Name: 풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: 배우세요 공명 초음파 분광법을 사용하여 압전 재료의 온도 의존성 물성 상수를 단일 샘플로 측정하는 방법을. 이 기술은 전기기계 장치 성능 시뮬레이션의 정확성을 높입니다.

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이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 번호 11374245), 보조금 번호 P41-EB2182에 따른 NIH, 중국 푸젠성 자연 과학 재단(보조금 번호 2013J01163) 및 중국 과학원 국가 핵심 음향 연구소의 공개 연구 기금(보조금 번호 . SKLA201306)을 참조하십시오.

1. 샘플 준비 참고 : 원하는 크기의 PZT-4 세라믹 샘플을 직접 많은 PZT 세라믹 제조 업체에서 주문할 수 있습니다. 하나는이어서, 다이아몬드 절삭기를 이용하여 큰 PZT 세라믹 블록으로부터 시료를 절단하고 절단에 의한 연마 depoling 복원 샘플 repole있다. 여기서, 샘플 형상은 3mm와 10mm 사이의 각각의 치수를 갖는 직육면체이다. 큰 크기의 샘플은 필요하지 않지만 샘플이 너무 작은 경우 정확도가 손상 될 수 있습니다. <ol><li> 알 2 O 3 분말을 사용하여 디스크의 플렉시 직육면체 시료의 표면을 연마. <ol><li> 우선, 60 ° C로로드 및 샘플을 가열하여 왁스의 매우 얇은 층을 사용하여 금속 막대의 바닥면에 샘플을 접착제. 실온까지 냉각. 실린더 및 샘플의 바닥면을 연마 TOG 될 수 있도록 단단하게 큰 외경을 갖는 금속 실린더로로드 맞에테르 연마 시료 표면의 평탄성을 보장한다. </li><li> 물병을 사용하여 유리판 그 젖은 표면에 6 미크론 알 2 O 3 분말을 뿌린다 젖은. 접시에 그것에 붙어 샘플과 시료 홀더를 놓고 시료 표면의 평면을 연마하는 원 운동을합니다. 플렉시 글라스 판과 완전히 샘플 홀더를 씻으십시오. </li><li> 젖은 유리 접시에 3 미크론 알 2 O 3 분말을 뿌리고 샘플 표면이 부드럽게 될 수 있도록 다시 연마를 반복합니다. 깨끗한 모든 것을 씻으십시오. </li><li> 왁스를 녹여 60 ° C로 어셈블리를 가열하여 홀더의 오프 샘플을 올립니다. 아세톤을 이용하여 시료 표면에 잔존 왁스 청소. </li><li> 동일한 절차를 사용하여 샘​​플의 전체 표면을 연마 6. </li></ol></li><li> μm의를 사용하여 시료의 치수를 측정하고 그 결과를 기록한다. 여기서,도 1에 도시 된 PZT -4- 샘플은 다음 크기를 갖는다 : l </&gt; X = 4.461 mm, L y를 = 6.073 mm, 및 리터의 Z = 4.914 mm 그들. </li><li> 디지털 분석 저울을 사용하여 샘​​플의 질량을 측정한다. </li><li> 질량 밀도 ρ를 얻기 위해 부피 질량을 나눈다. </li></ol> 2. 펄스 - 에코 초음파 측정 참고 :이 논문에서는, <img alt="식 (15)" src="/files/ftp_upload/53461/image015.jpg" /> 과 <img alt="식 (16)" src="/files/ftp_upload/53461/image016.jpg" /> 일정한 전기장 각각 일정한 전기 변위의 탄성 강성 텐서의 열 요소 번째 행 j를 i 번째를 나타냅니다; <img alt="식 (17)" src="/files/ftp_upload/53461/image017.jpg" /> 과 <img alt="식 (18)" src="/files/ftp_upload/53461/image018.jpg" /> 일정한 전기에서 탄성 컴플라이언스 텐서의 열 요소 번째 행 j를 i 번째를 나타냅니다필드와 각각 일정한 전기 변위; D ij에 압전 변형 텐서의 열 요소 번째 행 j를 i 번째를 나타내고; 전자 (IJ)는 압전 응력 텐서의 열 요소 번째 행 j를 i 번째를 나타내고; <img alt="식 (21)" src="/files/ftp_upload/53461/image021.jpg" /> 과 <img alt="식 (22)" src="/files/ftp_upload/53461/image022.jpg" /> 각각 클램프 무료 유전 상수의 열 요소 번째 행 j를 i 번째를 나타냅니다. 