풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성
Summary
This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).
Abstract
고성능 전자 장치의 동작 동안, 온도 상승은 디바이스 성능의 열화의 원인으로 인해 기계적 및 전기적 손실을 피할 수 없다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 성능 저하를 평가하기 위해, 상승 된 온도에서 전체 매트릭스 재료의 특성은 입력으로서 필요하다. 이 때문에 다른 형상의 샘플 중 강한 이방성 자연과 특성 변화에 강유전체 물질에 대한 이러한 데이터를 측정하기가 매우 어렵다. 탈분극의 정도 크게 다른 형상 여러 샘플을 요구하는 IEEE (전기 전자 기술자 협회)의 임피던스 공진 기법에 의해 얻어진 경계 조건 종속 데이터이기 때문에, 일반적으로 자체 일관성이 없다. 공명 초음파 분광법 (RUS)이 기술은 전체 집합 재료 상수 variat 견본을 샘플로 인한 오류를 제거 할 수있는, 하나의 샘플을 사용하여 측정 할 수있다이온. 상세한 RUS 절차는 티탄산 지르콘 산납 (PZT-4)의 압전 세라믹 시료를 사용하여 여기에 설명된다. 예에서, 소재 상수의 전체 세트는 120 ° C의 실온에서 측정 하였다. 측정 무료 유전 상수 
과 
상기 측정 된 전체 집합 데이터에 기초하여 산출 된 것들과 비교 하였다, 압전 상수는 15 D와 33도 다른 수식을 사용하여 계산 하였다 거라고. 우수한 협정은 RUS 의해 얻어진 데이터 세트의 자체 일관성을 확인 온도의 전체 범위 내에서 발견되었다.
Introduction
티탄산 지르콘 산납 (PZT)의 압전 세라믹, (1-X)는 3 -xPbTiO 3 PbZrO, 및 그 유도체 널리 1950 때문에 초음파 트랜스 듀서 (1), 센서 및 액추에이터에 사용되어왔다. 이러한 전기 장치의 대부분은 이러한 공간 차량 및 지하 아니라 로그인 높은 온도 범위에서 사용된다. 또한, 이러한 치료 초음파 트랜스 듀서, 압전 변압기 및 음파 프로젝터 작동시 종종 승온 높은 전원 장치. 이러한 온도 상승은 심각한 성능 저하를 일으키는 원인이되는 공진 주파수와 트랜스 듀서의 초점이 변경됩니다. 고강도 이미 종양의 치료를위한 임상에 사용되는 초음파 (HIFU) 기술은, PZT 계 세라믹스로 이루어지는 초음파 트랜스 듀서를 사용하여 초점을 맞추었다. 동작 중에, 이러한 변환기의 온도가 차례로 HI 변경 될 PZT 공진기의 재료 정수의 변화를 일으키는 증가FU 초점과 출력 전력 2,3-. 초점의 변화 즉, 건강한 조직을 대신 암 조직의 파괴되는 심각한 원치 않는 결과가 발생할 수 있습니다. 초점 이동이 예측 될 수있는 반면에, 만약 하나는 시프트를 해결하기위한 전자 디자인을 사용할 수있다. 따라서, 압전 재료의 전체 집합 재료 특성의 온도 의존성을 측정하는 많은 전자 장치, 특히 고전력 소자의 설계 및 평가를 위해 매우 중요하다.
