Charakterisierung von Full Set Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für piezoelektrische Materialien mit Resonanzultraschallspektroskopie
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
Während des Betriebs des Hochleistungselektromechanischen Vorrichtungen, ist ein Temperaturanstieg unvermeidbar aufgrund von mechanischen und elektrischen Verluste, die Verschlechterung der Leistung der Vorrichtung zu verursachen. Um solche Verschlechterungen unter Verwendung von Computersimulationen, Vollmatrix Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen zu bewerten sind als Eingänge benötigt. Es ist extrem schwierig, solche Daten für ferroelektrische Materialien zu messen, die aufgrund ihrer starken anisotropen Natur und Eigenschaft Variation zwischen Proben verschiedener Geometrien. Da der Grad der Depolarisation Randbedingung abhängig ist, Daten von der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Impedanz Resonanztechnik erhalten, die mehrere Proben mit drastisch unterschiedlichen Geometrien erfordert, fehlt in der Regel Selbstkonsistenz. Die Resonanzultraschallspektroskopie (RUS) Technik erlaubt es den vollen Satz Materialkonstanten nur eine Probe mit gemessen werden, die durch Probe verursachte Fehler beseitigen kann Variat zu probierenIon. Eine detaillierte RUS Verfahren wird hier gezeigt, eine Blei-Zirkonat-Titanat (PZT-4) piezokeramischer Probe verwendet wird. Im Beispiel wurde der komplette Satz von Materialkonstanten von Raumtemperatur bis 120 ° C gemessen. Gemessen freien dielektrischen Konstanten 
und 
waren im Vergleich mit den berechneten Angaben in den gemessenen vollen Satz Daten basieren, und piezoelektrischen Konstanten d 15 und d 33 auch verschiedene Formeln berechnet wurden. Ausgezeichnete Vereinbarung wurde im gesamten Temperaturbereich gefunden, der die Selbstkonsistenz des Datensatzes durch den RUS erhalten bestätigt.
Introduction
Blei – Zirkonat – Titanat (PZT) piezoelektrische Keramik, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3 und seine Derivate in Ultraschallwandlern, Sensoren und Aktoren seit den 1950er Jahren weithin 1 verwendet wurden. Viele dieser elektromechanischen Vorrichtungen sind bei hohen Temperaturbereiche, beispielsweise für Raumfahrzeuge und Untergrundbohrlochmessungen verwendet. Außerdem Hochleistungsvorrichtungen, wie beispielsweise therapeutische Ultraschallwandler, piezoelektrische Transformatoren und Sonar Projektoren, oft Aufheizens während des Betriebs. Eine solche Temperatur steigt wird die Resonanzfrequenzen ändern und den Brennpunkt von Wandlern, hohe Leistungseinbußen verursachen. Hohe Intensität fokussierter Ultraschall (HIFU) Technologie, die bereits in der klinischen Praxis zur Behandlung von Tumoren eingesetzt, Ultraschallwandler verwendet aus PZT-Keramiken. Während des Betriebs wird die Temperatur dieser Wandler zu erhöhen, eine Veränderung der Materialkonstanten des PZT Resonators verursacht, die wiederum die HALLO ändernFU Mittelpunkt sowie die Ausgangsleistung 2,3. Die Verschiebung des Brennpunktes kann zu schweren unerwünschten Ergebnissen führen, dh gesunde Gewebe anstelle von Krebsgewebe zerstört wird. Auf der anderen Seite, wenn der Brennpunkt Verschiebung vorhergesagt werden kann, könnte eine elektronische Designs verwenden solche Verschiebung zu korrigieren. Daher ist die Temperaturabhängigkeit der vollständigen Satz Material Meßeigenschaften von piezoelektrischen Materialien sehr wichtig für die Entwicklung und Bewertung von vielen elektromechanische Vorrichtungen, insbesondere Hochleistungsvorrichtungen.
Gepolte ferroelektrische Materialien sind die besten piezoelektrischen Materialien heute bekannt. In der Tat, fast alle piezoelektrischen Materialien derzeit im Einsatz sind ferroelektrische Materialien, darunter auch feste Lösung PZT – Keramiken und (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) Einkristalle. Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Impedanz Resonanzmethode erfordert 5-7 Proben mit drastimatisch unterschiedliche Geometrien , um den vollen Satz Material zu charakterisieren Konstanten 4. Es ist fast unmöglich, in sich konsistente vollständigen Satz Matrix Daten unter Verwendung der IEEE Impedanzresonanzverfahren für ferroelektrische Materialien zu erhalten, da der Grad der Polarisierungs auf der Probengeometrie (Randbedingungen) hängt, während Probeneigenschaften auf der Ebene der Polarisierungs abhängen. Um Probleme durch Probe vermeiden Variationen zu probieren, sollten alle Konstanten aus einer Probe gemessen werden. Li et al. Berichteten über die erfolgreiche Messung aller Konstanten aus einer Probe bei Raumtemperatur durch eine Kombination von Impuls-Echo – Ultraschall und inverse Impedanzspektroskopie 5 verwendet wird . Leider ist diese Technik schwer bei erhöhten Temperaturen durchzuführen, da es nicht möglich ist, Ultraschallmessungen direkt im Inneren des Ofens durchzuführen. Es gibt auch keine im Handel erhältlichen Scher Wandler, die bei hohen Temperaturen arbeiten können. Darüber hinaus, dass das Kupplungs Fett gebunden transDUCER und die Probe kann bei hohen Temperaturen nicht.