모든 매트릭스 재료 상수 보이트 표기법에있다. <ol><li> 펄서 리시버의 전원을 켭니다. 펄스 - 에코 측정 P / E에 대한 모드를 설정합니다. </li><li> 길이 웨이브 트랜스 듀서 (15 메가 헤르츠)와 펄서 리시버에 디지털 오실로스코프를 연결합니다. </li><li> 인스 사이에 결합 그리스의 X 방향으로 시료 표면 상에 변환기를 넣는다. 참고 편광 무서운 그ction은 z 축으로서 정의된다. </li><li> 디지털 오실로스코프의 컨트롤 패널에있는 커서 키를 누르십시오; 사이드 메뉴 버튼 V 막대를 누른 다음 첫 번째 에코 신호의 가장 높은 봉우리 하나의 커서 라인을 이동하려면 범용 노브를 돌립니다. </li><li> 선택 (SELECT) 키를 누르면, 다음 두 번째 에코 신호에 대응하는 피크에 다른 커서 라인을 이동하는 범용 노브를 돌립니다. </li><li> Δ로 표시된 장소에 수치를 읽기 : 비행의 왕복 시간이 화면에, <img alt="식 (23)" src="/files/ftp_upload/53461/image023.jpg" /> x 축을 따라 종파 펄스. </li><li> X 방향을 따라 종 방향 파 속도를 계산 <img alt="식 (24)" src="/files/ftp_upload/53461/image024.jpg" /> 에 의해 두 시료의 두께 (왕복 거리)으로 나누어 <img alt="식 (27)" src="/files/ftp_upload/53461/image027.jpg" /> 다음, 탄성 정수를 결정 <img의 고도 = &quot;식 (29)&quot;SRC = &quot;/ 파일 / ftp_upload / 53461 / image029.jpg&quot;/&gt; 수식을 사용하여 : <img alt="식 (30)" src="/files/ftp_upload/53461/image030.jpg" /> , ρ는 샘플의 밀도이다. </li><li> 전단 파 트랜스 듀서 (5 메가 헤르츠)를 사용하여 2.3-2.5을 반복 식을 이용하여 전단파 속도를 결정 <img alt="식 (33)" src="/files/ftp_upload/53461/image033.jpg" /> 여기서 <img alt="식 (34)" src="/files/ftp_upload/53461/image034.jpg" /> x 방향을 따라 전단 파 왕복 비행 시간입니다. 전단 탄성 상수를 결정 <img alt="식 (35)" src="/files/ftp_upload/53461/image035.jpg" /> 수식을 이용하여 <img alt="식 (36)" src="/files/ftp_upload/53461/image036.jpg" /> . </li><li> 탄성 정수를 계산 <img alt="식 (37)" src="/files/ftp_upload/53461/image037.jpg" /> 수식을 사용하여 : <img alt="식 (38)" src="/files/ftp_upload/53461/image038.jpg" /> . 이 ∞ m 대칭으로 PZT의 샘플에 대한 공식이다. &lt;/ 리&gt; <li> 샘플의 표면 상에, Z 전단 변환기 (5 메가 헤르츠)를 놓는다. 비행의 왕복 시간을 기록 <img alt="식 (39)" src="/files/ftp_upload/53461/image039.jpg" /> 디지털 오실로스코프를 사용하여 Z 방향을 따라 전단 파. 음속 계산 <img alt="식 (40)" src="/files/ftp_upload/53461/image040.jpg" /> 수식을 사용하여 : <img alt="식 (41)" src="/files/ftp_upload/53461/image041.jpg" /> 및 탄성 정수를 결정 <img alt="식 (42)" src="/files/ftp_upload/53461/image042.jpg" /> 수식을 사용하여 : <img alt="식 (43)" src="/files/ftp_upload/53461/image043.jpg" /> . </li></ol> 3. 유전 상수의 온도 의존성을 측정 <ol><li> 브러쉬를 사용하여, X 방향에서 샘플의 양면에 전도성 실버 페인트의 박층을 적용한다. 동일한 샘플이 개방 회로 상태에서 나중에 RUS 측정을 위해 사용될 수 있도록 페인트를 쉽게 닦아 수있다. </li><li> 기음제어 컴퓨터에 임피던스 분석기를 connect를 모두 켭니다. </li><li> 시작을 설정하고 주파수 스캔, 각각 10 MHz 및 40 MHz의에 임피던스 분석기의 주파수를 중지합니다. 