МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК H04R17/10 H01L41/02 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в ультразвуковых диагностических приборах, а также в ультразвуковой дефектоскопии.

Обычно медицинские ультразвуковые приборы и дефектоскопы используют датчики (излучатели-приемники ультразвука) на основе пьезокерамики различных составов. Однако эти составы наряду с высокой пьезоактивностью (материал PZT-4 (ЦТС-19): d₃₃ = 290 • 10^-12 Кл/Н) обладают низкой анизотропией пьезоэффекта (d₃₃/d₃₂ = 2), вследствие чего частоты поперечных (паразитных) колебаний искажают основную частоту. Этот отрицательный эффект в определенной мере устраняется изготовлением резонансного преобразователя из ста и более пьезоэлементов шириной 0,1 мм каждый, что находится на пределе технологических возможностей.

Интересным направлением для создания пьезоэлементов является использование монокристаллов. Однако удачное сочетание в одном монокристаллическом материале высокой пьезоактивности основной моды колебаний (максимум d₃₃) и анизотропии пьезоэффекта (d₃₃/d₃₂ > 30) до сих пор при использовании метода повернутых срезов не было получено.

Известен пьезоэлектрический трансформатор, включающий в качестве составной части монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллических осей [1].

В качестве материала пластины в этом техническом решении выбран ниобат лития или танталат лития. Ориентировка пластины выполнена с поворотом относительно оси X для улучшения качественных характеристик пьезоэлектрического трансформатора. Такая ориентировка не влияет на анизотропию пьезоэффекта.

Известен монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида
,
у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллографических осей [2].

В этом техническом решении ориентировка граней прямоугольной пластины из танталата лития выполнена с поворотом относительно кристаллографической оси X для повышения стабильности генерируемых колебаний на частотах средневолнового диапазона с нулевым ТКЧ. Такая ориентировка также не влияет на анизотропию пьезоэффекта.

Задача, решаемая настоящим изобретением, - увеличение анизотропии пьезоэффекта для уменьшения влияния частоты поперечных (паразитных) колебаний на основную (несущую) частоту и сведения поперечных колебания до уровня шумов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - определение углов среза для нахождения оптимального сочетания максимальной пьезоактивности основной моды колебаний (максимум d₃₃) и максимальной анизотропии пьезоэффекта (d₃₃/d₃₂) для уменьшения числа пьезоэлементов в преобразователе при одновременном увеличении толщины одного пьезоэлемента.

Для решения поставленной задачи в известном монокристаллическом пьезоэлементе резонансного преобразователя, выполненном в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллографических осей, согласно изобретению ориентировка выполнена с поворотом относительно оси Y.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- в качестве материала прямоугольной пластины был выбран ниобат лития;
- поворот для пластины из ниобата лития был выполнен под углами, выбранными из ряда 49 ± 10^o, 131 ± 10^o, 229 ± 10^o, 311 ± 10^o;
- в качестве материала прямоугольной пластины был выбран танталат лития;
- поворот для пластины из танталата лития был выполнен под углами, выбранными из ряда 44 ± 10^o, 136 ± 10^o, 224 ± 10^o, 316 ± 10^o.

За счет ориентировки прямоугольной пластины с поворотом относительно оси Y удалось для указанных материалов увеличить анизотропию пьезоэффекта.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении вариантов осуществления устройства со ссылками на прилагаемые рисунки.

Фиг. 1 изображает поворот осей координат Z и X на угол θ (Z'и X') относительно кристаллографической оси Y; фиг. 2 - монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя.

Монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя (фиг. 2) выполнен из прямоугольной пластины 1 из материала с матрицей пьезомодулей вида

например, из ниобата лития (LiNbO₃) или танталата лития (LiTaO₃).

На фиг. 2 также показана металлизация 2, расположенная на двух противоположных гранях. Ориентировка прямоугольной пластины 1 (фиг. 1, 2) выполнена с поворотом относительно кристаллографической оси Y на угол θ.

