ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 1996 года по МПК H04R17/00 G01N29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерениях акустических параметров материалов, в ультразвуковой дефектоскопии, при создании ультразвуковых линий задержки, в практике медицинской диагностики.

Цель изобретения повышение долговечности и динамического диапазона в режиме излучения.

На чертеже схематично представлен высокочастотный широкополосный пьезопреобразователь. Он включает в себя пластину 1 монокристалла иодата лития, ориентированную перпендикулярно гексагональной оси монокристалла, металлические электроды 2 и диэлектрические слоя З, расположенные между рабочими поверхностями пластины 1 и металлическими электродами 2.

Работает высокочастотный широкополосный пьезопреобразователь следующим образом.

К металлическим электродам 2 подается высокочастотное напряжение (в диапазоне частот 1-100 МГц). За счет обратного пьезоэффекта с учетом вида тензора пьезомодулей монокристалла иодата лития и выбранной ориентации пластины 1, в ней возбуждается продольная ультразвуковая волна, распространяющаяся перпендикулярно рабочим поверхностям. Диэлектрические слои 3 ограничивают диффузию ионов лития из пластины 1 к металлическим электродам 2 и блокируют инжекцию электронов из металлических электродов 2 в объем пластины 1 За счет этого повышается долговечность и увеличивается динамический диапазон напряжений возбуждения пьезопреобразователя.

Физическая сущность процессов, определяющих изобретение, состоит в следующем.

Для электроакустического преобразования энергии электрического поля в механическую в пьезоэлектрических кристаллах с ионной проводимостью, к каким относятся монокристаллы иодата лития, существенно важными процессами являются ионный и электронный обмен между металлическими электродами и кристаллом. При этом в приэлектродных областях образуются крупномасштабные проводящие неоднородности, которые в случае кристаллов иодата лития представляют собой литиевые дендриты или фракталы. Эти неоднородности приводят к неоднородным распределениям внутрикристаллических полей и значительно влияют на механизм электроакустического преобразования. Степень влияния внутренних неоднородных полей, возникающих и изменяющихся за счет процессов диффузии ионов лития и инжекции электронов под действием внешнего электрического поля, тем выше, чем меньше толщина пьезопреобразователя.

С уменьшением толщины пластины из монокристалла иодата лития увеличивается широкополосность пьезопреобразователя и снижается электрическая прочность, что ведет к уменьшению долговечности и снижению динамического диапазона напряжений возбуждения пьезопреобразователя. Кроме того, образование микроканалов и трещин при механической обработке пластины создает благоприятные условия для диффузии ионов лития и приводит к возможности локальных электрических пробоев через такие микродефектные области, т.е. к уменьшению долговечности работы пьезопреобразователя.

Следует принять также во внимание и электростимулированную инжекцию электронов с непосредственно контактирующих с рабочими поверхностями пьезопластины металлических электродов, которая дестабилизирует сложившиеся неоднородности внутри кристаллического электрического поля и в результате приводит к изменению со временем рабочих параметров пьезопреобразователя вплоть до спонтанного выхода из строя.

Ограничение диффузии ионов лития на границе рабочая поверхность пьезопластины металлический электрод и блокирование процессов инжекции электронов, т. е. достижение стабилизации распределения внутренних электрических полей, осуществлено за счет расположения между рабочими поверхностями пластины из монокристалла иодата лития и металлическими электродами диэлектрических слоев, что приводит к повышению долговечности и увеличению динамического диапазона напряжений возбуждения пьезопреобразователя.

Для сохранения неизмененными основных параметров пьезопреобразователя - рабочей полосы частот, уровня потерь на двойное преобразование, повышения долговечности и увеличения динамического диапазона в режиме излучения выбрана толщина наносимого на рабочие поверхности диэлектрического слоя из указанного соотношения.

Изобретение относится к устройствам акустоэлектроники и может быть применено при измерениях акустических параметров материалов, в ультразвуковой дефектоскопии, в практике медицинской диагностики. Цель изобретения - повышение долговечности и увеличение динамического диапазона напряжений возбуждения высокочастотного широкополосного пьезопреобразователя - достигается за счет расположения между рабочими поверхностями пластины, вырезанной из монокристалла иодата лития перпендикулярно гексагональной оси, и металлическими электродами диэлектрических слоев. Диэлектрические слои ограничивают диффузию ионов лития и блокируют инжекцию электронов. Толщину диэлектрических слоев определяют из соотношения, в которое входят акустические параметры кристалла иодата лития, диффузия ионов линия в материале диэлектрического слоя, долговечность пьезопреобразователя и диапазон рабочих частот 1 ил.

Высокочастотный широкополосный пьезопреобразователь, содержащий пластину монокристалла иодата лития, гексагональная ось которого перпендикулярна большим поверхностям пластины, на которых расположены металлические электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности и динамического диапазона в режиме излучения, между пластиной и каждым электродом расположен диэлектрический слой, толщина d которого выбирается из условия

где с скорость ультразвуковой волны вдоль гексагональной оси монокристалла иодата лития;
ν_макс максимальная частота спектра электроакустического преобразования;
D коэффициент диффузии ионов лития в диэлектрическом слое;
Т долговечность пьезопреобразователя.