1、中华人民共和国国家标准压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11312-89 Test methods for SAW properties of piezoelectric ceramics and crystals 本标准规定了压电陶瓷材料和压电晶体声表面波速度、声表面波机电桐合系数、声表面被速度温度系数和延迟时间的温度系数的测试方法，适用于压电陶资材料和压电晶体。1 名词术语本标准所采用的名词术语及符号定义见GB3389.1压电陶资材料性能测试方法常用名词术语和GB/T 12633压电晶体性能测试术语。2 原理本标准采用脉冲重叠法先测出试样的延迟时间，再计算出压电陶瓷材料或压电
2、晶体的声表面波速度和其他参数。声表面波速度和延迟时间有如下关系：s V一（1 ) t 式中：U一一声表面放速度，m/s;s一一声表面波传播的距离，m;t一一延迟时间，s。声表面波机电捐合系数由下式决定： Ev一lJ0 I. -V、k; = 2(1 二千）二一（1一一一）1( 2 ) p v, v. 式中：k.一一声表面波机电桐合系数fC:o 一真空介电常数，F/m;；一一有效自由介电常数，F/m;v，一一自由表面的声表面波速度，m/s;u。一一金属化表面的声表面波速度，m/s。延迟时间温度系数定义为：主rM一K T . ( 3 ) 式中：TKt一延迟时间温度系数，KI ; t一延迟时间，s;T
3、一一温度，K。结合陶每材料和晶体的线膨胀系数可得到声表面波速度的温度系数：中华人民共和国机械电子工业部1989-03-04批准1990-01-01实施GB 11312-89 TKv =a -TKt 式中zTKv一一声表面波速度温度系数，K-1;a一陶瓷材料和晶体在声表面波传播方向上的线膨胀系数，KI; TKt一一延迟时间温度系数，K-1。脉冲重叠法测试延迟时间的原理如下：I o Il 一- 一- 一- 图l又指换能器示意图 ( 4 ) 设在试样表面有图1所示三个相同的声表面波叉指换能器。如在换能器I和E上同时输入一个射频脉冲信号，该信号的载波频率等于试样的中心频率，而脉冲重复频率与主控信号源的
4、输出信号同步。在换能器E上可输出具有一定时间差的两个主延时信号，将其输入示波器的Y轴。当与示波器X轴同步的主控信号源输出信号的周期刚好等于换能器I和E之间的延迟时间时，两个输出信号的波形正确重叠，即它们的载波自最初的第一个振荡开始，直到最后一个振荡为止，一一对应重叠起来，如图2所示。若主控信号的周期减小到l/m，同样能实现正确重叠。图2载披正确重叠波形延迟时间从正确重叠时的频率中求得z式中：t一一延迟时间，s;f m一一正确重叠时主控信号源的频率，Hz;m一一1、2、3系列正整数。3 测试条件3. 1 环境条件温度；2030相对湿度：45%75%气压：86106kPa m . ( 5 ) -
5、fm GB 11312-89 3.2 试样要求3.2. 1 基片的尺寸试样的基片为薄长条片。长度方向为声表面波传播方向，取能产生大于10.s总延迟的长度F宽度取叉指换能器声孔径2.53倍z厚度为0.82mm。基片的推荐尺寸见下表（长度和宽度尺寸中，小尺寸适用于压电陶瓷材料，大尺寸适用于压电晶体）。寸尺v, 3 000 m/s v，二月000mis 称名30 15/20 1 40/45 15/20 1 度度度长宽厚J . I吸声1材料基片的取向对于晶体，根据要求选择基片的切割方向和声表面波传播方向，通常选择晶体的纯模式方向进口，、“ 3. 2. 2 a. 行测试。切割方向和波的传播方向的定向精度
