Parameter von piezoelektrischen Materialien und piezoelektrischen Gleichungen (3)

(11) Mechanischer Qualitätsfaktor QM

Wenn derPZT -Material Piezo Keramikwird zur Resonanzschwingung verwendet, es ist erforderlich, den internen mechanischen Reibungsverlust (interner Verbrauch) zu überwinden, und wenn eine Last vorliegt, muss der externe Lastverlust überwunden werden. Der mechanische Qualitätsfaktor QMO (mechanischer Q-Wert ohne Ladung) hängt mit diesen mechanischen Verlusten zusammen. Und QM (mechanischer Q -Wert unter Last). Es ist definiert als: QM = mechanische Energie, die vom piezoelektrischen Vibrator bei Resonanz- / mechanischer Energie gespeichert ist, die während der Resonanzzeit verloren gegangen sind. Es spiegelt die Menge an Energie wider, die der piezoelektrische Körper verbraucht, um den mechanischen Verlust zu überwinden, wenn sie vibrieren. Ein größeres QM bedeutet weniger mechanischen Energieverlust. Das Vorhandensein von QM zeigt auch an, dass es für jedes piezoelektrische Material unmöglich ist, die gesamte mechanische Eingangsergie für die Ausgabe zu verwenden. Bei Resonanz: qm = (π / 2) [zc / (zl-zb)], wobei ZC die akustische Impedanz des piezoelektrischen Vibrators ist; ZL ist die akustische Impedanz der Last; ZB ist der Dämpfungsblock in der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Wandlers. Für einen piezoelektrischen Wandler sind seine QM und QE nicht konstant. Sie beziehen sich auf die Betriebsfrequenz, die Frequenzbandbreite, die Herstellungsprozess, die Struktur und das Strahlungsmedium (Last) des piezoelektrischen Wandlers. Auf dem piezoelektrischen Wandler, der in der Ultraschalldetektionstechnologie verwendet wird, ist es einfach, die vom Vibrator erzeugte Vibrationswellenform zu lang (Klingelnomen) zu machen, was zu einer Verzerrung von Wellenform und einer geringeren Auflösung führt. In ähnlicher Weise ist QE nicht größer und größer. Die Wahl und Bestimmung von QM und QE sollte entsprechend den tatsächlichen Bedürfnissen entschieden werden. Ein großer Q -Wert bedeutet, dass der Energieverbrauch während des piezoelektrischen Effekts gering ist. Es kann die Wärmemenge reduzieren, die bei Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen oder reinen Übertragungsstromanwendungen erzeugt wird, was von Vorteil ist. Bei einem Wandler der Nachweiszwecke ist jedoch ein großer Q -Wert nachteilig, um das Frequenzband zu erweitern, die Wellenform zu verbessern und die Auflösung zu erhöhen. Da sich der Q -Wert auch mit der Art der Last ändert (z. B. das Lastmedium, das durch die Wassereintauchsonde und die Kontaktmethodensonde ausgesetzt ist), muss auch der Einfluss des Lastmedium der Wandler (Strahlungsimpedanz).

(12) Elektromechanischer Kopplungskoeffizient k
Dies ist ein wichtiger Parameter für die Untersuchung von piezoelektrischen Materialien aus der Perspektive der Energie. Seine Definition ist während des positiven piezoelektrischen Effekts, der externen Spannung e = 0, und es gibt: K2 = elektrische Energie, die in der piezoelektrischen Karosserie unter den idealen Bedingungen ideal gespeichert ist. Die Gesamteingabe der mechanischen Energie in den piezoelektrischen Körper unter den Bedingungen oder unter anderem Wörter: K2 = die umgewandelte mechanische Energie, die dazu führt Piezoelektrischer Körper unter idealen Bedingungen / Gesamteingang mit elektrischer Energie in den piezoelektrischen Körper unter idealen Bedingungen oder: K2 = umgewandelte elektrische Energie, die mechanische Dehnungs- / Eingangs -Elektrizitätsenergie unter Drucktransistoren verursacht, haben gleichzeitig Elastizität, Dielektrizität und Piezoelektrizität und arbeiten zusammen. Aus diesem Grund ist es notwendig, diese physikalische Menge einzuführen, um diese Eigenschaften einheitlich zu betrachten, was den Grad der Kopplungsfestigkeit zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie anzeigt. Im physischen Sinne beschreibt es nur die Umwandlung und es ist nicht gleicher Effizienz, und die umgewandelte Energie kann möglicherweise nicht vollständig in Strahl- oder Ausgangsenergie umgewandelt werden (einschließlich interner Verbrauch und Rückkopplung usw.). In gewissem Sinne kann auch gesagt werden, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient K die \"Effizienz\" des piezoelektrischen Körpers darstellt, der die elektrische Energie in elastische Energie umwandelt oder elastische Energie umwandelt. Es wird hauptsächlich durch die Art des piezoelektrischen Materials bestimmt. Es hängt auch vom Schwingungsmodus des piezoelektrischen Körpers ab, hat aber nichts mit dem Wert der Resonanzfrequenz des Wandlers zu tun. Darüber hinaus hängt der K -Wert auch von der Struktur des piezoelektrischen Wandlers, der Betriebsbedingungen und der Elektrodengröße und Position des piezoelektrischen Körpers ab. Wir können die Energiedichte u (Energie in einem Einheitsvolumen) von piezoelektrischen Materialien in drei Teile unterteilen, eine elastische Energiedichte, eine elektrische Feldergiedichte (Dielektrizitätsenergiedichte) und eine piezoelektrische Interchange -Energiedichte (Omit -Thermal und magnetische Energiegegenstände).

