlungseffizienz zu verbessern, ist es umso besser, je größer der elektromechanische Kopplungskoeffizient ist, wodurch auch der Energieverlust während der Signalverarbeitung verringert werden kann. Im Allgemeinen weisen piezoelektrische Keramikmaterialien relativ große elektromechanische Kopplungskoeffizienten auf, sodass dies für piezoelektrische Keramiken einfach ist.

15K-Vibrator

    (5) Die Temperatureigenschaften sind besser. Um die Stabilität des Geräts zu gewährleisten, sind die Temperatureigenschaften des Materials gut und die Frequenzalterungsrate gering. Insbesondere sollte der Temperaturkoeffizient der Oberflächenwellenverzögerung möglichst klein sein. Dies liegt daran, dass, sobald der Interdigitalfinger bestimmt ist, auch seine Betriebsfrequenz festgelegt wird und die Hauptkonstruktionsgrundlage für die Betriebsfrequenz und die Interdigitalbreite die Verzögerungszeit der akustischen Oberflächenwelle (dh die Schallgeschwindigkeit) ist. Wenn sich die Zeitverzögerung ändert, ändert sich daher auch die Betriebsfrequenz, was dazu führt, dass das Gerät nicht ordnungsgemäß funktioniert. Der TCD muss im Allgemeinen weniger als 25 x 10*-6/°C betragen.

    (6) Es ist nicht leicht zu altern. Die allgemeine Anforderung beträgt 0,5 %/Jahr oder weniger, die strenge Anforderung 0,1 %/Jahr oder weniger.

    (7) Konsistenz und Wiederholbarkeit sind besser. Wenn das Gerät in Massenproduktion hergestellt wird, ist der Leistungsunterschied zwischen demselben Material oder dem lokalen Bereich derselben Materialcharge gering, sodass das Gerät normal funktionieren kann. Dies hat kaum Auswirkungen auf den piezoelektrischen Einkristall, da die Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit des piezoelektrischen Einkristallmaterials besser sind und das piezoelektrische Keramikmaterial einen größeren Einfluss hat. Die Hauptfaktoren, die die Dispergierbarkeit von Materialien beeinflussen, sind die Rohstoffdispersion, Abweichungen beim Chargengewicht, die Sintertemperatur und die Zeitkontrolle. Wenn die Abweichung wichtiger Merkmale wie der Schallgeschwindigkeit 1 % erreicht, ist dies für die Massenproduktion der Teile nicht akzeptabel und muss daher unbedingt weniger als 0,1 % betragen. Die sogenannte Wiederholbarkeit bezieht sich im Allgemeinen auf den Grad der charakteristischen Abweichung zwischen verschiedenen Chargen, und die Konsistenz bezieht sich im Allgemeinen auf den Grad der charakteristischen Abweichung zwischen derselben Charge oder derselben Sintercharge. Es ist schwierig, die beiden zu trennen. Wenn die Konsistenz nicht gut ist, gibt es keine gute Wiederholbarkeit. Dieses Problem ist eine herausragende Schwäche piezoelektrischer Keramik. Beim Einsatz piezoelektrischer Keramikmaterialien als akustische Körpervibratoren oder Wandlerkomponenten sind häufig Frequenzmodulations- oder Sortiermaßnahmen erforderlich, um diese Schwäche auszugleichen. Wenn es als Substrat für ein Oberflächenwellengerät verwendet wird, muss es eine gute Wiederholbarkeit und Konsistenz aufweisen, da es nicht einstellbar ist, andernfalls ist es nicht anwendbar, selbst wenn andere Eigenschaften gut sind.