Im Prinzip hat die RUS – Technik die Möglichkeit , die vollständigen Satz Materialkonstanten von piezoelektrischen Materialien und deren Temperaturabhängigkeit unter Verwendung von nur einer Probe 6,7 zu bestimmen. Aber es gibt einige wichtige Schritte für eine ordnungsgemäße Durchführung der Technik RUS. Zunächst sollte der volle Satz von Tensor Eigenschaften bei Raumtemperatur genau eine Kombination von Puls-Echo und RUS Techniken bestimmt werden. Zweitens kann diese Raumtemperatur Datensatz verwendet werden, um die Resonanzfrequenzen zu prognostizieren und die gemessenen diejenigen, um die entsprechenden Modi zu identifizieren, zu entsprechen. Drittens, für jeden kleinen Zuwachs der Temperatur von Raumtemperatur auf, muss ein Spektrum Rekonstruktion gegen die gemessene Resonanzspektrum, um die vollen Satz Konstanten bei dieser neuen Temperatur aus der gemessenen Resonanzspektrum zur Durchführung abzurufen. Dann wird unter Verwendung der neuen Daten als neuer Startpunkt setzen, können wir die Temperatur von einem anderen kleinen Temperaturschritt erhöhen, um die vollen Satz Konstanten bei der nächsten Temperatur zu bekommen. diesen Prozess fortsetzen wird es uns ermöglichen, die Temperaturabhängigkeit der vollständigen Satz Materialkonstanten zu erhalten.
Hier wird eine PZT-4 piezokeramischer Probe wird verwendet, um das Messverfahren der RUS-Technik zu veranschaulichen. Die gepolten PZT-4 Keramik hat ∞m Symmetrie mit 10 unabhängigen Materialkonstanten: 5 elastischen Konstanten, 3 piezoelektrische Konstanten und 2 dielektrischen Konstanten. Da die Dielektrizitätskonstanten unempfindlich auf die Änderung der Resonanzfrequenzen sind, wurden sie separat unter Verwendung der gleichen Probe gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten geklemmt 
und 
direkt von den Kapazitätsmessungen gemessen, während die freien dielektrischen Konstanten wurdenOAD / 53461 / image005.jpg "/> und gemessen wurden als Datenkonsistenzprüfungen bei gleichzeitig verwendet. Die Temperaturabhängigkeit der elastischen Steifigkeitskonstanten bei einem konstanten elektrischen Feld 
. 
. 
. 
und 
Und piezoelektrische Stress Konstanten E 15, E 31 und E 33 wurden von der RUS – Technik unter Verwendung der gleichen Probe bestimmt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die RUS hier beschriebene Technik kann den vollen Satz Materialkonstanten nur eine Probe unter Verwendung messen, die Fehler, die durch Eigenschaft Variation von Probe eliminiert, so dass Selbstkonsistenz Probe gewährleistet werden kann. Das Verfahren kann mit einem hohen Qualitätsfaktor Q, unabhängig davon, für jedes feste Material verwendet werden, wenn sie piezoelektrische sind oder nicht. Alle anderen Standardcharakterisierungstechniken erfordern mehrere Proben die vollständigen Daten zu erhalten und lassen sic…
Disclosures
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 |
References
- Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. . Piezoelectric Ceramics. , (1971).
- Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers. Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).
- Haar, G. T., Coussios, C. High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).
- Topolov, V. Y. Comment on “Complete sets of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of flux-grown [011]-poled Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(28-32)% PbTiO3 single crystals”. Appl. Phys. Lett. 96, 196101 (2010).
- Li, S. Y., et al. Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample. J. Appl. Phys. 114, 104505 (2013).
- Ohno, I. Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz. Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).
- Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients. J. Appl. Phys. 92, 2451 (2002).
- Pujol, J. The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method. Geophysics. 72, 1-16 (2007).
- Moré, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. User Guide for MINPACK-1. Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).
- Tang, L. G., Cao, W. W. Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics. Appl. Phys. Lett. 106, 052902 (2015).
- Topolov, V. Y., Bowen, C. R. Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals. J. Appl. Phys. 109, 094107 (2011).
- Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. . Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226. , (2000).
- Migliori, A., Sarrao, J. L. . Resonant ultrasound spectroscopy. , (1997).
- Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application. Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).