6、均应在5以内。b. 对于陶瓷，基片的厚度方向应与极化方向平行或垂直。3. 2. 3 基片的加工将基片的一个主平面抛光，粗糙度Ra不大于0.025 .m。背面打毛，粗糙度Ra为12.5 .m。3. 2. 4 试样的制备用光刻工艺在基片的抛光面上制备声表面波非色散延迟线，换能器示意图如图3所示。E l- - m . II I c 金属化麦丽A 图3测试用换能器示意图图3中所有换能器的结构完全相同，中心频率根据材料和试样厚度而定，3dB带宽大于25%；换能器的声孔径与波长之比应大于20；换能器I和E之间的延迟时间大于4（陶资或6.s （晶体） JI和E之间大于3.s（陶瓷）或2（晶体），且A和B两路
7、相应换能器之间的距离应相等z金属化表面的长度应大于换能器I和E之间距离的三分之二；电极材料根据陶瓷材料和晶体而定，厚度为200300nm。测试方法4. 1 测试仪器连接示意图测试仪器连接示意图，如图4所示。，BEEF阳4 GB 11312-89 l 2 3 4 5 10 11 “ z 6 9 c 7 x y 8 图4测试仪器连接示意图1 主控信号源；2整形器；3分频器；4脉冲形成电路；5射频脉冲发生器；6恒温器；7试样盒；8一放大器；9一同步示波器F10 频率计；ll-c-增辉电路4.2 测试仪器及设备4.2. 1 主控信号源频率范围o.1 5 MHz，连续可调，频率瞬时稳定度优于1105，输
8、出波形为纯正弦波。4. 2. 2 整形器由施密特电路组成，输出与主控信号源同步的微分脉冲信号。4. 2. 3 分频器分频次数在8100之间可调的脉冲分频器。4.2.4 脉冲形成电路输出矩形脉冲信号，脉冲宽度0.11间，连续可调。1i. 2. 5 射频脉冲发生器B 输出载波频率等于试样的中心频率，脉冲重复频率受主控信号源控制的射频脉冲信号，其载频和脉冲包络之间应实现锁相。输出电压可调，最高峰峰电压不低于5V。4.2.6 恒温器控温偏差在士0.1 K以内，测温精度优于土o.1 Ko 4.2. 7 试样盒用良导热金属制成。4.2.8放大器放大倍数大于20dB的宽带放大器。4.2.9 同步示波器频率范
9、围大于试样的带宽范围，灵敏度高于10mV /cm具有X-Y操作档。4.2. 10 频率计测频精度优于1106。4. 2. 11 增辉电路输出与脉冲形成电路同步，延迟分别可调的双脉冲信号。脉冲宽度分别大于换能器E上两个主延时信号的宽度，输出幅度和极性应满足示波器对增辉电压的要求。4.3 测试步骤GB 11312-89 4. 3. 1 fm。的测试按图4连接好设备，将试样装入试样盒，接通A端。测温点穿过试样盒盖直接与试样表面接触，恒温器内温度调到T1（一般为室温），恒温15min后测试。示波器先置于扫描工作状态，显示出试样的各种输出信号。调节增辉电路的两路延迟，分别加亮两个主延时信号，抹去所有假响
10、应。然后将示波器转换到X-Y操作档，由低到高粗调主控信号源的频率，显示出两个主延时信号的波形第一次出现的包络重合。然后拉开波形，仅显示中间少数几个载波周期，仔细调节频率，实现载波正确重叠。再将频率增大到m倍，分别实现载波正确重叠，各次重叠时主控信号源的频率为fmo。4. 3. 2 fm1的测试换接B端，重复4.3. 1条测得fm1。4. 3. 3 fm2和fm3的测试将恒温器内温度先后调到T2和飞，分别重复4.3.2条测得fm2和fm3。计算温度系数时，一般以T1作为参考温度，则T2为低于1的某个温度，T3为高于T1的某个温度，T1、T2和飞的具体数值在材料标准中规定。4. 3. 4 4的测试