유전율이 PZT의 샘플 &gt;&gt; 한 것이므로, 유전율을 계산 <img alt="식 (44)" src="/files/ftp_upload/53461/image044.jpg" /> 평행 평판 근사치를 사용 <img alt="식 (45)" src="/files/ftp_upload/53461/image045.jpg" /> 여기서, 정전 용량 <img alt="식 (46)" src="/files/ftp_upload/53461/image046.jpg" /> 35 MHz에서 측정하고, A는 전극 면적이고, t는 시료의 두께이다. </li><li> 임피던스 분석기의 4 단자 쌍의 포트에 16048A 어댑터를 연결합니다. </li><li> 교정 메뉴를 표시 임피던스 분석기의 CAL 키를 누릅니다. </li><li> 4TP 1M를 시작 메뉴에서 설정 어댑터를 표시하고 선택할 수있는 어댑터 키를 누릅니다. </li><li> Lcur 및 Lpot 용어를 연결04294-61001의 Hpot 및 Hcur 단자에 16048A에 inals. 다른 단자는 개방 회로 상태로 남아있다. </li><li> 어댑터 설정 메뉴를 표시 SET의 OFUP 키를 누릅니다. </li><li> [-] 위상 보정 데이터 측정을 시작하는 키 PHASE의 COMP를 누릅니다. 위상 보상 데이터 측정이 완료되면, 소프트 키 라벨 변경 COMP, 위상 [DONE]. </li><li> 04294-61001에 Lcur, Lpot, Hpot 및 Hcur 단자에 16048A에 Lcur, Lpot, Hpot 및 Hcur 단자를 연결합니다. </li><li> [-] 측정을 시작하는 키 LOAD를 누릅니다. 로드 데이터 측정이 완료되면, 소프트 키 라벨의 변화가로드 [DONE]. </li><li> 임피던스 분석기에 고정을 연결하고, 개방 회로 조건에 보관합니다. </li><li> , CAL 키를 눌러 다음기구 보정 메뉴를 표시 할 수있는 소프트 키를 고정 COMPEN를 누릅니다. </li><li> [-] 개방 회로 데이터 측정을 시작하는 키 OPEN을 누릅니다. 로드 데이터 측정이 완료되면, SOFt 키 레이블 변경 [ON]을 엽니 다. </li><li> 양극 및 음극 리드 사이에 구리선을 배치하여 짧은 정체. </li><li> [-] 쇼트 데이터 측정을 시작하는 키를 짧게 누릅니다. 로드 데이터 측정이 완료되면, 짧은에 소프트 키 레이블 변경 [ON]. </li><li> 조명기에 100 Ω 저항을 수정합니다. 다음 키 X1을 눌러 100을 입력 소프트 키 값을 정의 다음 레지스트 LOAD 키를 누릅니다. </li><li> 는 LOAD 키를 누릅니다. 로드 데이터 측정이 완료되면 소프트 키 레이블 변경 [ON]로드합니다. 지금 교정 완료된다. </li><li> 다음의 온도 챔버로 전체 어셈블리를 넣어 고정에 샘플을 넣고 문을 닫습니다. </li><li> 임피던스 분석기 패널의 키 MEAS를 누르고, 선택 <img alt="식 (47)" src="/files/ftp_upload/53461/image047.jpg" /> . </li><li> 지배 컴퓨터를 사용하여 20 ° C의 챔버 온도를 설정합니다. </li><li> 에 접속 컴퓨터에 설치된 스프레드 시트 소프트웨어를 열고임피던스 분석기 읽고 임피던스 분석기로부터 기록 데이터. </li><li> 컴퓨터에서 소프트웨어를 사용하여 용량 데이터를 읽고 파일로 측정 결과를 저장합니다. </li><li> 챔버의 조작부의 UP 키를 눌러 5 ° C의 온도로 공정 챔버의 온도를 변경한다. 챔버 온도 후 각 온도 증가의 단계를 반복 3.23이 안정된다. </li><li> 클램핑 유전율의 온도 의존성을 결정 <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> 용량은 거의 주파수 독립이되는 35 메가 헤르츠의 캐패시턴스 값을 이용하여 병렬 커패시턴스 공식에 따라. </li><li> 각각 1 kHz와 10 kHz로 시작 및 정지 주파수를 재설정합니다. </li><li> 반복 샘플의 저주파 커패시턴스의 온도 의존성을 측정하기 3.21-3.24 단계. 