Care sunt caracteristicile materialului ceramic piezoelectric

Care sunt caracteristicile materialului ceramic piezoelectric

    Judecarea dacă materialele ceramice piezoelectrice sunt potrivite pentru dispozitivele cu unde acustice de suprafață poate fi luată în considerare în următoarele aspecte:

    (1) Constanta dielectrică trebuie să fie moderată. În general, constanta dielectrică trebuie să fie de la 10 la 1000. O constantă dielectrică prea mare va determina cuplarea directă între electrozii interdigitali. Dacă este prea mic, impedanța este prea mare, iar conexiunea cu circuitul și dispozitivul nu este ușor de asortat. În ceramica piezoelectrică a sistemului monolitic, cu excepția constantei dielectrice a BaTiO3 de 1.700, atât PbTiO3, cât și PbNb2O6 sunt mici, aproximativ 200, care pot fi folosite ca material piezoelectric pentru dispozitivele cu unde acustice de suprafață cu frecvență mai mare. Alte materiale ceramice piezoelectrice binare și cu mai multe elemente au o constantă dielectrică de 200 până la 1000, care este în conformitate cu constanta dielectrică moderată.

Vibrator cu ultrasunete de 20k

Coada vibratorului de 15K

    (2) Este posibil să existe o suprafață bună potrivită pentru fabricarea electrozilor interdigitali prin prelucrare. În general, materialul monocristal este foarte dens, iar suprafața este ideală după prelucrarea ulterioară, cum ar fi tăierea și lustruirea. Ceramica piezoelectrică este în general alcătuită din materiale pulverulente de diferite compoziții. După o serie de tratamente, este sinterizat la o temperatură ridicată, astfel încât dimensiunea granulelor și mărimea porilor sunt principalii indicatori ai materialelor ceramice piezoelectrice pentru dispozitivele cu unde acustice de suprafață. Nu numai că determină netezimea materialului, dar determină și frecvența superioară de funcționare a dispozitivului. După cum s-a menționat mai sus, frecvența de funcționare a dispozitivului cu undă acustică de suprafață depinde de lățimea barei inter-degete a traductorului interdigital, ceea ce necesită ca dimensiunea orificiului de aer de suprafață să fie cel puțin mai mică decât lățimea inter-degete a traductorului interdigital. De exemplu, un filtru trece-bandă de unde acustice de suprafață cu o frecvență centrală de 60 MHz este fabricat pe suprafața unui material ceramic piezoelectric având o viteză a undei acustice de suprafață de 2400 m/s. Lungimea de undă acustică de suprafață A este de o secundă / din fabrică, deci A = 40 μm. Lățimea benzii interdigitate este λ/4, care este de 10 μm. Pentru a reduce reflexia undelor sonore, se adoptă un traductor cu degete împărțite, adică fiecare deget este λ/8, iar fiecare bandă de degete are doar 51 um lățime. Pentru a preveni influența porilor și a granulelor de material asupra degetelor furcii de metal, dimensiunea porilor și dimensiunea granulelor trebuie să fie de cel puțin mai puțin de 3 μm. Prin urmare, pentru a obține o suprafață bună adecvată pentru fabricarea electrozilor interdigitali, granulele de cristal și porii materialului ceramic piezoelectric trebuie să fie cât mai mici posibil.

Vibrator 20K

Traductor cu ultrasunete

    (3) Atenuarea transmisiei undei acustice de suprafață este mică. Atenuarea transmisiei undei acustice de suprafață este legată de proprietățile fizice și starea de suprafață a materialului ceramic piezoelectric în sine. Dacă porii și boabele sunt prea mari, se va produce o pierdere prin împrăștiere, iar pierderea prin frecare în timpul vibrației dintre boabe va provoca, de asemenea, atenuare. Prin urmare, pe lângă prelucrare, se determină prin selectarea materialelor.

    (4) Este necesar să existe cel mai mare coeficient de cuplare electromecanic posibil pentru a îmbunătăți eficiența transducției electromecanice. Coeficientul de cuplare electromecanic reflectă eficiența conversiei reciproce între energia mecanică a materialului piezoelectric și entalpia electrică și este un indicator foarte important. Nu este doar strâns legată de proprietățile elastice, proprietățile dielectrice și proprietățile piezoelectrice ale materialelor, ci și strâns legate de diferite moduri de vibrație. Pentru a îmbunătăți eficiența conversiei, cu cât coeficientul de cuplare electromecanic este mai mare, cu atât mai bine, ceea ce poate reduce și pierderea de energie în timpul procesării semnalului. În general, materialele ceramice piezoelectrice au coeficienți de cuplare electromecanic relativ mari, astfel încât acest lucru este ușor pentru ceramica piezoelectrică.

Vibrator 15K

    (5) Caracteristicile temperaturii sunt mai bune. Pentru a asigura stabilitatea dispozitivului, caracteristicile de temperatură ale materialului sunt bune, iar rata de îmbătrânire a frecvenței este mică. În special, coeficientul de temperatură al întârzierii undei acustice de suprafață ar trebui să fie cât mai mic posibil. Acest lucru se datorează faptului că odată ce degetul interdigital este determinat, frecvența lui de operare este, de asemenea, setată, iar baza principală de proiectare pentru frecvența de operare și lățimea interdigitală este timpul de întârziere a undei acustice de suprafață (adică viteza sunetului). Prin urmare, pe măsură ce întârzierea se modifică, frecvența de operare se modifică, ceea ce va face ca dispozitivul să nu funcționeze corect. TCD este, în general, necesar să fie mai mic de 25 x 10*-6/°C.

    (6) Nu este ușor să îmbătrânești. Cerința generală este de 0,5%/an sau mai puțin, iar cerința strictă este de 0,1%/an sau mai puțin.

    (7) Consistența și repetabilitatea sunt mai bune. Când dispozitivul este produs în serie, diferența de performanță între același material sau zona locală a aceluiași lot de material este mică, astfel încât dispozitivul să poată funcționa normal. Acest lucru are un efect redus asupra monocristalului piezoelectric deoarece uniformitatea și repetabilitatea materialului monocristal piezoelectric sunt mai bune, iar materialul ceramic piezoelectric are o influență mai mare. Principalii factori care afectează dispersibilitatea materialelor sunt dispersia materiei prime, abaterea cântăririi lotului, temperatura de sinterizare și controlul timpului. Când abaterea caracteristicilor cheie, cum ar fi viteza sunetului, atinge 1%, este inacceptabilă pentru producția de masă a pieselor și, prin urmare, este strict necesar să fie mai mică de 0,1%. Așa-numita repetabilitate se referă în general la gradul de abatere caracteristică între diferite loturi, iar consistența se referă în general la gradul de abatere caracteristică între același lot sau același lot de sinter. Este greu să le despărțim pe cele două. Dacă consistența nu este bună, nu va exista o repetabilitate bună. Această problemă este o slăbiciune proeminentă pentru ceramica piezoelectrică. Atunci când materialele ceramice piezoelectrice sunt utilizate ca vibratoare acustice ale corpului sau componente ale traductoarelor, sunt adesea necesare măsuri de modulare a frecvenței sau de sortare pentru a compensa această slăbiciune. Atunci când este utilizat ca substrat pentru un dispozitiv cu undă acustică de suprafață, deoarece nu este reglabil, trebuie să aibă o bună repetabilitate și consistență, altfel nu va fi aplicabil chiar dacă alte caracteristici sunt bune.