Der erste Teil hier ist der mechanische Teil der materiellen mechanischen elastischen Energie, der zweite Teil vonPiezoceramic -Ringkomponentenist die elektrische Teilelektrikfeldergie, und der dritte Teil ist die Energiedichte der Wechselwirkung zwischen elastischer Energie und dielektrischer Energie. Die gesamte interne Energie lautet: U = UE + UD + 2UM. Angesichts der Tatsache, dass piezoelektrische Energie austauschbare Energie ist, wird sie verdoppelt. Daher können wir den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten auf andere Weise definieren: k = um / (ueud) 1/2. OR: K = geometrischer Mittelwert der piezoelektrischen Energie / elastischen Energie und dielektrischer Energie. Der Grund für die Auswahl des geometrischen Mittelwerts von elastischer Energie und dielektrischer Energie besteht darin, die ungleiche Energieverteilung jedes winzigen Teils des piezoelektrischen Kristalls zu berücksichtigen. Auf diese Weise können wir sagen, dass das Verhältnis der Energie, die piezoelektrisch in einem piezoelektrischen Materialsvolumen eingestellt werden kann, der elektromechanische Kopplungskoeffizient ist. Zum Beispiel können UD und UE nicht piezoelektrisch umgewandelt werden, aber es ist kein Energieverlust. Für bestimmte Materialien wie Quarz ist der Energieverlust gering und die Umwandlungseffizienz sehr hoch, aber sein elektromechanischer Kopplungskoeffizient ist niedriger als die der piezoelektrischen Keramik, während die Umwandlungseffizienz der piezoelektrischen Keramik nicht mehr ausreichend ist. Ein großer Teil kann piezoelektrisch umgewandelt werden, was bedeutet, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient hoch ist. Von hier aus können wir den Unterschied zwischen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und Effizienz erkennen. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient ist ein Verhältnis von Energie, dimensionlos, und sein Maximalwert beträgt 1, wenn k = 0, dies bedeutet, dass kein piezoelektrischer Effekt auftritt. Die gemeinsamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten sind wie folgt:

(1) Electromechanical coupling coefficient Kp for radial vibration (also known as planar electromechanical coupling coefficient): Reflects the electromechanical coupling effect of a thin disc-shaped piezoelectric crystal when it is subjected to radial telescopic vibration, provided that the wafer diameter is ≥3 Mal die Waferdicke t, seine Dickungsrichtung ist die Polarisationsrichtung und die Richtung des angelegten elektrischen Feldes.

(2) Der elektromechanische Kopplungskoeffizient von Querschwingung (Querlängenvibration) spiegelt den elektromechanischen Kopplungseffekt wider, wenn der langblattförmige piezoelektrische Kristal ist l ≥ 3 Mal. Die Breite und Dicke der Flocken.

(3) elektromechanischer Kopplungskoeffizient K33 der Längsschwingung (Längslänge-Schwingung): Reflektiert den elektromechanischen Kopplungseffekt der teleskopischen Schwingung entlang der Längenrichtung, wenn der schlanke stabförmige piezoelektrische Kristallkristall in der Dicke-Richtungsrichtung polarisiert ist, und die elektrische Feldrichtung ist die Richtung des elektrischen Feldes, und die Richtung der elektrischen Felde ist die Richtlinie ist die Richtlinie ist die Richtlinie ist die Richtlinie ist der der der tezoelektrischen Kristall Gleich wie die Polarisationsrichtung. Der Zustand ist eine Stabbreite und Dicke oder Durchmesser mit einer Länge l ≥ 3 -mal.

. Der Zustand ist, dass die Dicke des Wafers kleiner als die Seitenlänge oder den Durchmesser des Wafers ist.

.

