SU1742749A1 - Способ определени добротности колебани раст жени -сжати по толщине пьезокерамического элемента - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств частотной селекции. С целью повышени  достоверности определени  добротности От колебани  раст жени -сжати  по толщине измер ют резонансную Qp и антирезонансную Qa добротности основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а о добротности От СУДЯТ в соответствии с соотношением

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств частотной селекции.

Цель изобретени  - повышение достоверности определени  величины добротности колебани  раст жени -сжати  по толщине ПКЭ.

Суть способа заключаетс  в следую- щем.

Пленарные колебани  ПКЭ (например, радиальные колебани  диска или квадратной пластины)  вл ютс  м гкой модой колебаний . В этом случае резонансна  fp и антирезонансна  fa частоты основного обертона определ ютс  соответственно упругими константами (податливостью) S и S (при посто нном поле Е и индукции D), в

частности 5иЕ и SIID, Поэтому резонансна  добротность планарного колебани  определ етс  комплексной (с действительной и мнимой частью) упругой константой S , a антирезонансна  добротность - SD. Величина добротности равна отношению действительной к мнимой части„соответствующей упругой константы. Указанные упругие константы св заны между собой соотношением (1-Кз12) через величину коэффициента электромеханической св зи (КЭМС) K3i2 d3i2/SiiE еззт, где dsi - пьезомодуль. Јзз -диэлектрическа  проницаемость. Принима  вход щие в выражени  константы пьезоматериала комплексными

SiiE S iEg-i/Qp); (1-i/Qa) езз - Јзз (1-i tg 633); (1-itg jsi). где tg (Ззз, tg jsi - соответственно тангенс угла диэлектрических и пьезоэлектрических потерь, получим

ы

4

G

N

4 О

-Т - ззили

Qa

1 -К§1

QP K(K3i,tgj3i,,Qp)

где К - некотора  функци  от указанных диссипативных параметров пьезоматериа- ла. Причем в силу приведенной зависимости (1) различие между величинами Qp и Qa может достигать нескольких раз.

Колебание раст жени -сжати  по толщине ПКЭ (например, толщинное колеба- ние тонкой пластины)  вл етс  жесткой модой колебаний. В этом случае добротность От определ етс  упругой константой (жесткостью) Сзз°. Известны соотношени 

, где Kt - КЭМС толщинных

1 -Kf

колебаний, определ емый, в частности, т,езомодулем l33 2d3iCi3E+d33C33E (, ). Величина зз,  вл  сь разностью двух больших величин, в наиболее сильной степени зависит от электрофизического состо ни  пьезоматериала ПКЭ. Упруга  жесткость СззЕ  вл етс  известной функцией упругих податливостей SIJE с индексом Е, что. вл етс  основанием считать равной добротность константы СззЕ величине Qp (возможно с некоторым коэффициентом). Тогда

QP

От

P(tg6s3, tgj3i,33, кзГкзз)

(3)

QT

2,3 ±0,7) IQP

(4)

где Р - некотора  более сложна  по сравнению с величиной К функци  указанных диссипативных параметров пьезоматериала. Предполага  наличие определенной функциональной св зи между коэффициентами

()F(-§i), получим QT-QPF(). Учитыва  изложенные теоретические предпосылки на основе экспериментальных данных, получено основное соотношение (1) и установлен вид функциональной зависимости Р(тД) и получено основное соотно- Up

шение

П/О х2 3

Up Ua

Таким образом, толщинна  доброт- ность определ етс  величиной резонансной добротности основного обертона пленарных колебаний Qp и отношением Qa/Qp (степенью их различи ), что позвол ет учитыQ

5

°

5

вать вли ние на величину QT совокупности многих факторов: тангенса угла диэлектрических и пьезоэлектрических потерь, КЭМС, степени упругой анизотропии и т.д., вызванных структурными технологическими вариаци ми свойств пьезоматериала.

На фиг. 1 показан общий характер АЧХ ПКЭ в виде пластины, в частности размером 6x6x0,6 мм, с пол ризацией по толщине и электродами на поверхност х 6x6 мм; на фиг, 2 - зависимость относительной величины толицинной добротности Or/Op от относительной величины антирезонансной добротности Qa/Qp основного обертона пленарной моды колебаний (по отношению к резонансной добротности Qp) дл  ПКЭ 6x6x0,6 мм серийной партии из пьезокера- мического материала ЦТС-35У (сплошной линией соответственно показаны крайние экстрапол ционные кривые по (4), пунктирной линией отмечены значени  соответственно QT/QP 1 и Qa/Qp 1).

