Способ определения добротности колебания растяжения-сжатия по толщине пьезокерамического элемента

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств частотной селекции. С целью повышения достоверности определения добротности От колебания растяжения-сжатия по толщине измеряют резонансную Qp и антирезонансную Qa добротности основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а о добротности От СУДЯТ в соответствии с соотношением

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (! !) (s!)s G 01 R 29/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4745755/21 (22) 04.09.89 (46) 23.06.92. Бюл. N 23 (71) Научно-исследовательский институт

"ЭЛПА" (72) А.В. Межерицкий (53) 621,317.033(088.8) (56) Материалы пьезокерамические. Технические условия "Электронстандарт", ОСТ

110444-87, 1987, с. 89, Научно-технический отчет по ОКР

"Зонд", Щ40,007.227, номер гос, рег.

У87341/1004579, п редп риятие Н И И "ЭЛПА" 1982, с, 172. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ КОЛЕБАНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ-СЖАТИЯ

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

Цель изобретения — повышение достоверности определения величины добротности колебания растяжения-сжатия по толщине ПКЭ.

Суть способа заключается в следую щем, Планарные колебания ПКЭ (например, радиальные колебания диска или квадратной пластины) являются мягкой модой колебаний. В этом случае резонансная f> и антирезонансная fa частоты основного обертона определяются соответственно чпрчгими константами (податливостью) S u

S (при постоянном поле Е и индукции О), в

ПО ТОЛЩИНЕ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО

ЭЛЕМЕНТА (57) Изобретение относится к радиотехнике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств частотной селекции. С целью повышения достоверности определения добротности QT колебания растяжения-сжатия по толщине измеряют резонансную

ОР и антирезонансную Qa добротности основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а о добротности

QT счдят в соответствии с соотношением

От=С1Р/(2 3 0 7) (0а Q>)2 3 2 ил частности $я и $я, Поэтому резонансная е D добротность планарного колебания определяется комплексной (с действительной и мнимой частью) упругой константой S, а антирезонансная добротность — S . ВеличиО на добротности равна отношению действительной к мнимой части соответствующей упругой константы, Указанные, упругие константы связаны между собой соотношением

$Я =$(((I — Кз! ) через величину коэффициента электромеханической связи (КЭМС)

Кз12=бз12/S11е езз, где бз! — пьезомодуль, Т озз — диэлектрическая проницаемость, Принимая входящие в выражения константы пьезоматериала комплексными

sii =sii (1 — i/Îð); sn =Я Р(1 — i/0 ) 33 = <33 (1 — t ТЯ озз); d31=d31(1 — (!9 J31) где tg дзз, с9 )31 — соответственно тангенс угла диэлектрических и пьезоэлектрических потерь, получим

1742749

От шение

2,3

23+07) Gр (4) 1 1 IG) . 1 (2tg 131- 19г зз — — (1)

С4 GÐ 1 — К 1 4 или

Р (2)

К(к31ЛЯ331ЛЯ Йз Qp)

I где К вЂ” некоторая функция от указанных диссипативных параметров пьезоматериала. Причем в силу приведенной зависимости (1) различие между величинами Qp u Qa может достигать нескольких раз.

Колебание растяжения-сжатия по толщине ПКЭ (например, толщинное колебание тонкой пластины) является жесткой модой колебаний. В этом случае добротность QT определяется упругой константой (жесткостью) С33 . Известны соотношения

С33 =, где Кт — КЭ М С тол щинн ых

D С33

1 — Кт колебаний, определяемый, в частности, пьезомодулем I33=2d31C13 +с133С33 (d3«0, е е с133>0), Величина 133, являясь разностью двух больших величин, в наиболее сильной степени зависит от электрофизического состояния пьезоматериала ПКЭ, Упругая жесткость С33Е является известной функцией упругих податливостей Si> с индексом ,.Е

Е, что.является основанием считать равной добротность константы С33 величине Qð (возможно с некоторым коэффициентом).

Тогда (3)

P(lg 833 tgJ31,33, к31к33) где P — некоторая более сложная по сравнению с величиной К функция указанных диссипативных параметров пьезоматериала, Предполагая наличие определенной функциональной связи между коэффициентами

P =F(K )=F(— ), получим Q =QpF(— ). Учи— 1 — 1 Оа Qa

Qp Qp тывая изложенные теоретические предпосылки на основе экспериментальных данных, получено основное соотношение (1) и установлен вид функциональной зависиGa мости F=(— ) и получено основное соотноQp

Таким образом, толщинная добротность определяется величиной резонансной добротности основного обертона планарных колебаний 0р и отношением Оа Qp (степенью их различия), что позволяет.учиты5

55 вать влияние на величину QT совокупности многих факторов: тангенса угла диэлектрических и пьезоэлектрических потерь, КЭМС, степени упругой анизотропии и т,д., вызванных структурными технологическими вариациями свойств пьезоматериала.