Zusammenfassend können wir zu dem Schluss kommen, dass die Hauptauswahlprinzipien bei der Auswahl von piezoelektrischen Materialien zur Herstellung von piezoelektrischen Wandlern in praktischen Anwendungen von Ultraschalltests wie folgt sind: (1) Je größer der Wert von D33-D33 ist, desto besser die Emissionsleistung. . Wenn ein Übertragungswandler bei der Herstellung eines Sendungswandlers ist, ist es offensichtlich besser, ein Material mit einem so großen D33 -Wert wie möglich auszuwählen. (2) Je größer der Wert von G33-G33 ist, desto besser die Empfangsleistung. Wenn Sie einen empfangenden Wandler erstellen möchten, sollten Sie ein Material mit einem großen Wert von G33 so weit wie möglich auswählen. Wenn Sie einen Wandler erstellen müssen, der sowohl Übertragung als auch Empfang kombiniert, sollten Sie einen Wert in der Nähe und so groß wie D33 und G33 wählen. (3) Akustische Impedanz z (z = ρc)-Berücksichtigung des Reflexionsvermögens und der Durchlässigkeit von Ultraschallwellen hängt mit dem Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen dem Medium zusammen. Der geringere Unterschied in der akustischen Impedanz ist die höhere Ultraschallübertragung. Um so viele Ultraschallwellen wie möglich aus dem piezoelektrischen Wandler einzugeben, betreten Sie das Testmedium, ein piezoelektrisches Material, dessen akustische Impedanz so nah wie möglich an die akustische Impedanz des Kontaktmediums ist. Es ist zu beachten, dass die Existenz des elektrischen Feldes die scheinbare Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material beeinflusst, und selbst die akustische Impedanz des piezoelektrischen Materials wird sich im Arbeitszustand ändern. (4) Elektromechanischer Kopplungskoeffizient kt der Dicke-Vibrationsin-In-In-In-In der Ultraschalldetektionstechnologie ist die wichtigste Anwendung die Piezoelektrik-Chip des Dickenschwingertyps. ist größer. (5) Elektromechanischer Kopplungskoeffizient kp der radialen Schwingung-Wenn der piezoelektrische Chip eine Dickeschwingung durchführt, gibt es auch radiale Schwingung gleichzeitig, was die Dickeschwingung beeinträchtigt und Wellenformverstärkung, Rauschaufnahme oder Anstieg usw. erhöht, usw. usw. Es ist zu hoffen, dass der KP -Wert so klein wie möglich sein sollte. Je größer der KT / KP -Wert ist, desto besser.

(6) Dielektrizitätskonstante ε - Der piezoelektrische Wafer bildet einen Kondensator, nachdem die Elektroden beschichtet sind, und seine Kapazität entspricht C = εa / t, dh der Dielektrizitätskonstante ε, der relativen Fläche A der Elektroden und dem Elektrodenabstand (Waferdicke) T verwandt. In der Schaltung bedeutet eine kleine Kapazität eine große kapazitive Reaktanz, die für die Verwendung als hochfrequentes piezoelektrisches Element geeignet ist. Insbesondere funktioniert der Ultraschalldetektionwandler hauptsächlich im Megahertz -Frequenzbereich, sodass das ε des piezoelektrischen Materials kleiner ist. Umgekehrt sollte ein Material mit einem großen ε ausgewählt werden, um die übereinstimmenden Anforderungen der großen Kapazität und einer niedrigen kapazitiven Reaktanz zu erfüllen, wenn sie zur herzlosen piezoelektrischen Komponenten (wie Lautsprecher und Mikrofone im Audiobereich) ausgewählt werden. Es ist zu beachten, dass der Wert von ε auch mit der mechanischen Freiheit des Wandlers zusammenhängt, dh die dielektrischen Konstanten des mechanischen Klemmszustands und des mechanischen freien Zustands unterschiedlich, daher gibt es Unterschiede zwischen εe und ετ. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen ε und Frequenz auch empfindlicher, sodass der ε -Wert tatsächlich am Zustand der spezifischen Betriebsfrequenz gemessen werden sollte. Dies bedeutet, dass piezoelektrische Wafer derselben Dicke eine höhere Resonanzfrequenz aufweisen oder die Dicke des Wafers bei derselben Resonanzfrequenz größer ist, was für die Verarbeitung und Herstellung hochfrequenter Komponenten geeignet ist. Daher sollte ein Material mit einem größeren NT -Wert ausgewählt werden.

(8) Ferroelektrischer Curie Point TC-Der ferroelektrische Kristall hat nur eine Ferroelektrizität innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs. Wenn die Temperatur den ferroelektrischen Curie -Punkt erreicht, verliert der Kristall die Ferroelektrizität und die dielektrischen, piezoelektrischen, optischen, elastischen und thermischen Eigenschaften sind abnormal. Die meisten Ferroelektrika haben nur einen Curie -Punkt, aber einige Ferroelektrika haben obere und untere Curie -Punkte und sie haben nur im Temperaturbereich zwischen den oberen und unteren Curie -Punkten eine Ferroelektrizität. Beispielsweise beträgt der obere Curie -Punkt der Bleizirkonat -Titanat 115-120 ° C und der untere Curie -Punkt -5 ° C. Wenn 5% Calciumtitanat zu Bariumtitanat gegeben wird, kann der untere Curie -Punkt -40 ° C. . Darüber hinaus haben einige Ferroelektrika keinen Curie -Punkt wie einige spezielle polymerpiezoelektrische Materialien (da sie geschmolzen oder sogar verbrannt sind, wenn sie eine bestimmte Temperatur erreichen).