Поиск материалов среди монокристаллов-сегнетоэлектриков с высокой пьезоэлектрической активностью привел по меньшей мере к двум материалам, принадлежащим к одному и тому же классу симметрии (3m или C_3v) - ниобату и танталату лития.

Матрицы пьезомодулей для ниобата лития

и для танталата лития

свидетельствуют о невысокой анизотропии пьезоэффекта. Добиться в этом плане положительного результата можно лишь за счет преобразования системы координат (метод повернутых срезов). Вращение системы координат вокруг осей X и Z не дают положительного результата. Однако вращение вокруг оси Y привело к следующим результатам, показанным в табл. 1.

Как видно из представленной таблицы, оптимальными углами θ для ниобата лития, при которых отношение d₃₃/d₃₂ достаточно велико, а пьезомодуль d₃₃ максимален, являются углы поворота 50^o, 130^o, 230^o и 310^o. Шаг угла поворота в 10^o позволяет с необходимой точностью определить и d₃₃, и d₃₃/d₃₂.

После проведения расчетов вблизи оптимальных углов θ с шагом в один градус были уточнены значения этих углов: 49^o, 131^o, 229^o и 311^o.

Для указанных углов: d₃₃ ^' = 34,0•10^-12 Кл/Н, а величина d₃₃ ^'/d₃₂ ^' = 40.

Для танталата лития аналогичные расчеты привели к следующим значениям оптимальных углов θ: 44^o, 136^o, 224^o, 316^o.

Для этих углов: d₃₃ ^' = 11,4•10^-12 Кл/Н, а величина d₃₃ ^'/d₃₂ ^' = 5,3.

Нулевые значения пьезомодулей при определенных углах определяются симметрией кристаллов.

Соответствующие расчеты были подтверждены экспериментально для угла θ = 50^o. Резкое возрастание анизотропии пьезоэффекта в предлагаемых материалах позволяет уменьшить число монокристаллических пьезоэлементов в их сборке в 3 - 5 раз, в несколько раз увеличив ширину каждого пьезоэлемента: от 0,1 мм до 1 мм и выше. В свою очередь это облегчает технологию приготовления ультразвуковых преобразователей, а также упрощает электронные схемы для обработки принимаемых ультразвуковых сигналов при одновременном улучшении качества изображения.

Из-за высокого импеданса предлагаемых кристаллов в частотном диапазоне от 5 до 10 МГц и выше их использование открывает новые возможности по исследованию системы кровообращения человека.

Наиболее успешно заявленный монокристаллический пьезоэлемент может быть использован в ультразвуковых диагностических приборах и в устройствах ультразвуковой дефектоскопии, а также в тех областях, в которых требуется излучение и прием высококачественного ультразвукового сигнала.

Монокристаллический пьезоэлемент может быть использован в резонансных преобразователях в ультразвуковых медицинских диагностических приборах и ультразвуковых дефектоскопах. Пьезоэлемент выполнен в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодуля указанного вида. Ориентировка пластины выполнена с поворотом относительно оси Y. В качестве материала пластины могут быть использованы ниобат лития или танталат лития. При использовании пьезоэлемента обеспечивается оптимальное сочетание максимальной пьезоактивности основной моды колебаний и максимальной анизотропии пьезоэффекта. Для указанных материалов определены ряды оптимальных углов поворота пластины. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллофизических осей, отличающийся тем, что ориентировка выполнена с поворотом относительно кристаллофизической оси Y. 2. Пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала прямоугольной пластины выбран ниобат лития. 3. Пьезоэлемент по п.2, отличающийся тем, что поворот выполнен под углами, выбранными из ряда 49 ± 10^o, 131 ± 10^o, 229 ± 10^o, 311 ± 10^o. 4. Пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала прямоугольной пластины выбран танталат лития. 5. Пьезоэлемент по п.4, отличающийся тем, что поворот выполнен под углами, выбранными из ряда 44 ± 10^o, 136 ± 10^o, 224 ± 10^o, 316 ± 10^o.