為什麼超聲波換能器要用到壓電陶瓷,它的特性是什麼?

2020-12-21 靈科超聲波

要確定壓電陶瓷材料是否適合超聲波設備,通常可以考慮以下方面:

#超聲波換能器#

(1)介電常數£應適中。

通常,介電常數為10到1000。如果介電常數太大,則將導致叉指電極之間直接耦合;如果介電常數太小,則阻抗將太大,並且不容易匹配。電路與設備之間的連接。在單組分壓電陶瓷中,除BaTiO3的介電常數為1700外,PbTiO3體系和PbNb2O6都較小,約為200,可以很好地用作高頻超聲表面波器件的壓電材料。其他二元和多組分壓電陶瓷材料的介電常數為200-1000,正好滿足中等介電常數的要求。

(2)通過加工,可獲得適合於製造叉指電極的良好表面。

通常,單晶材料非常緻密,並且在諸如切割和拋光的後續處理之後,表面是理想的。壓電陶瓷通常由具有不同成分的粉末材料製成。經過一系列處理,最終在高溫下燒結,因此其晶粒尺寸和孔徑是用於超聲波表面波裝置的壓電陶瓷材料的主要指標。它不僅決定了材料的光滑度,而且還決定了設備的最高工作頻率。

如上所述,超聲波表面波裝置的工作頻率取決於叉指式換能器的叉指棒的寬度,這要求超聲波儀器的表面的L尺寸至少小於叉指式換能器的寬度。 。例如,在壓電陶瓷材料的表面上以2400m / s的超聲表面波聲速製成中心頻率為60MHz的超聲表面波帶通濾波器。它的超聲波表面波波長A是每株植物一秒鐘,因此A =40μm。指狀指的寬度為λ/ 4或10μm。為了減少聲波的反射,採用了分指換能器,即每個手指為λ/ 8,每個手指的寬度僅為51um。為了防止材料的細孔和晶粒對金屬指狀棒的影響,要求細孔和晶粒的尺寸至少小於3μm。因此,為了獲得適於製造叉指電極的良好表面,要求壓電陶瓷材料的晶粒和孔儘可能小。

(3)超聲波面波的傳輸衰減應小。

超聲波表面波傳輸的衰減與壓電陶瓷材料本身的物理特性和表面狀態有關。如果孔和晶粒太大,則將引起散射損耗,同時,晶粒之間振動期間的摩擦損耗也將導致衰減。因此,除了過程處理之外,還必須通過選擇材料來確定。

(4)機電耦合係數必須儘可能高以提高機電轉換效率。

機電耦合係數反映了壓電材料的機械能和電能之間的轉換效率。這是一個非常重要的指標。它不僅與材料的彈性,介電性能和壓電性能密切相關,而且與不同的振動模式也有密切關係。為了提高轉換效率,機電耦合係數越大越好。這也可以減少信號處理期間的能量損失。通常,壓電陶瓷材料的機電耦合係數相對較大,因此這對於壓電陶瓷而言是容易的。

(5)溫度特性更好。

為了確保裝置的穩定性,材料的溫度特性應良好,頻率老化率應較小,尤其是聲表面波延遲的溫度係數應儘可能小。這是因為一旦確定了叉指的手指,操作頻率也就固定了,並且叉指的操作頻率和寬度的主要設計基礎是超聲波表面波延遲時間(即聲速)。因此,一旦時間延遲改變,工作頻率就會改變,這將導致設備無法正常工作。通常,TCD小於25×10 * -6 /℃。

(6)不易老化。

一般要求低於0.5%/年,嚴格要求低於0.1%/年。

(7)一致性和重複性更好。

批量生產該設備時,相同材料或同一批次材料的局部區域之間的性能差異應較小,以便設備可以正常工作。這對壓電單晶影響很小,因為壓電單晶材料的稠度和重複性較好,但是壓電陶瓷材料的影響更大。影響材料分散性的主要因素是原材料的分散性,成分的稱重偏差,燒結溫度和時間控制。當關鍵特性的偏差(例如聲速)達到1%時,對於設備的批量生產而言已經是不可接受的,因此更嚴格的是小於0.1%。

所謂的可重複性通常是指不同批次之間的特性偏差程度,而一致性通常是指同一批次內或同一批次的燒結礦之間的特性偏差程度。很難將兩者分開,並且如果一致性不好,就不會有很好的可重複性。對於壓電陶瓷,這個問題是一個突出的弱點。當使用壓電陶瓷材料作為超聲振動器或換能器元件時,通常需要使用頻率調製或分類措施來彌補這一缺點。當用作超聲表面波裝置的基板時,由於它不可調諧,因此必須具有良好的可重複性和一致性,否則,即使其他特性良好,也無法使用。

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