jaka jest charakterystyka piezoelektrycznego materiału ceramicznego

jaka jest charakterystyka piezoelektrycznego materiału ceramicznego

    Ocenę, czy piezoelektryczne materiały ceramiczne nadają się do powierzchniowych urządzeń wykorzystujących fale akustyczne, można rozważyć w następujących aspektach:

    (1) Stała dielektryczna powinna być umiarkowana. Generalnie wymagana stała dielektryczna wynosi od 10 do 1000. Zbyt duża stała dielektryczna spowoduje bezpośrednie sprzężenie pomiędzy elektrodami międzypalcowymi. Jeśli jest za mała, impedancja jest za duża i połączenie z obwodem i urządzeniem nie jest łatwe do dopasowania. W ceramice piezoelektrycznej układu monolitycznego, z wyjątkiem stałej dielektrycznej BaTiO3 wynoszącej 1700, zarówno PbTiO3, jak i PbNb2O6 są małe, około 200, i mogą być stosowane jako materiał piezoelektryczny w urządzeniach powierzchniowych fal akustycznych o wyższej częstotliwości. Inne binarne i wieloelementowe piezoelektryczne materiały ceramiczne mają stałą dielektryczną od 200 do 1000, co jest zgodne z umiarkowaną stałą dielektryczną.

Wibrator ultradźwiękowy 20 tys

Ogon wibratora 15K

    (2) Można uzyskać dobrą powierzchnię odpowiednią do wytwarzania elektrod międzypalcowych poprzez obróbkę. Ogólnie rzecz biorąc, materiał monokrystaliczny jest bardzo gęsty, a powierzchnia jest idealna po późniejszej obróbce, takiej jak cięcie i polerowanie. Ceramika piezoelektryczna składa się zazwyczaj ze sproszkowanych materiałów o różnym składzie. Po serii obróbek jest spiekany w wysokiej temperaturze, dlatego wielkość jego ziaren i wielkość porów są głównymi wskaźnikami piezoelektrycznych materiałów ceramicznych do powierzchniowych urządzeń wykorzystujących fale akustyczne. Określa nie tylko gładkość materiału, ale także określa górną częstotliwość pracy urządzenia. Jak zauważono powyżej, częstotliwość robocza urządzenia do powierzchniowych fal akustycznych zależy od szerokości paska międzypalcowego przetwornika międzypalcowego, co wymaga, aby wymiar otworu wentylacyjnego w powierzchni był co najmniej mniejszy niż szerokość międzypalcowa przetwornika międzypalcowego. Na przykład powierzchniowy filtr pasmowo-przepustowy fali akustycznej o częstotliwości środkowej 60 MHz jest wytwarzany na powierzchni piezoelektrycznego materiału ceramicznego o prędkości powierzchniowej fali akustycznej wynoszącej 2400 m/s. Długość fali powierzchniowej fali akustycznej A wynosi jedną sekundę/fabrycznie, zatem A = 40 μm. Szerokość paska międzypalcowego wynosi λ/4, czyli 10 μm. Aby ograniczyć odbicie fal dźwiękowych, zastosowano przetwornik z dzielonym palcem, czyli każdy palec ma średnicę λ/8, a każdy pasek palca ma szerokość tylko 51 um. Aby zapobiec wpływowi porów i ziaren materiału na metalowe palce widełek, wielkość porów i wielkość ziaren muszą być co najmniej mniejsze niż 3 μm. Dlatego, aby uzyskać dobrą powierzchnię odpowiednią do wytwarzania elektrod międzypalcowych, ziarna kryształów i pory piezoelektrycznego materiału ceramicznego muszą być jak najmniejsze.

Wibrator 20 tys

Przetwornik ultradźwiękowy

    (3) Tłumienie transmisji powierzchniowej fali akustycznej jest małe. Tłumienie powierzchniowej transmisji fali akustycznej jest związane z właściwościami fizycznymi i stanem powierzchni samego piezoelektrycznego materiału ceramicznego. Jeśli pory i ziarna są zbyt duże, nastąpi utrata rozproszenia, a utrata tarcia podczas wibracji pomiędzy ziarnami również spowoduje tłumienie. Dlatego oprócz obróbki określa się to poprzez dobór materiałów.