측정 결과를 저장합니다. </li><li> 자유 diel의 온도 의존성을 결정ectric 일정 <img alt="식 (48)" src="/files/ftp_upload/53461/image048.jpg" /> 1 kHz에서 저주파 용량을 사용. </li><li> 아세톤을 이용하여 시료 표면에 전도성 실버 페인트를 제거한다. </li><li> 폴링의 z 방향을 따라 두 개의 샘플 표면에 전도성 실버 페인트를 적용합니다. </li><li> 반복 3.3-3.28 단계를 반복합니다. 클램프 무료 유전 상수의 온도 의존성을 결정 <img alt="식 (49)" src="/files/ftp_upload/53461/image049.jpg" /> 과 <img alt="식 (50)" src="/files/ftp_upload/53461/image050.jpg" /> . </li></ol> 실내 온도와 모드 식별 4. 공명 주파수 측정 <ol><li> 공명 주파수를 측정한다. <ol><li> 송신 만 샘플 (그림 2)의 반대 모서리에 연락처와 함께 RUS 시스템의 수신 센서 사이에 샘플을 넣습니다. 연락처로드 소프트 스프링하며 가해진 압력이 매우 조명 관리 유의t는 충분히 장소에서 샘플을 개최합니다. 따라서, 어떠한 손해가 접촉에 의해 발생되지 않습니다. </li><li> 동적 공진 시스템 (그림 2)에 연결된 컴퓨터를 켭니다. </li><li> 동적 공진 시스템의 제어 인터페이스를 실행. 시작 주파수 (f) (1)이 F 정지 주파수 및 N은 수집 될 데이터 요소의 총 개수를 설정한다. / N은 0.1 kHz의 인 주파수 해상도를 보장하기 위해 - (F 2 1 F)되도록 N을 선택합니다. 이 예제를 들어, 1 = 200 kHz에서, F 2 = 450 kHz와 N = 8192 f를 설정합니다. </li><li> 실온에서,이 주파수 범위에서 시료의 공진 주파수를 측정하고 파일로 스펙트럼을 저장한다. </li><li> 파일에 측정 결과의 수출 ASCII 데이터입니다. </li><li> 데이터 플로팅 소프트웨어와 ASCII 데이터를 엽니 다. 데이터 매트릭스의 제 1 및 제 2 열은 RESPO의 실수 부 및 허수 부를 나타낸다각각 NSE. </li></ol></li><li> 측정 된 공명 주파수에 대한 대응 모드를 식별합니다. <ol><li> 주파수 진폭 곡선 (도 3)를 그린다. 피크는 샘플의 주파수를 공진에 대응한다. </li><li> 측정 된 실내 온도 풀 세트 텐서 상수를 사용하여 공진 주파수를 계산합니다. 값 <img alt="식 (6)" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="식 (7)" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="식 (10)" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> 단계 2.4-2.8로 결정 하였다. 값 <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> 과 <img alt="식 (4)" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> 단계 3.25와 3.31로 결정 하였다. 식으로 전단 압전 상수 e (15)을 결정합니다 : <img alt="식 (51)" src="/files/ftp_upload/53461/image051.jpg" /> . 초기 입력 발을 추정의 단말 <img alt="식 (52)" src="/files/ftp_upload/53461/image052.jpg" /> , <img alt="식 (53)" src="/files/ftp_upload/53461/image053.jpg" /> 몇몇 샘플로부터 합성 기술을 사용하여 측정 된 재료 상수에 따라 전자 (31)와 E (33). 각 모드의 공진 주파수를 계산하는 방정식으로 주어진 참조된다. 6. </li><li> 상기 측정 된 공진 주파수에 대한 대응하는 모드를 식별하기 위해 이들 측정들과 계산 된 공진 주파수를 비교한다. </li><li> 의 추측 값을 변경 <img alt="식 (71)" src="/files/ftp_upload/53461/image071.jpg" /> , <img alt="식 (9)" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> 전자 (31)와 전자 (33)는 반복적으로 계산하고 측정 된 공진 주파수 사이의 전체 글로벌 오류를 최소화합니다. 