Es ist zu beachten, dass die Leistung vieler piezoelektrischer Wandler (wie KT usw.), wenn die tatsächliche Temperatur nicht den Curie-Punkt erreicht hat ) Darüber hinaus ist die höchste Temperatur, bei der es funktionieren kann, nicht gleich der in der Lage, plötzliche Temperaturänderungen standzuhalten, was durch das Vorhandensein der Anisotropie einschließlich des Wärmeausdehnungs verursacht wird. Bei höheren Temperaturen wie Schweißelektrodenleitungen und Erwärmen während des Gießens des Absorptionsblocks während der tatsächlichen Verwendung des Wandler Bedingungen des Wandlers.

(9) Mechanischer Qualitätsfaktor QM und elektrischer Qualitätsfaktor QE-in Praktische Anwendungen, wenn die QM- und QE-Werte groß sind, wird es ein \"klingelndes\" Phänomen geben, was zu einer Verzerrung von Wellenform und einer verringerten Auflösung führt, die nicht förderlich sind Erkennung. Die Situation entsteht. Ausgehend von den Bedürfnissen der Erkennungstechnologie, um die Merkmale des Echo -Signals wirklich widerzuspiegeln und sicherzustellen, dass die Erkennungsauflösung den Erkennungsanforderungen entspricht, werden QM und QE im Allgemeinen nicht zu groß erwartet. Bei der Auswahl von Materialien, bei der Auswahl von Materialien, müssen die QM- und QE -Werte bei der Entwurfs- und Herstellung von Wandlern durch Erhöhen der Dämpfung der Struktur und das Ändern der Impedanz auf dem Stromkreis angemessen reduziert werden. Die Reduzierung der QM- und QE -Werte führt natürlich zu Kosten der Empfindlichkeit (reduzierte Ausgangsleistung). Daher sollte der entsprechende Q -Wert gemäß den Anforderungen der tatsächlichen Anwendung ausgewählt und angepasst werden (gemäß der Erfahrung sollte der tatsächliche Q -Wert des Ultraschalldetektionswandlers nicht größer als 10 sein).

(10) Alterungsleistung von piezoelektrischen MaterialienPiezoceramic Zylinderrohr-Die piezoelektrische Eigenschaften polarisierter piezoelektrischer Materialien haben irreversible Änderungen mit der Zeit. Dieses Phänomen wird als \"Altern\" bezeichnet, wie z. B. dielektrische Konstante, dielektrische Verluste, piezoelektrische Konstanten, elektromechanische Kopplungskoeffizienten und Elastizität nimmt normalerweise mit der Zeit ab, und die Frequenzkonstanten und die mechanischen Q -Werte nehmen mit der Zeit zu. Die Änderung dieser Parameter ist im Grunde genommen linear mit dem logarithmischen Zeitwert. Es wird allgemein als Einheit von zehn Jahren angesehen, die als \"zehnjähriges Alterung\" bezeichnet wird. Offensichtlich spiegelt dieser Index die zeitliche Stabilität von piezoelektrischen Materialien wider. Bei der Herstellung von piezoelektrischen Wandlern sollte auch die Auswahl von Materialien mit einer besseren Zeitstabilität ausgewählt werden. Bei einem bestimmten Ultraschallwandler manifestiert sich dieses Alterungsphänomen speziell in Empfindlichkeit, anfänglicher Wellenbeschäftigung und elektrischem Rauschpegel. Daher sollte auch der Auswirkung des Alterns auf den Kauf und die Lagerung des Wandlers geschenkt werden.

(11) Wärme Stabilität von piezoelektrischen Materialien-dies bezieht sich auf die piezoelektrischen Eigenschaften von piezoelektrischen Materialien, die nach einem Zeitraum des kontinuierlichen Betriebs in einem bestimmten Temperaturbereich konstant oder nicht abbauten, insbesondere für Hochtemperaturumgebungen. sollte aus Materialien mit guter thermischer Stabilität ausgewählt werden.
Die oben genannten 11 Elemente sind die Hauptüberlegungen und Auswahlprinzipien, wenn wir piezoelektrische Materialien für die Herstellung von Ultraschalltests -Wandlern wählen. Wir sollten umfassend nach der spezifischen Anwendung und den Bedürfnissen angemessen berücksichtigen und angemessen auswählen.