11、按GB2414压电陶瓷材料性能测试方法圆片的径向伸缩振动、长条的横向长度伸缩振动的规定，测试陶辑和晶体的e:Ix和4，并按下式计算有效自由介电常数：e: = （：采e:）t. ( 6 ) 式中：J一一有效自由介电常数，F/m;e:J.、4一陶瓷或晶体的自由介电常数分量，F/m。角标x表示与声表面波相速相同的方向，z表示与声表面波传播表面垂直的方向。4.3.5 a的测试按GB5594. 3电子元器件结构陶程材料性能测试方法平均线膨胀系数测试方法的规定，测试陶坚和晶体在声表面波传播方向的线膨胀系数。4. 3. 6 线度尺寸的测试用分度值优于0.01 mm的读数显微镜测量换能器I和E之间的中心距离和
12、金属休表面的长度。5 参数的计算5. 1 延迟时间接4.3. 1条测出fm。后，用下式计算延迟时间：t 1手mo一一一。Mf;:!.1 fm0 式中：t。一一试样A端在T1时的延迟时间，s;fmo二一测试to时的载波正确重叠频率，Hz;mo一一1、2、3M(M一般不大于5）。 ( 7 ) 以相同的方法，代入相应的载波正确重叠频率，可算得试样B端在T1时的延迟时间11, T2时的延迟时间t2和几时的延迟时间t3。延迟时间的最大测试误差为0.3 ns。5.2 声表面波速度为了修正叉指电极的影响，声表面波速度按下式计算：Ll v=-t1 (kb + l) - t0kb ( 8 ) 式中：v,自由表面
13、的声表面波速度，m/s;GB 11312-89 L一换能器I和E之间的中心距离，m;l一金属化表面的长度，m1t1 一试样B端在T1时的延迟时间，s;t。一一试样A端在T1时的延迟时间，的是一一一个叉指换能器的指条数pb一一一条指的宽度，m。5.3 声表面波机电捐合系数按式计算声表面波机电藕合系数（对于一般压电陶瞿材料，可将点2）简化为是：2写鸟，其中速度差的相对变化按下式计算z+ fL JJf 一V一二叽U- l kb一一 L L, ( 9 ) 式中：v.一一自由表面的声表面被速度，m/s;u。一一金属化表面的声表面波速度，m/s;h一一试样B端在T1时的延迟时间，s;to一一试样A端在T1
14、时的延迟时间，s;f一一金属化表面的长度，m;L一换能器I和E之间的中心距离，m;h一一一个叉指换能器的指条数；b一一一条指的宽度，m.5.4 延迟时间温度系数按下式计算延迟时间的温度系数z1 t. TKt土一二t1 T3 - T2 . ( 10 ) 延迟时间温度系数，K-1;试样B端在T1时的延迟时间，s;试样B端在T2时的延迟时间，s;试样B端在T3时的延迟时间，s;低于T1的某个温度，K;高于T1的某个温度，K。式中zTKt t1 t2 tTT 5.5 声表面波速度温度系数按式（4）计算声表面波速度温度系数。在严格制备试样的条件下，也可采用测试系统比较简单的正弦波相位干涉法测试延迟时间及
15、材料其他参数，见附录A。GB 11312-89 附录A正弦波相位干涉法（补充件A1 原理设有一列单频正弦信号同时输入图Al所示试样的换能器I和E，经不同的延迟到达换能器E的两列波间的相位差为： = 2ft ( Al ) 当满足：, 2ft= Zn ( AZ ) 时，换能器E输出信号的幅度为零。式中：一一两列被间的相位差，rad;f一一驱动频率，Hz;t一一延迟时间，的n一一0,1,2,3一系列正整数。I n E内皿一图Al正弦波相位干涉法用叉指换能器示意图改变频率，可以得到换能器E的频率响应，如图AZ所示，有一系列尖锐的谷点，设某个谷点fn Jn Jn. J 图AZ谷点频率示意图频率为人，与几