원하는 정확도에 도달하면 반복이 중지됩니다. </li></ol></li></ol> 5. 공명 스펙트럼 Measu높은 온도에서 시작될 수 및 전체 집합 재료 정수의 온도 의존성의 측정 <ol><li> 고온에서 시료의 공진 주파수를 측정한다. <ol><li> 공기로 (그림 4)에 샘플 홀더 어셈블리를 넣습니다. RUS가 시스템 어셈블리를 연결하기 위해 노 벽에 구멍을 통해 두 고온 동축 케이블 와이어를 사용한다. </li><li> 단지 샘플의 양 모서리에 전송 및 연락처와 노 이미 트랜스 듀서를 수신 사이에 샘플을 넣습니다. </li><li> 실제 온도 독서에 대한 샘플 근처 열전대를 넣습니다. 노의 외부 온도계 열전대를 연결합니다. </li><li> 노 문을 닫습니다. </li><li> RUS가 시스템의 제어 인터페이스를 켭니다. 200 kHz에서 450 kHz에서 각각 8,192 및 데이터 포인트의 수의 시작 및 정지의 주파수를 설정한다. </li><li> 의 RUS 시스템 측정 소프트웨어를 실행 공진 FRE을 측정샘플의 수신 세기와 파일에 결과를 저장합니다. </li><li> ΔT = 5 ° C의 단계로 샘플의 온도를 높입니다. 원하는 온도에 도달 할 때까지 반복 5.1.6. 다른 이름으로 저장된 각 파일을 지정합니다. 주 : 온도 상한은 연결 와이어 및 센서에 의해 결정된다. 여기서, RUS 유닛은 200 ℃의 온도 상한이있다. </li></ol></li><li> 전체 세트 재질 상수의 온도 의존성을 결정합니다. <ol><li> 반복 다른 온도에서 설정 한 모든 데이터에 대한 4.1.5, 4.1.6와 4.2.1 단계를 반복합니다. </li><li> 각각의 공진 주파수의 모드를 확인합니다. 다음 온도 T + ΔT에 대한 기준으로서, 온도 T에서 확인 모드를 사용한다. </li><li> 간단한 함수로, 각 모드에 대응하는 상기 측정 된 공진 주파수의 온도 의존성을 장착한다 (예를 들어, 선형 또는 이차 함수) 소프트웨어를 사용하여 플로팅. </li><li> 착용감의 전체 세트의 재료 상수를 결정RUS가 이전 버전과의 문제를 해결하는 자기 기록 된 컴퓨터 프로그램 (그림 5, 그림 6)를 사용하여 각각의 온도에서 테드의 공진 주파수. 주 : 식별 모드의 공진 주파수는 수치 계산에 대한 입력 매개 변수로 작용한다. 공진 주파수의 재료 정수를 결정하는 절차는 편차 함수의 로컬 마이저를 찾는 비선형 최소 제곱 문제 <img alt="식 (54)" height="30" src="/files/ftp_upload/53461/image054.jpg" width="135" /> 여기서 <img alt="식 (55)" src="/files/ftp_upload/53461/image055.jpg" /> 계산 된 공진 주파수는, <img alt="식 (56)" src="/files/ftp_upload/53461/image056.jpg" /> 측정 결과에서 장착 공진 주파수이고, 그리고 w는 가중 인자이다. 측정 된 공진 주파수에서 알 수없는 물질 상수의 계산을위한 컴퓨터 코드는 L합니다 (개의 Levenberg-Mauquardt을 기준으로 작성되었습니다LM 알고리즘을 구현할 때 M) 알고리즘 (8)와 MINPACK 9 일부 FORTRAN 서브 루틴 호출했다. </li></ol></li><li> 전체 세트 재질 상수의 자기 일관성을 확인합니다. <ol><li> 유리 유전 상수를 계산 <img alt="식 (48)" src="/files/ftp_upload/53461/image048.jpg" /> 과 <img alt="식 (50)" src="/files/ftp_upload/53461/image050.jpg" /> 와 반전 결과에서하면 (그림 7) 10 직접 측정 사람과 비교. </li><li> 그들은 예를 들면, 열역학적 안정성의 조건을 준수 있는지 여부를 설정 한 데이터를 점검 <img alt="식 (58)" src="/files/ftp_upload/53461/image058.jpg" /> PZT 케이스. </li><li> 사용하는 (D) (15)의 계산 값을 비교 <img alt="식 (59)" src="/files/ftp_upload/53461/image059.jpg" /> 및 <img alt="식 (60)" src="/files/ftp_upload/53461/image060.jpg" /> 및 D (33)의 값을 산출사용 <img alt="식 (61)" src="/files/ftp_upload/53461/image061.jpg" /> 과 <img alt="식 (62)" src="/files/ftp_upload/53461/image062.jpg" /> . 주 :이 관계는 다른 대칭성에 따라 다를 것이지만, 원리는 동일하다. 상대 에러 예측과 측정 량 간의 5 % 미만의 경우, 일반적으로, 그 결과 자기 일관성 (11)으로 간주된다. 양이 다른 공식 4,11을 사용하여 계산하는 경우 일부 게시 된 데이터에서, 심지어 기호는 잘못된 것입니다. </li></ol></li></ol>

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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. 정밀하게 탄성 정수를 측정하는 것이 중요 <img alt="식 (6)" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="식 (7)" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> 과 <img alt="식 (10)" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> 실온에서 초음파 펄스 에코 법에 의해서. 많은 계산 모드의 공진 주파수는 다음에 민감하기 때문에 그렇지 모드 ...

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<html> 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 <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> 과 <img alt="식 (4)" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> 커패시턴스 측정치로부터 직접 측정 한 유리 유전 상수 반면OAD / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt;와 <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> 동시에 측정 데이터 일관성 검사를 사용 하였다. 일정한 전계 강도의 탄성 상수의 온도 의존성 <img alt="식 (6)" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="식 (7)" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="식 (8)" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="식 (9)" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> 과 <img alt="식 (10)" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> 및 응력 압전 상수 (15), 전자 (31)를 E 및 예 33과 동일한 샘플을 사용하여 RUS 기술에 의해 결정 하였다.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>파라핀</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>전도성 실버 페인트</td><td>MG 화학 물질</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 분말</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>커플링 그리스</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파​​ 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

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 <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> 과 <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> 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.