АЧХ включает низкочастотные обертоны планарной моды колебаний и высокочастотные обертоны моды колебани  раст жени -сжати  по толщине. Резонансна  Qp и антирезонансна  Qa добротность основного обертона планарной моды колебаний определ етс  по частотной ширине соответствующих пиков АЧХ на уровне 3 дБ:

tp . л fa

Q ; Qa Ht2 - tlT.4 - t3

(5)

При сплошной металлизации ПКЭ АЧХ толщинных обертонов  вл етс  изрезанной . Уменьшением относительного размера металлизации ПКЭ в силу свойств эффекта захвата энергии при толщинных колебани х в общем случае достигаетс  моночастотна  АЧХ, что наиболее просто реализуетс  на 3-м обертоне толщиной моды , Причем в некоторых случа х требуетс  дл  этой цели создавать изрезанную кромку пластины ПКЭ. Как показано на фиг. 1, толщинна  добротность также определ етс  по ширине на уровне 3 дБ соответствующего пика АЧХ

5

0

тзт QT Р

(6)

te -ts

Способ осуществл ют следующим образом ,

Пример. Вз та парти  ПКЭ (заготовки дл  высокочастотных фильтров) размером 6x6x0,6 мм со сплошным никелевым электродом из пьезокерамического материала системы цирконата-титаната свинца средней сегнетожесткости ЦТС-35У. Путем измерени  ширины соответствующего пика

АЧХ на уровне 3 дБ по методу, иллюстрированному на фиг. 1, определена по соотношению (5) резонансна  Qp и антирезонансна  Qa добротность основного обертона пла- нарной моды колебаний (fp 334±2 кГц, fa/fp-1 11+1%). Значение Qp исследуемых ПКЭ составило 650±70. Затем дл  контрольного экспериментального определени  значений величины толщинной добротности сошлифовывалс  электрод и напыл лс  частично покрывающий поверхность ПКЭ электрод диаметром 0 2 мм, режущим инструментом сделаны пропилы глубиной до 0,5 мм вдоль толщины по периметру ПКЭ. Таким образом была достигнута моночастотна  АЧХ 3-й гармоники колебани  раст жени -сжати  по толщине (как показано на фиг. 1). Далее путем измерени  ширины соответствующего пика АЧХ на уровне 3 дБ определена по соотношению (6)толщинна  добротность ПКЭ. На фиг. 2 показана зависимость полученных значений QT/Qp от Qa/Qp дл  исследуемых ПКЭ. При относительно небольшой вариации резонансной добротности Qp (на ±10%) величина Qi/Qp составила 0,4-2,5 (диапазон изменени  в 6,3 раза), а величина Qa/Qp составила 0,8- 1,9 (диапазон изменени  в 2,2 раза). Проведена математическа  степенна  экстрапол ци  полученных экспериментальных данных и установлен характер зависимости в виде (4).

Таким образом, как следует из приведенного примера, по сравнению с известным предлагаемый способ обеспечивает путем измерени  резонансной и антирезонансной добротности основного обертона планарной моды колебаний с использованием отношени  (4) повышение достоверности определени  толщинной добротности почти в 6 раз. При этом следует отметить наличие св зи значений величин Qr/Qp и Qa/Qp с изменением структуры пьезокера- мики ПКЭ с величиной статической проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь, что указывает на единую физическую природу отмеченных свойств.

Дл  определени  пригодности предлагаемого способа проведено его опробование также на аналогичном ПКЭ из сегнетом гкого (ЦТС-36) и сегнетожесткого

(типа ЦТС-33) пьезокерамического материала . В первом случае (ЦТС-36) результаты следующие: fa/fp-1 15%, , , , Qa/Qp 2,08, QT/QP 2,48, во втором случае (типа ЦТС-33): fa/fp-1 3,5%, Qp

2700, , , Qa/Qp 1,22. Qi/Qp 0,68, что, как следует из (4) и фиг. 2, подтверждает достижение поставленной цели на широком классе пьезокерамических материалов.

Установлено, что расчетна  формула

(4) справедлива дл  первой и третьей тол- щинных гармоник в диапазоне их частот 1- 20 МГц дл  образцов различной формы (диск, квадрат) и из различных материалов

(сегнетожестка , сегнетом гка  керамика и керамика средней сегнетожесткости).

Использование предлагаемого способа наиболее эффективно при проведении контрол  качества пьезоэлементов в услови х

массового производства.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  добротности колебани  раст жени -сжати  по толщине пьезокерамического элемента, заключающийс  в том, что измер ют резонансную добротность Qp основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента и по измеренной величине суд т о добротности колебани  раст жени -сжати  по толщине, отличающийс  тем, что, с целью повышени  достоверности определени  величины добротности, дополнительно измер ют антирезонансную добротность Qa основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а добротность колебани  раст жени -сжати  по толщине пьезоэлемента определ ют в соответствии с соотношением

   0

   5

   0

   От

   Qc

   а

   (2,3 ± 0,7) (Qp

   2,3

   (проВодимость)-, отн.ед.

   ЗдВ

   Основной oSep/rroM / j a/fарной колебанииЗлектроды 7

   ПКЭ(.6пм)

   ffxb)

   З юг

   3-103 Физ.1

   10-Ю3

   1,04гУн .г.2.