СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРИГОДНОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКА Российский патент 2010 года по МПК G01N29/00 

Область техники

Изобретение относится к области физической и технической акустики твердого тела и может быть применено в таких областях техники, как радиоэлектроника, автоматизация технологических процессов, материаловедение, неразрушающий контроль и т.д., в частности, для автоматического экспресс-анализа материалов методом ультразвукового мониторинга, и к областям практического применения пьезоэлектрических свойств кристаллов, а именно изготовления из них широкополосных пьезоэлектрических преобразователей и применения их в приборах ультразвукового неразрушающего контроля (ультразвуковые дефектоскопы, акустические микроскопы, приборы акустической эмиссии).

Пьезоэлектрические преобразователи являются основным элементом упомянутых выше приборов, и значениями их параметров - таких как величина коэффициента электромеханической связи (КЭМС), определяющая коэффициент полезного действия при преобразовании энергии переменного электрического поля в энергию акустического поля, полоса рабочих частот - определяемая по разнице значений верхней и нижней частот при эффективности преобразования на уровне 0.7, величина относительной диэлектрической проницаемости, коэффициент затухания ультразвука определяются важные характеристики приборов неразрушающего контроля - чувствительность к содержанию дефектов в изделии, разрешающая способность, размер областей в изделии, доступный для исследования дефектов. Применение пьезоэлектрических материалов с повышенной эффективностью преобразования и широкой частотной полосой пропускания позволяет также существенно улучшить рабочие характеристики различных акустоэлектронных и акустооптических устройств, служащих для обработки, задержки и углового сканирования электромагнитного излучения.

Уровень техники

Контроль однородности свойств кристаллов с применением ультразвуковых методов широко применяется в научных исследованиях и в технике. При этом в исследуемом образце возбуждаются ультразвуковые колебания и по акустическим характеристикам - скорости распространения и величине коэффициента затухания ультразвука - судят о наличии неоднородных областей. Среди пьезоэлектрических кристаллов, находящих широкое применение в акустических исследованиях, наиболее известными являются кристаллы кварца, ниобата лития и иодата лития [1]. Особое место среди указанных кристаллов занимают кристаллы иодата лития [2]. Они обладают уникальным сочетанием акустических, оптических и пьезоэлектрических свойств, при этом физические параметры, отвечающие за эти свойства, определяются как условиями получения кристаллов - температурой роста, степенью чистоты исходного вещества, кислотностью раствора, так и внешними воздействиями, в частности, внесенными примесями и радиационным облучением. [3-4]. Специфика получения кристаллов иодата лития из раствора и акустоионный механизм затухания ультразвука в них [5] определяет наличие локальных неоднородностей физических свойств кристалла, что естественно сказывается и на неодинаковости характеристик пьезоэлектрических преобразователей, изготавливаемых из различных сечений этих кристаллов. Поэтому весьма актуальной является проблема разработки способа контроля локальных неоднородностей пьезоэлектрических кристаллов для получения возможности выбора тех областей кристалла, которые удовлетворяют заданным технологическим условиям при изготовлении широкополосных преобразователей ультразвука. В научно-технической и патентной литературе описаны различные способы обнаружения неоднородностей в пьезоэлектрических материалах [6-8].

Описание аналогов и прототипа

Наиболее распространенным способом измерения акустических характеристик пьезоэлектрических кристаллов является способ измерения коэффициента затухания и скорости ультразвука, основанный на возбуждении и регистрации ультразвуковых волн, прошедших через образец известной длины [9]. При этом получается информация об упругих свойствах всего образца в целом, что не позволяет судить о наличии в образце локальных неоднородностей. Наиболее близким к разрабатываемому изобретению является акустооптический способ измерения скорости и затухания ультразвуковых волн, основанный на Брэгговской дифракции света на ультразвуке. Способ позволяет получать информацию о наличии локальных неоднородностей и об акустических свойствах произвольно выбранной локальной области образца с пространственным разрешением, определяемым шириной пучка лазерного излучения [10]. При этом информация о величине коэффициента затухания ультразвука получается на основе сравнения интенсивностей лазерного излучения, прошедшего через две близко расположенные области образца при одновременном возбуждении в нем высокочастотных ультразвуковых колебаний, а величина скорости ультразвука рассчитывается на основе измеренного значения угла дифрагированного пучка света. Недостатком известного способа является ограниченность информации, которая не позволяет, в частности, судить о локальных значениях величины коэффициента электромеханической связи и определять пригодность произвольно выбранного локального сечения пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосного преобразователя ультразвука.