반전에 사용되는 LM의 알고리즘은 극소 파인더이다. 따라서, 강성, 탄성 상수의 초기 값 <img alt="식 (6)" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="식 (7)" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="식 (8)" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="식 (9)" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> 및 <img alt="식 (10)" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> 및 압전 상수, 전자 (15), 전자 (31)와 전자 (33)는 그들의 진정한 값에서 합리적인 범위 내에...

이 프로토콜은 공진 초음파 분광법(RUS)을 사용하여 압전 재료의 전체 세트 재료 상수의 온도 의존성을 측정하는 절차를 설명합니다.

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

본 공명 초음파 분광법의 전반적인 목표는 단 하나의 시료만을 사용하여 압전 재료의 완전한 재료 상수 세트와 그 온도 의존성을 측정하는 것입니다. 전기전자공학회(IEEE)의 압전 표준에서 정의하는 임피던스법은 압전 재료의 완전한 재료 상수 세트를 측정하기 위해 서로 다른 기하학적 구조를 가진 5~7개의 시료를 필요로 합니다. 공명 초음파 분광법의 주요 장점은 단일 시료로부터 전체 텐서 특성을 얻을 수 있어, 시료 간 편차로 인해 발생하는 불일치를 방지할 수 있다는 점입니다.이 방법을 통해 획득한 데이터는 유한요소법을 사용하여 전기 기계 장치의 성능을 시뮬레이션하고, 고온에서의 성능 저하를 정량화하는 것을 가능하게 합니다. 먼저, 금속 막대와 샘플을 약 60 °C로 가열하여 매우 얇은 왁스 층을 이용해 직사각형 평행 파이프를 PZT-4 세라믹 샘플의 금속 막대 바닥 표면에 접착합니다. 실온으로 냉각한 후, 막대를 외경이 더 큰 금속 실린더에 단단히 끼워 실린더 바닥 표면과 샘플을 함께 연마함으로써 샘플 표면의 평탄도를 보장합니다. 플렉시글라스 플레이트를 수돗물로 적시고, 젖은 표면 위에 6 µm 산화 알루미늄 분말을 뿌립니다.샘플이 부착된 샘플 홀더를 플렉시글라스 판 위에 놓고, 원을 그리듯 움직여 샘플 표면을 평평하게 연마합니다. 그런 다음 플렉시글라스 판과 샘플 홀더를 수돗물로 충분히 세척합니다. 이어서 젖은 플렉시글라스 판 위에 3 Micron 산화알루미늄 분말을 뿌리고 연마 과정을 반복하여 샘플 표면을 매끄럽게 만듭니다.유리판과 샘플 홀더를 수돗물로 깨끗이 세척합니다. 어셈블리를 약 60 °C로 가열하여 왁스를 녹인 후 홀더에서 샘플을 들어 올립니다. 작업이 끝나면 아세톤으로 샘플 표면에 남은 왁스를 제거합니다.15 megahertz 종파 트랜스듀서와 디지털 오실로스코프를 펄서 수신기에 연결합니다. 다음으로, 트랜스듀서와 샘플 표면 사이에 커플링 그리스를 도포한 후, X 방향을 따라 트랜스듀서를 샘플 표면 위에 놓습니다. 디지털 오실로스코프 제어 패널의 커서 키를 누릅니다.그런 다음, 사이드 메뉴 버튼 V bars를 누르고 범용 노브를 돌려 하나의 커서 라인을 첫 번째 에코 신호의 가장 높은 피크로 이동시킵니다. 이 상태에서 Select 키를 누르고 범용 노브를 돌려 다른 커서 라인을 두 번째 에코 신호의 해당 피크로 이동시킵니다. 