Способ определения добротности колебания растяжения-сжатия по толщине пьезокерамического элемента Советский патент 1992 года по МПК G01R29/22 

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.

Пленарные колебания ПКЭ (например, радиальные колебания диска или квадратной пластины) являются мягкой модой колебаний. В этом случае резонансная fp и антирезонансная fa частоты основного обертона определяются соответственно упругими константами (податливостью) S и S (при постоянном поле Е и индукции D), в

частности 5иЕ и SIID, Поэтому резонансная добротность планарного колебания определяется комплексной (с действительной и мнимой частью) упругой константой S , a антирезонансная добротность - SD. Величина добротности равна отношению действительной к мнимой части„соответствующей упругой константы. Указанные упругие константы связаны между собой соотношением (1-Кз12) через величину коэффициента электромеханической связи (КЭМС) K3i2 d3i2/SiiE еззт, где dsi - пьезомодуль. Јзз -диэлектрическая проницаемость. Принимая входящие в выражения 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 - некоторая функция от указанных диссипативных параметров пьезоматериа- ла. Причем в силу приведенной зависимости (1) различие между величинами Qp и Qa может достигать нескольких раз.

Колебание растяжения-сжатия по толщине ПКЭ (например, толщинное колеба- ние тонкой пластины) является жесткой модой колебаний. В этом случае добротность От определяется упругой константой (жесткостью) Сзз°. Известны соотношения

, где Kt - КЭМС толщинных

1 -Kf

колебаний, определяемый, в частности, т,езомодулем l33 2d3iCi3E+d33C33E (, ). Величина зз, являясь разностью двух больших величин, в наиболее сильной степени зависит от электрофизического состояния пьезоматериала ПКЭ. Упругая жесткость СззЕ является известной функцией упругих податливостей SIJE с индексом Е, что.является 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 - некоторая более сложная по сравнению с величиной К функция указанных диссипативных параметров пьезоматериала. Предполагая наличие определенной функциональной связи между коэффициентами

()F(-§i), получим QT-QPF(). Учитывая 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, толщинная доброт- ность определяется величиной резонансной добротности основного обертона пленарных колебаний Qp и отношением Qa/Qp (степенью их различия), что позволяет учитыQ

5

°

5

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 6x6x0,6 мм, с поляризацией по толщине и электродами на поверхностях 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) для ПКЭ 6x6x0,6 мм серийной партии из пьезокера- мического материала ЦТС-35У (сплошной линией соответственно показаны крайние экстраполяционные кривые по (4), пунктирной линией отмечены значения соответственно QT/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 Qa добротность основного обертона планарной моды колебаний определяется 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 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

5

0

тзт QT Р

(6)

te -ts

Способ осуществляют следующим образом,

Пример. Взята партия ПКЭ (заготовки для высокочастотных фильтров) размером 6x6x0,6 мм со сплошным никелевым электродом из пьезокерамического материала системы цирконата-титаната свинца средней сегнетожесткости ЦТС-35У. Путем измерения ширины соответствующего пика

АЧХ на уровне 3 дБ по методу, иллюстрированному на фиг. 1, определена по соотношению (5) резонансная Qp и антирезонансная 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 для контрольного экспериментального определения значений величины толщинной добротности сошлифовывался электрод и напылялся 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 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 QT/Qp от Qa/Qp для исследуемых ПКЭ. При относительно небольшой вариации резонансной добротности Qp (на ±10%) величина Qi/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 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.

Для определения пригодности предлагаемого способа проведено его опробование также на аналогичном ПКЭ из сегнетомягкого (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 расчетная формула

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

(сегнетожесткая, сегнетомягкая керамика и керамика средней сегнетожесткости).

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

массового производства.

Формула изобретения Способ определения добротности колебания растяжения-сжатия по толщине пьезокерамического элемента, заключающийся в том, что измеряют резонансную добротность Qp основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента и по измеренной величине судят о добротности колебания растяжения-сжатия по толщине, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения величины добротности, дополнительно измеряют антирезонансную добротность Qa основного обертона планарной моды колебаний пьезоэлемента, а добротность колебания растяжения-сжатия по толщине пьезоэлемента определяют 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 колебанииЗлектроды7

ПКЭ(.6пм)

ffxb)

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

З юг

3-103 Физ.1

10-Ю3

1,04гУн.г.2.