Раскрытие изобретения.

Предлагаемое изобретение лишено указанного недостатка. Технический результат заявленного изобретения состоит (по сравнению с прототипом) в повышении контроля за пригодностью пьезоэлектрического кристалла как базы для будущего пьезоэлектрического преобразователя, а также в сокращении трудоемкости и в снижении процента брака при изготовлении широкополосных преобразователей ультразвука. Ограниченность информации о наличии в пьезоэлектрическом кристалле неоднородностей в локально выбранных областях приводит к несоответствию техническим условиям характеристик преобразователей ультразвука, изготавливаемых из заведомо непригодного пьезоэлектрического кристалла. Это является актуальной проблемой для ультразвуковой дефектоскопии.

В отличие от прототипа [10] в заявленном изобретении наряду с измерением локальных значений коэффициента затухания ультразвуковых волн в произвольно выбранных областях пьезоэлектрического кристалла дополнительно в тех же областях проводят измерение коэффициента электромеханической связи путем приложения дополнительного электрического поля, частота которого соответствует установлению механического резонанса по толщине кристалла, и по измеренным значениям локальных значений коэффициента затухания ультразвуковых волн и коэффициента электромеханической связи определяют наличие локальных неоднородностей кристалла и определяют пригодность локально выбранного сечения пьезоэлектрического кристалла для изготовления из него широкополосного преобразователя ультразвука.

Сущность изобретения

Проведенные нами исследования показали, что между величиной коэффициента затухания ультразвука в пьезоэлектрическом кристалле и значением полосы рабочих частот, в которой происходит эффективное преобразование ультразвука, наблюдается четкая корреляция - чем больше величина затухания ультразвука, тем шире полоса рабочих частот преобразователя ультразвука. Кроме того, установлено, что эффективность работы преобразователя определяется величиной коэффициента электромеханической связи. Поэтому при определении пригодности выбранной области кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука необходимо иметь информацию о локальных значениях двух параметров - коэффициента затухания ультразвука в произвольно выбранных локальных областях кристалла - α_лок. и величины КЭМС_лок. в тех же областях.

Для измерения величины КЭМС_лок к произвольно выбранным локальным областям пьезоэлектрического кристалла прикладывают переменное электрическое поле с частотой, соответствующей установлению механического резонанса по толщине кристалла, а величину КЭМС_лок. определяют по значениям частот резонанса - антирезонанса. При этом по измеренным значениям α_лок. и КЭМС_лок. можно определить наличие локальных неоднородностей в кристалле и определить пригодность локально выбранной области пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука.

Технический результат изобретения достигается за счет проведения предварительных исследований наличия локальных неоднородностей пьезоэлектрического кристалла и определения пригодности локально выбранной области пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука, что позволяет значительно сократить трудозатраты на изготовление широкополосных преобразователей ультразвука и уменьшить процент брака изделий, не соответствующих техническим условиям.

Осуществление изобретения

Достигнутый технический результат иллюстрируется таблицей, в которой приведены значения КЭМС_лок. коэффициента затухания ультразвука α_лок., полоса рабочих частот и эффективность работы широкополосного преобразователя ультразвука (в относительных единицах) для 10 образцов, изготовленных из разных срезов кристалла. Размер локально выбранной области кристалла - 2 мм вдоль направления гексагональной оси кристалла, размер поперечного сечения кристалла - 12×12 мм.