На фиг. 1 показан общий характер АЧХ

ПКЭ в виде пластины, в частности размером

6хбх0,6 мм, с поляризацией по толщине и электродами на поверхностях 6хб мм; на фиг, 2 — зависимость относительной величины толЩинной Добротности От/Qp QT относительной величины антирезонансной добротности Qa/Ор основного обертона планарной моды колебаний (по отношению к резонансной добротности Qp) для ПКЭ

6хбх0,6 мм серийной партии из пьезокерамического материала ЦТС вЂ” 35У (сплошной линией соответственно показаны крайние экстраполяционные кривые по (4), пунктирной линией отмечены значения соответстBeHHO GT/Qp 1 И Qa/Qp=1).

АЧХ включает низкочастотные обертоны планарной моды колебаний и высокочастотные обертоны моды колебания растяжения-сжатия по толщине. Резонансная Qp и антирезонансная С4 добротность основного обертона планарной моды колебаний определяется по частотной ширине соответствующих пиков АЧХ на уровне 3дБ:

Qp= Ga= р, 4 (5) t2 t1 t4 тз

При сплошной металлизации ПКЭ АЧХ толщинных обертонов является изрезанной, Уменьшением относительного размера металлизации ПКЭ в силу свойств эффекта

"захвата энергии" при толщинных колебаниях в общем случае достигается моночастотная АЧХ, что наиболее просто реализуется на 3-м обертоне толщиной моды, Причем в некоторых случаях требуется для этой цели создавать "изрезанную" кромку пластины ПКЭ. Как показано на фиг.

1, толщинная добротность также определяется по ширине на уровне 3 дБ соответствующего пика АЧХ

ЗТ

Qò= (6)

t6 т5

Способ осуществляют следующим образом, Пример. Взята партия ПКЭ (заготовки для высокочастотных фильтров) размером бхбх0,6 мм со сплошным никелевым электродом из пьезокерамического материала системы цирконата-титаната свинца средней сегнетожесткости ЦТС вЂ” 35У. Путем измерения ширины соответствующего пика

1742749

55

АЧХ на уровне 3 дБ по методу, иллюстрированному на фиг. 1, определена по соотношению (5) резонансная Qp и антирезонансная

Q> добротность основного обертона планарной моды колебаний (1Р=334 кГц, 4/fp — 1=11+1 o). Значение Qp исследуемых

ПКЭ составило 650М70. Затем для контрольного экспериментального определения значений величины толщинной добротности сошлифовывался электрод и напылялся частично покрывающий поверхность ПКЭ электрод диаметром 8 2 мм, режущим инструментом сделаны пропилы глубиной до

0,5 мм вдоль толщины по периметру ПКЭ, Таким образом была достигнута моночастотная АЧХ 3-й гармоники колебания растяжения-сжатия по толщине (как показано на фиг. 1). Далее путем измерения ширины соответствующего пика АЧХ на уровне 3 дБ определена по соотношению (6) толщинная добротность ПКЭ. На фиг, 2 показана зависимость полученных значений От/Qp от

Qa/Qp для исследуемых ПКЭ. При относительно небольшой вариации резонансной добротности Qp (на +10%) величина QT/Qp составила 0,4 — 2,5 (диапазон изменения в

6,3 раза), а величина Qa/Qp составила 0,8—

1,9 (диапазон изменения в 2,2 раза). Проведена математическая степенная экстраполяция 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 измерения резонансной и антирезонансной добротности основного обертона планарной моды колебаний с использованием отношения (4) повышение достоверности определения толщинной добротности почти в 6 раз, При этом следует отметить наличие связи значений величин QT/Qp u

Qa/Ор с изменением структуры пьезокерамики ПКЭ с величиной статической проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь, что указывает на единую физическую природу отмеченных, свойств.

Для определения пригодности предлагаемого способа проведено его опробование также на аналогичном ПКЭ из сегнетомягкого (ЦТС вЂ” 36) и сегнетожесткого

5 (типа ЦТС вЂ” 33) пьезокерамического материала. B первом случае (ЦТС вЂ” 36) результаты следующие: f>/fð — 1=15%, Ор=96, О=200, СЬ=238, Q>/Qp=2,08, QT/Qp=2,48, во втором случае (типа ЦТС-33): f>/fp — 1=3,5%, Ор=

10 =2700, Оа=3300, От=1 840, Оа/Qp=,1,22, QT/Qp=0,68, что, как следует из (4) и фиг. 2, подтверждает достижение поставленной цели на широком классе пьезокерамических материалов.

15 Установлено, что расчетная формула (4) справедлива для первой и третьей толщинных гармоник в диапазоне их частот 1—

20 МГц для образцов различной формы (диск, квадрат) и из различных материалов

20 (сегнетожесткая, сегнетомягкая керамика и керамика средней сегнетожесткости).

Использование предлагаемого способа наиболее эффективно при проведении контроля качества пьезоэлементов в условиях

25 массового производства, Формула изобретения

Способ определения добротности колебания растяжения-сжатия по толщине пьезо30 керамического элемента, заключающийся в том, что измеряют резонансную добротность Qp основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента и по измеренной величине судят о добротности коле35 бания растяжения-сжатия по толщине, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения достоверности определения величины добротности, дополнительно измеряют антирезонансную добротность Q> основно40 го обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а добротность колебания растяжения-сжатия по толщине пьезоэлемента определяют. в соответствии с соотношением

45 О- Д р (2,3 0,7} Qp

1742149

1742749

Составитель В, Максименко

Редактор Н. Тупица Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 2282 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская нэб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101