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为什么超声波换能器要用到压电陶瓷

为什么超声波换能器要用到压电陶瓷

作者:admin    来源:本站    发布时间:2020-05-30 02:12:55    浏览量:
要确定压电陶瓷材料是否适合超声波设备,通常可以考虑以下方面:

(1)介电常数£应适中。

通常,介电常数为10到1000。如果介电常数太大,则将导致叉指电极之间直接耦合;如果介电常数太小,则阻抗将太大,并且不容易匹配。电路与设备之间的连接。在单组分压电陶瓷中,除BaTiO3的介电常数为1700外,PbTiO3体系和PbNb2O6都较小,约为200,可以很好地用作高频超声表面波器件的压电材料。其他二元和多组分压电陶瓷材料的介电常数为200-1000,正好满足中等介电常数的要求。

(2)通过加工,可获得适合于制造叉指电极的良好表面。

 

通常,单晶材料非常致密,并且在诸如切割和抛光的后续处理之后,表面是理想的。压电陶瓷通常由具有不同成分的粉末材料制成。经过一系列处理,最终在高温下烧结,因此其晶粒尺寸和孔径是用于超声波表面波装置的压电陶瓷材料的主要指标。它不仅决定了材料的光滑度,而且还决定了设备的最高工作频率。

如上所述,超声波表面波装置的工作频率取决于叉指式换能器的叉指棒的宽度,这要求超声波仪器的表面的L尺寸至少小于叉指式换能器的宽度 。例如,在压电陶瓷材料的表面上以2400m / s的超声表面波声速制成中心频率为60MHz的超声表面波带通滤波器。它的超声波表面波波长A是每株植物一秒钟,因此A =40μm。指状指的宽度为λ/ 4或10μm。为了减少声波的反射,采用了分指换能器,即每个手指为λ/ 8,每个手指的宽度仅为51um。为了防止材料的细孔和晶粒对金属指状棒的影响,要求细孔和晶粒的尺寸至少小于3μm。因此,为了获得适于制造叉指电极的良好表面,要求压电陶瓷材料的晶粒和孔尽可能小。

(3)超声波面波的传输衰减应小。

 

超声波表面波传输的衰减与压电陶瓷材料本身的物理特性和表面状态有关。如果孔和晶粒太大,则将引起散射损耗,同时,晶粒之间振动期间的摩擦损耗也将导致衰减。因此,除了过程处理之外,还必须通过选择材料来确定。

(4)机电耦合系数必须尽可能高以提高机电转换效率。

 

机电耦合系数反映了压电材料的机械能和电能之间的转换效率。这是一个非常重要的指标。它不仅与材料的弹性,介电性能和压电性能密切相关,而且与不同的振动模式也有密切关系。为了提高转换效率,机电耦合系数越大越好。这也可以减少信号处理期间的能量损失。通常,压电陶瓷材料的机电耦合系数相对较大,因此这对于压电陶瓷而言是容易的。

(5)温度特性更好。

为了确保装置的稳定性,材料的温度特性应良好,频率老化率应较小,尤其是声表面波延迟的温度系数应尽可能小。这是因为一旦确定了叉指的手指,操作频率也就固定了,并且叉指的操作频率和宽度的主要设计基础是超声波表面波延迟时间(即声速)。因此,一旦时间延迟改变,工作频率就会改变,这将导致设备无法正常工作。通常,TCD小于25×10 * -6 /℃。

 

(6)不易老化。

一般要求低于0.5%/年,严格要求低于0.1%/年。

(7)一致性和重复性更好。

 

批量生产该设备时,相同材料或同一批次材料的局部区域之间的性能差异应较小,以便设备可以正常工作。这对压电单晶影响很小,因为压电单晶材料的稠度和重复性较好,但是压电陶瓷材料的影响更大。影响材料分散性的主要因素是原材料的分散性,成分的称重偏差,烧结温度和时间控制。当关键特性的偏差(例如声速)达到1%时,对于设备的批量生产而言已经是不可接受的,因此更严格的是小于0.1%。

所谓的可重复性通常是指不同批次之间的特性偏差程度,而一致性通常是指同一批次内或同一批次的烧结矿之间的特性偏差程度。很难将两者分开,并且如果一致性不好,就不会有很好的可重复性。对于压电陶瓷,这个问题是一个突出的弱点。当使用压电陶瓷材料作为超声振动器或换能器元件时,通常需要使用频率调制或分类措施来弥补这一缺点。当用作超声表面波装置的基板时,由于它不可调谐,因此必须具有良好的可重复性和一致性,否则,即使其他特性良好,也无法使用。

 


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