16、相邻的谷点频率为fu材和ln-I再增加或减少一个谷点的谷点频率分别为In十z和GB 11312-89 fn-2等。每个谷点频率对应一个n值，每两个相邻谷点间的相位差为衍。延迟时间从谷点频率中求得：n ( A3 ) - fn 其中：f n n一一ln+I - fn ( A4) 式中zt一延迟时间，问n一0、1、2、3一系列正整数zIn一一某个谷点频率，Hz;ln+1一一频率高于人并与之相邻的谷点频率，Hz.也可用图1所示试样测试，这时式（A3）中的n取0.5、1.5、2.5、3.5一系列数。A2 测试条件除在3.2. 4条的最后增加：“直通信号应抑制在主信号的50dB以下，三次渡越回波信号应抑制
17、在主信号的40dB以下”等内容外，其余均与正文第3章测试条件相同。A3 ;j!J试方法A3.1 测试仪器连接示意图测试仪器连接示意图如图A3所示。A I 2 c 1 3 4 8 6 5 图A3正弦摄相位干涉法测试仪器连接示意图1一信号源；2恒温器；3一试样盒；4放大器；5指示器；6频率计A3. 2 测试仪器及设备A3. 2. 1 信号源频率范围大于试样的带宽范围，连续可调，频率瞬时稳定度优于1105，输出波形为纯正弦波，谐波失真抑制大于30dB。A3. 2. 2 恒温器控温偏差在士0.1K以内，测温精度优于士o.1 K。A3. 2. 3 试样盒用良导热金属制成。A3. 2. 4 放大器放大倍数
18、大于20dB的宽带放大器。A3. 2. 5 指示器频率范围高于所测频率，灵敏度高。GB 11312-89 A3. 2. 6 频率计测频精度优于1io-s。A3. 3 测试步骤A3. 3. 1 凡。的测试按图A3连接好设备，将试样装入试样盒，接通A端。测温点穿过试样盒盖，直接与试样表面接触。恒温器内温度调到T1（一般为室温），恒温15min后测试。在试样带宽范围内，调节信号源的频率，测得组谷点频率凡。A3. 3. 2 九1的测试换接B端，重复A3.3. 1条测得另一组谷点频率fn1。A3. 3. 3 fn，和fn3的测试将恒温器内的温度先后调到Tz和叭，分别重复A3.3. 2条测得凡2和几3。计
19、算温度系数时，般以T1作为参考温度，则T2为低于T1的某个温度，T3为高于T1的某个温度，T1,T2和T3的具体数值在材料标准中规定。A4 参数的计算A4.1 延迟时间接A3.3. 1条测出凡。后，用下式计算延迟时间：式中：to一一试样A端在T1时的延迟时间，的儿。一fn。中的某个谷点频率，Hz;n。一一一习Jnof J也段jn 1旦。t - !:.2. 0 儿。 ( A5 ) no按式（A4）计算，由于频率测试有误差，所以算出的”。一般情况下不是整数。为了提高精度，用下式计算平均频率差：fn - Jn 8fo = . p -式中zfo /no 平均频率差，Hz;凡。中的某个谷点频率，Hz;f
20、no+p 一离fn0户个谷点的谷点频率，Hz;p-fno+o与人。相离的谷点数。( A6) p的大小根据试样换能器I和E之间的延迟时间，换能器带宽和测试精度等选定，一般为515个将测得的组谷点频率中的多对相离p个谷点的两个谷点频率，都算出它们的平均频率差，再求各平均频率差的平均值6.fo。以测得的每个谷点频率分别除以6.f。，并按四舍五入的原则取数，即为与每个谷点频率对应的n值。再用每个谷点频率与各自对应的n值分别按式（A5）计算延迟时间，取平均值即为最终结果。以相同的方法，代入相应的谷点频率，就可算得试样B端在T1时的延迟时间t1T2时的延迟时间tz和T3时的延迟时间t3。GB 11312-89 延迟时间的最大测试误差为0.3 ns。A4. 2材料其他参数声表面波速度、声表面波机电桐合系数、延迟时间温度系数和声表面波速度温度系数的计算方法分别与5.2、5.3、5.4和5.5条相同。附加说明：本标准由机械电子工业部第二十六研究所、电子标准化研究所负责起草。本标准主要起草人朱洪兴、张辉、王玉功、刘承钧、干昌明。