화면의 위쪽 삼각형으로 표시된 위치의 수치를 읽으며, 이 값은 X축을 따라 진행하는 종파 펄스의 왕복 비행 시간입니다.임피던스 분석기를 제어 컴퓨터에 연결하고 두 기기의 전원을 켭니다. 그런 다음 분석기에 연결된 고정 장치(fixture)에 샘플을 삽입하고, 전체 어셈블리를 온도 챔버 안에 넣습니다. 온도 챔버를 닫은 후, 임피던스 분석기 패널의 Meas 키를 누르고 CP-D를 선택합니다.다음으로, 제어 컴퓨터를 사용하여 챔버를 20 °C로 설정합니다. 스프레드시트 소프트웨어를 열어 정전용량 데이터를 읽습니다. 그런 다음, 결과를 파일로 저장합니다.이후 임피던스 분석기 패널의 위쪽 키를 눌러 챔버 온도를 변경합니다. 챔버 온도가 안정화되면 각 온도 증분마다 이전 단계를 반복합니다. 이 시점에서 시료의 서로 반대쪽 모서리 부분만 접촉하도록 공진 초음파 분광 시스템의 송신 및 수신 트랜스듀서 사이에 시료를 배치합니다.소프트웨어 파일 DRS.exe를 더블 클릭하여 동적 공명 시스템의 제어 인터페이스를 실행합니다. 시작 주파수, 종료 주파수 및 수집할 총 데이터 포인트 수를 설정합니다. 상온에서 해당 주파수 범위 내 샘플의 공명 스펙트럼을 측정하고, 스펙트럼을 파일로 저장합니다.이미 가열로 안에 설치되어 있는 송신 및 수신 트랜스듀서 사이에 샘플을 배치하며, 샘플의 대각선 모서리 부분만 접촉하도록 합니다. 그 후, 공진 초음파 분광법(resonance ultrasound spectroscopy) 시스템 측정 소프트웨어를 실행하여 샘플의 공진 주파수를 측정합니다. 그다음, 측정 결과를 파일로 저장합니다.샘플의 온도를 5 °C 단계로 높입니다. 원하는 온도에 도달할 때까지 이전 단계를 반복합니다. PZT-4 세라믹 샘플의 경우, 탄성 계수 C11E, C33E 및 C44E는 온도에 따라 증가합니다.탄성 계수 C12E 및 C13E는 20에서 120 °C 범위 내에서 온도에 거의 영향을 받지 않는 반면, 압전 계수 E33, E31 및 E15는 온도 의존성이 강하게 나타납니다. 측정된 유전율과 이 방법으로 얻은 전체 재료 상수 세트를 기반으로 계산된 예측값은 매우 우수한 일치도를 보입니다.한 세트의 공식으로 계산한 압전 상수 D15 및 D33과 다른 세트의 공식으로 계산한 값 또한 서로 잘 일치하는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 PZT-4 세라믹 시편에 대해 얻은 전체 재료 상수 세트가 20에서 120 °C의 온도 범위에서 매우 높은 자기 일관성을 가짐을 확인시켜 줍니다. 이 RUS 기술을 통해 고온에서 전 텐서 특성을 자기 일관성 있게 측정할 수 있으며, 이는 소자 시뮬레이션 분야의 연구자들이 전기 기계 소자의 실제 성능, 특히 작동 중 열 발생에 따른 성능 저하를 예측할 수 있는 가능성을 탐구하는 길을 열어주었습니다.이 영상을 시청한 후에는 고온에서 공명 초음파 분광법 측정을 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 핵심은 상온에서 신뢰할 수 있는 상수 집합을 획득한 다음, 상온 데이터를 기반으로 고온에서의 전체 텐서 특성을 유도하는 것입니다.

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연구

JoVE Journal

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