분극 강유전체 재료는 현재 공지 된 가장 압전 물질이다. 사실, 현재 사용되고있는 거의 모든 압전 재료 PZT 고용체 세라믹스 (1-X) 납 마그네슘 (Mg 1/3 Nb를 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) 단결정 포함 강유전성 재료이다. 임피던스 공진 방식은 IEEE (전기 전자 기술자 협회)는 drasti와 5-7 샘플을 필요로으로 전체 세트 소재의 특성을하기 위해 다른 형상은 4 상수. 샘플의 특성은 분극의 정도에 달려있는 동안은, 분극의 정도 샘플 기하학 (경계 조건)에 의존하기 때문에, 강유전체 재료에 대한 IEEE 임피던스 공명 방법을 이용하여 자기 일관성 풀세트 행렬 데이터를 획득하는 것은 거의 불가능하다. 변화를 샘플링 샘플로 인한 문제를 방지하려면 모든 상수는 하나의 샘플에서 측정해야한다. 리 등. 펄스 에코 초음파 역 임피던스 분광법 (5)의 조합을 사용하여 실온에서 1 샘플에서 모든 정수의 성공적인 측정을보고했다. 불행하게도,이 기술은 노의 내부에 직접 초음파 측정을 수행 할 수 없기 때문에 고온에서 수행하기 어렵다. 높은 온도에서 작업 할 수있는 상업적으로 이용 가능한 전단 트랜스 듀서는 없습니다. 또한, 커플 링 그리스 트랜스 바운드 그듀서 샘플은 높은 온도에서 작동하지 않을 수 있습니다.
원칙적 RUS 기술은 하나의 샘플을 사용하여 6,7- 압전 재료 및 그 온도 의존성의 전체 세트 재료 상수를 결정하는 능력을 갖는다. 그러나 RUS 기술의 적절한 구현을위한 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 우선, 실온에서 텐서 특성의 전체 세트는 정확히 펄스 – 에코 RUS 및 기술의 조합을 사용하여 결정되어야한다. 둘째,이 실온 데이터 세트는 공진 주파수를 예측하여 해당 모드를 식별하기 위해 측정 된 것과 일치 할 수있다. 셋째, 상온까지의 온도의 각각의 작은 증가에 대해, 하나는 측정 NMR 스펙트럼에서 새로운 온도 풀세트 상수를 검색하기 위해 측정 된 공진 주파수에 대해 스펙트럼 재구성을 수행 할 필요가있다. 그리고, 새로운 데이터가 새로운 시점으로 설정하여, 우리는 수 다음 온도에서 전체 집합 상수를 얻기 위해 또 다른 작은 온도 단계에 의해 온도를 증가시킨다. 이 과정을 계속하는 것은 우리가 전체 집합 재료 상수의 온도 의존성을 얻을 수 있도록한다.
여기에서, 압전 – 세라믹 PZT-4 샘플은 RUS 기술의 측정 방법을 설명하기 위해 사용된다. 5 탄성 상수, 3 압전 상수와 2 유전 상수 다음 분극 PZT-4 세라믹 10 독립적 인 재료 상수와 ∞m 대칭이있다. 유전율이 공진 주파수의 변화에 둔감하기 때문에, 별도로 동일한 샘플을 사용하여 측정 하였다. 클램프 유전율의 온도 의존성 
과 
커패시턴스 측정치로부터 직접 측정 한 유리 유전 상수 반면OAD / 53461 / image005.jpg "/>와 동시에 측정 데이터 일관성 검사를 사용 하였다. 일정한 전계 강도의 탄성 상수의 온도 의존성 
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과 
및 응력 압전 상수 (15), 전자 (31)를 E 및 예 33과 동일한 샘플을 사용하여 RUS 기술에 의해 결정 하였다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명 된 기술은 RUS되도록 자기 일관성을 보장 할 수있는 샘플들로부터의 특성 편차에 의한 오차를 없애 하나의 샘플을 사용하여 전체 집합 재료 상수를 측정 할 수있다. 그들 압전 또는없는 경우에있어서, 높은 품질 계수 Q 어떤 고체 물질에 상관없이 사용할 수있다. 모든 다른 표준 특성화 기술은 전체 집합 데이터를 얻기 위해 여러 샘플을 필요로하고 일관성있는 데이터를 얻기 어렵다. <…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374245), the NIH under Grant No. P41-EB2182, the Natural Science Foundation of Fujian Province, China (Grant No. 2013J01163), and the Open Research Fund of the State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (Grant No. SKLA201306).
Materials
| PZT-4 | TRS | |
| paraffin | MTI Corporation | 8002-74-2 |
| conductive silver paint | MG Chemicals | 842-20G |
| Al2O3 Powder | MTI Corporation | |
| coupling grease | Panametrics |
Referências
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