Таблица Номер сечения образца α_лок., дБ/см КЭМС_лок. А, (отн. ед.) Полоса рабочих частот, МГц 1 60 0.25 4 15 2 80 0.27 5 20 3 100 0.35 8 30 4 110 0.40 9 35 5 120 0.42 10 40 6 120 0.42 10 40 7 100 0.37 9 35 8 100 0.30 8 30 9 70 0.27 6 20 10 70 0.27 5 20

Из данных таблицы по значениям величин α_лок. и КЭМС_лок. следует, что сечения образца с номерами 1,2 и 9,10 имеют локальные неоднородности, так как в них наблюдаются заниженные значения α_лок. и КЭМС_лок., a широкополосные пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из этих сечений, при заданных технических условиях на параметры широкополосного пьезоэлектрического преобразователя - значения величины А не менее 8 относительных единиц и полосы рабочих частот не менее 30 Мгц, не соответствуют техническим условиям и попадают в число отбракованных изделий. Полученный вывод о непригодности сечений 1, 2 и 9, 10 для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука можно было сделать и заранее лишь на основании измерений α_лок. и КЭМС_лок. и тем самым исключить трудозатраты на изготовление из этих сечений преобразователей ультразвука и снизить процент брака готовых изделий.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ контроля пригодности пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука имеет следующие преимущества: заявляемый способ позволяет определять пригодность произвольно выбранного сечения пьезоэлектрического для изготовления на их основе широкополосных преобразователей ультразвука с параметрами, соответствующими заданным техническим условиям, и тем самым позволяет снизить трудозатраты и уменьшить процент брака готовых изделий.

Источники информации

1. К.И.Авдиенко, Б.И.Кидяров, С.В.Богданов. Иодат лития, выращивание кристаллов, их свойства и применение. Наука, 1980, 143 с.

2. Акустические кристаллы. Под. ред. М.П.Шаскольской, Москва: Наука, 1982, 632 с.

3. К.А.Авдиенко, Б.И.Кидяров, Д.В.Шелопут. Неоднородности в кристаллах иодата лития в связи с условиями выращивания и их влияние на пьезоэлектрические свойства. В кн. Дефекты структуры в полупроводниках, ИФП СО АН СССР, 1973, с.190-193.

4. К.И.Авдиенко, С.В.Богданов, Б.И.Кидяров. Оптические, акустические и пьезоэлектрические свойства кристаллов иодата лития. Изв. АН СССР, Сер. физ. 1977, т.41, №4. с.700-706.

5. А.А.Абрамович, В.А.Шутилов, Т.Д.Левицкая, Б.И.Кидяров. Температурная зависимость поглощения ультразвука в кристаллах иодата лития. Физика твердого тела, 1972, т.14, №9. с.2585-2590.

6. О.Ф.Меньших. Устройство распознавания внутренних неоднородностей объекта. RU 2276355.

7. Okuno Makoto и др. Способ измерения кристаллических частиц. JP 3140244 В2, 6258299 А.

8. Яценко В.А. Способ контроля однородности керамического материала для пьезоэлектрических преобразователей, RU 95122787.

9. Р.Труэлл, Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Под ред. И.Г.Михайлова, В.В.Леманова. - М.: Мир, 1972, 350 с.

10. Физическая акустика, т.5. Под ред. И.Г.Михайлова. - М.: Мир, 1974, 432 с.

Использование: для контроля пригодности пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука. Сущность: заключается в том, что осуществляют измерение в произвольно выбранных по длине пьезоэлектрического кристалла локальных областях коэффициента затухания ультразвука методом дифракции света на ультразвуковых колебаниях, при этом к тем же произвольно выбранным по длине пьезоэлектрического кристалла локальным областям прикладывают переменное электрическое поле и по значениям частот резонанса-антирезонанса определяют коэффициент электромеханической связи, по величине которого и предварительно измеренному значению в этой же локальной области коэффициента затухания ультразвука осуществляют контроль однородности свойств кристалла, по наличию которой в локально выбранной области пьезоэлектрического кристалла судят о его пригодности для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука. Технический результат: повышение степени контроля за пригодностью пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука. 1 табл.

Способ контроля пригодности пьезоэлектрического кристалла для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука, заключающийся в измерении в произвольно выбранных по длине пьезоэлектрического кристалла локальных областях коэффициента затухания ультразвука методом дифракции света на ультразвуковых колебаниях, отличающийся тем, что к тем же произвольно выбранным по длине пьезоэлектрического кристалла локальным областям прикладывают переменное электрическое поле и по значениям частот резонанса-антирезонанса определяют коэффициент электромеханической связи, по величине которого и предварительно измеренному значению в этой же локальной области коэффициента затухания ультразвука осуществляют контроль однородности свойств кристалла, по наличию которой в локально выбранной области пьезоэлектрического кристалла судят о его пригодности для изготовления широкополосных преобразователей ультразвука.