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超声波换能器材料:压电陶瓷材料的特点

作者:admin 时间:2019-02-15

    判断压电陶瓷材料是否适用于声表面波器件,大体上可以从以下几个方面来考虑:
    (1)介电常数£要适中。一般要求介电常数为10~1000。介电常数太大将引起叉指电极间直接耦合,太小则阻抗太大,与电路和器件的联接不易匹配。一元系的压电陶瓷中,除了BaTiO3的介电常数为1700外,PbTiO3系和PbNb2O6的都较小,约200,可以很好地作为较高频的声表面波器件用压电材料。其他二元系和多元系的压电陶瓷材料介电常数都为200~1000,这正好符合介电常数适中的要求。 
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    (2)通过工艺加工能有一个适合制造叉指电极的良好表面。一般单晶材料十分致密,经过切割抛光等后续处理后,表面是十分理想的。而压电陶瓷一般是由不同组分的粉末材料.经过一系列处理,最后用高温烧结而成,所以其晶粒尺寸和气孔大小是声表面波器件用压电陶瓷材料的主要指标。它不仅决定了材料的平滑度,而且还决定了制作器件的上限工作频率。如上所述,声表面波器件的工作频率取决于叉指换能器的叉指条宽度,这就要求表面气孑L尺寸至少小于叉指换能器的叉指宽度。例如,在声表面波声速为2400m/s的压电陶瓷材料表面制作一个中心频率为60 MHz的声表面波带通滤波器。其声表面波波长A一秒/厂,所以A=40μm。叉指条宽为λ/4,即10μm。为了减少声波反射,采取了分裂指换能器,即每根指为λ/8,每个指条宽仅为51um。为了防止材料气孔和晶粒对金属叉指条的影响,要求气孔和晶粒尺寸至少小于3μm。因此要获得适合制造叉指电极的良好的表面,要求压电陶瓷材料的晶粒和气孔都尽可能小。
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    (3)声表面波传输衰减要小。声表面波传输时的衰减与压电陶瓷材料本身的物理性质和表面状态有关。如果气孔和晶粒太大,会引起散射损耗,同时晶粒间振动时的摩擦损耗也会引起衰减,因此除工艺加工外,还要依靠选择材料来确定。
    (4)要有尽可能高的机电耦合系数,以提高机电换能效率。机电耦合系数反映了压电材料机械能与电陇之间相互转换的效率,它是一项非常重要的指标。它不仅与材料的弹性性质、介电性质和压电性质等有密切的关系,而且还与不同振动模式有密切的关系。为了提高转换效率,一般机电耦合系数越大越好,这在信号处理时,也可减小能量损耗。一般压电陶瓷材料的机电耦合系数都比较大,因此这一点对压电陶瓷来说是容易办到的。
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    (5)温度特性要好。为了保证器件的稳定性,材料温度特性要好,频率老化率要小’特别是声表面波延迟的温度系数要尽可能小。这是因为一旦叉指决定后’其工作频率也定下了,而工作频率和叉指宽度的主要设计依据是声表面波延迟时间(即声速)。所以,时间延迟一变化,工作频率就要变化了,这将导致器件不能正常工作。一般要求TCD小于25×10*-6/℃。
    (6)不容易老化。一般要求为0.5%/年以下,严格要求为0.1%/年以下。
    (7)一致性和重复性要好。在器件进行批量生产时,同材料或同一批材料局部区域之间性能差异要小,这才能使器件正常工作。这对压电单晶来说影响不大,因为压电单晶材料的一致性和重复性都比较好,而对压电陶瓷材料影响就较大。影响材料分散性的主要因素为原材料分散性、配料称量偏差、烧结温度和时间控制。当声速等关键特性的偏差达1%时,对嚣件的大量生产来说已无法接受,因而更要严格要求在0.1%以下。所谓重复性一般指不同批之间的特性偏差程度,一致性一般指同批内或同批烧结物间特性偏差程度。两者很难截然分开,如果一致性不好,就不会有好的重复性。这个问题对压电陶瓷来说是个突出弱点。当使用压电陶瓷材料作为声体波振子或换能器元件时,往往需采用调频或分选的措施来弥补这一弱点。当用做声表面波器件的基片时,因其是不可调的,所以必须具有好的重复性和一致性,否则即使其他特性再好,也是无法应用的。

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