    (4) Aby poprawić skuteczność przetwornika elektromechanicznego, konieczne jest posiadanie możliwie najwyższego współczynnika sprzężenia elektromechanicznego. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego odzwierciedla efektywność wzajemnej konwersji energii mechanicznej materiału piezoelektrycznego na entalpię elektryczną i jest bardzo ważnym wskaźnikiem. Jest to nie tylko ściśle związane z właściwościami elastycznymi, właściwościami dielektrycznymi i właściwościami piezoelektrycznymi materiałów, ale także ściśle powiązane z różnymi trybami drgań. Aby poprawić efektywność konwersji, im większy jest współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, tym lepiej, co może również zmniejszyć straty energii podczas przetwarzania sygnału. Ogólnie rzecz biorąc, piezoelektryczne materiały ceramiczne mają stosunkowo duże współczynniki sprzężenia elektromechanicznego, więc jest to łatwe w przypadku ceramiki piezoelektrycznej.

Wibrator 15 tys

    (5) Charakterystyka temperaturowa jest lepsza. Aby zapewnić stabilność urządzenia, charakterystyka temperaturowa materiału jest dobra, a szybkość starzenia częstotliwościowego jest niewielka. W szczególności współczynnik temperaturowy opóźnienia powierzchniowej fali akustycznej powinien być jak najmniejszy. Dzieje się tak, ponieważ po określeniu palca międzypalcowego ustalana jest również jego częstotliwość robocza, a główną podstawą projektowania częstotliwości roboczej i szerokości międzypalcowej jest czas opóźnienia powierzchniowej fali akustycznej (tj. prędkość dźwięku). Dlatego wraz ze zmianą opóźnienia czasowego zmienia się częstotliwość robocza, co powoduje, że urządzenie nie działa prawidłowo. Ogólnie wymaga się, aby TCD była mniejsza niż 25 x 10*-6/°C.

    (6) Nie jest łatwo się starzeć. Ogólny wymóg wynosi 0,5%/rok lub mniej, a rygorystyczny wymóg to 0,1%/rok lub mniej.

    (7) Spójność i powtarzalność są lepsze. Gdy urządzenie jest produkowane masowo, różnica w wydajności pomiędzy tym samym materiałem lub lokalnym obszarem tej samej partii materiału jest niewielka, dzięki czemu urządzenie może normalnie pracować. Ma to niewielki wpływ na monokryształ piezoelektryczny, ponieważ jednorodność i powtarzalność materiału monokrystalicznego piezoelektrycznego jest lepsza, a większy wpływ ma piezoelektryczny materiał ceramiczny. Głównymi czynnikami wpływającymi na dyspergowalność materiałów są dyspersja surowców, odchylenie ważenia partii, temperatura spiekania i kontrola czasu. Gdy odchylenie kluczowych cech, takich jak prędkość dźwięku, sięga 1%, jest to niedopuszczalne w przypadku masowej produkcji części i dlatego bezwzględnie wymagane jest, aby było mniejsze niż 0,1%. Tak zwana powtarzalność ogólnie odnosi się do stopnia charakterystycznego odchylenia pomiędzy różnymi partiami, a konsystencja ogólnie odnosi się do stopnia charakterystycznego odchylenia pomiędzy tą samą partią lub tą samą partią spieku. Trudno jest rozdzielić jedno i drugie. Jeśli konsystencja nie jest dobra, nie będzie dobrej powtarzalności. Problem ten stanowi wyraźną słabość ceramiki piezoelektrycznej. Gdy piezoelektryczne materiały ceramiczne są stosowane jako wibratory korpusów akustycznych lub elementy przetworników, często wymagana jest modulacja częstotliwości lub środki sortujące, aby skompensować tę słabość. W przypadku zastosowania jako podłoże dla powierzchniowego urządzenia wykorzystującego falę akustyczną, ponieważ nie można go regulować, musi charakteryzować się dobrą powtarzalnością i konsystencją, w przeciwnym razie nie będzie miał zastosowania, nawet jeśli inne właściwości będą dobre.