quali sono le caratteristiche del materiale ceramico piezoelettrico

quali sono le caratteristiche del materiale ceramico piezoelettrico

    Per giudicare se i materiali ceramici piezoelettrici siano adatti per i dispositivi a onde acustiche superficiali si possono considerare i seguenti aspetti:

    (1) La costante dielettrica dovrebbe essere moderata. Generalmente, la costante dielettrica deve essere compresa tra 10 e 1000. Una costante dielettrica troppo grande causerà un accoppiamento diretto tra gli elettrodi interdigitali. Se è troppo piccola, l'impedenza è troppo grande e la connessione con il circuito e il dispositivo non è facile da abbinare. Nella ceramica piezoelettrica del sistema monolitico, ad eccezione della costante dielettrica di BaTiO3 di 1.700, sia PbTiO3 che PbNb2O6 sono piccoli, circa 200, che possono essere utilizzati come materiale piezoelettrico per dispositivi a onde acustiche superficiali a frequenza più elevata. Altri materiali ceramici piezoelettrici binari e multielemento hanno una costante dielettrica compresa tra 200 e 1000, che è in linea con la costante dielettrica moderata.

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    (2) È possibile avere una buona superficie adatta alla fabbricazione degli elettrodi interdigitali mediante lavorazione. Generalmente, il materiale monocristallino è molto denso e la superficie è ideale dopo lavorazioni successive come taglio e lucidatura. Le ceramiche piezoelettriche sono generalmente costituite da materiali in polvere di diverse composizioni. Dopo una serie di trattamenti, viene sinterizzato ad alta temperatura, quindi la sua granulometria e la dimensione dei pori sono i principali indicatori dei materiali ceramici piezoelettrici per i dispositivi a onde acustiche superficiali. Non solo determina la levigatezza del materiale, ma determina anche la frequenza operativa superiore del dispositivo. Come notato sopra, la frequenza operativa del dispositivo a onde acustiche superficiali dipende dalla larghezza della barra tra le dita del trasduttore interdigitale, che richiede che la dimensione del foro per l'aria superficiale sia almeno inferiore alla larghezza tra le dita del trasduttore interdigitale. Ad esempio, un filtro passa banda per onde acustiche superficiali con una frequenza centrale di 60 MHz è fabbricato sulla superficie di un materiale ceramico piezoelettrico avente una velocità delle onde acustiche superficiali di 2400 m/s. La sua lunghezza d'onda dell'onda acustica superficiale A è di un secondo / fabbrica, quindi A = 40 μm. La larghezza della striscia interdigitata è λ/4, ovvero 10 μm. Per ridurre la riflessione delle onde sonore, viene adottato un trasduttore a dita divise, ovvero ogni dito è λ/8 e ciascuna striscia di dito è larga solo 51 um. Per evitare l'influenza dei pori e dei grani del materiale sulle dita della forcella metallica, la dimensione dei pori e dei grani deve essere almeno inferiore a 3 μm. Pertanto, per ottenere una buona superficie adatta alla realizzazione degli elettrodi interdigitali, è necessario che i grani cristallini e i pori del materiale ceramico piezoelettrico siano quanto più piccoli possibile.

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    (3) L'attenuazione della trasmissione delle onde acustiche superficiali è ridotta. L'attenuazione della trasmissione delle onde acustiche superficiali è correlata alle proprietà fisiche e allo stato superficiale del materiale ceramico piezoelettrico stesso. Se i pori e i grani sono troppo grandi, si verificherà una perdita di dispersione e anche la perdita di attrito durante la vibrazione tra i grani causerà un'attenuazione. Pertanto, oltre alla lavorazione, è determinata dalla selezione dei materiali.

    (4) È necessario avere il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico più alto possibile per migliorare l'efficienza di trasduzione elettromeccanica. Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico riflette l'efficienza della conversione reciproca tra l'energia meccanica del materiale piezoelettrico e l'entalpia elettrica, ed è un indicatore molto importante. Non solo è strettamente correlato alle proprietà elastiche, alle proprietà dielettriche e alle proprietà piezoelettriche dei materiali, ma è anche strettamente correlato alle diverse modalità di vibrazione. Per migliorare l'efficienza di conversione, tanto meglio è quanto maggiore è il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, il che può anche ridurre la perdita di energia durante l'elaborazione del segnale. In generale, i materiali ceramici piezoelettrici hanno coefficienti di accoppiamento elettromeccanico relativamente grandi, quindi questo è facile per le ceramiche piezoelettriche.

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    (5) Le caratteristiche di temperatura sono migliori. Per garantire la stabilità del dispositivo, le caratteristiche di temperatura del materiale sono buone e il tasso di invecchiamento della frequenza è ridotto. In particolare, il coefficiente di temperatura del ritardo dell'onda acustica superficiale dovrebbe essere il più piccolo possibile. Questo perché una volta determinato il dito interdigitale, viene impostata anche la sua frequenza operativa, e la base di progettazione principale per la frequenza operativa e l'ampiezza interdigitale è il tempo di ritardo dell'onda acustica superficiale (cioè la velocità del suono). Pertanto, al variare del ritardo temporale, cambia la frequenza operativa, causando un funzionamento non corretto del dispositivo. Generalmente il TCD deve essere inferiore a 25 x 10*-6/°C.

    (6) Non è facile invecchiare. Il requisito generale è pari o inferiore allo 0,5% annuo, mentre il requisito rigoroso è pari o inferiore allo 0,1% annuo.

    (7) Coerenza e ripetibilità sono migliori. Quando il dispositivo viene prodotto in serie, la differenza di prestazioni tra lo stesso materiale o l'area locale dello stesso lotto di materiale è piccola, in modo che il dispositivo possa funzionare normalmente. Ciò ha scarso effetto sul monocristallo piezoelettrico perché l'uniformità e la ripetibilità del materiale monocristallo piezoelettrico sono migliori e il materiale ceramico piezoelettrico ha un'influenza maggiore. I principali fattori che influenzano la disperdibilità dei materiali sono la dispersione delle materie prime, la deviazione della pesatura del lotto, la temperatura di sinterizzazione e il controllo del tempo. Quando la deviazione di caratteristiche chiave come la velocità del suono raggiunge l'1%, è inaccettabile per la produzione in serie delle parti e pertanto deve essere rigorosamente inferiore allo 0,1%. La cosiddetta ripetibilità si riferisce generalmente al grado di deviazione caratteristica tra lotti diversi, e la consistenza si riferisce generalmente al grado di deviazione caratteristica tra lo stesso lotto o lo stesso lotto di sinterizzazione. È difficile separare i due. Se la consistenza non è buona, non ci sarà una buona ripetibilità. Questo problema è un punto debole importante per la ceramica piezoelettrica. Quando i materiali ceramici piezoelettrici vengono utilizzati come vibratori acustici del corpo o componenti di trasduttori, sono spesso necessarie misure di modulazione o selezione della frequenza per compensare questa debolezza. Quando viene utilizzato come substrato per un dispositivo a onde acustiche superficiali, poiché non è regolabile, deve avere una buona ripetibilità e consistenza, altrimenti non sarà applicabile anche se le altre caratteristiche sono buone.