1、中华人民共和国国家标准压电晶体电弹常数测试方法国家技术监督局 批准 实施本标准规定了铌酸锂钽酸锂等 点群压电晶体的弹性压电介电常数和机电耦合系数的测试适用于铌酸锂钽酸锂等 点群压电晶体名词术语本标准采用的名词术语的定义符号及单位见 压电晶体性能测试术语原理任意均匀各向异性无穷大的压电薄片其厚度模振子的谐振频率由 确定的方程式决定 高次泛音时为其中式中 第 次泛音谐振频率厚度泛音次数为奇次平面波相速度加电场激励无穷大的压电薄片可激发三个独立的振动模式分别产生三个独立的波式中 第 个振动模式的平面波相速度第 个振动模式的有效弹性常数密度由式 和式 得到有效弹性常数与谐振频率的关系式为式中 第 个振
2、动模式的有效弹性常数密度第 个振动模式的第 次泛音谐振频率厚度泛音次数为奇次同理有效弹性常数与反谐振频率的关系式为式中 第 个振动模式的有效弹性常数密度第 个振动模式的第 次泛音反谐振频率厚度泛音次数为奇次独立的电弹常数矩阵点群压电晶体独立的电弹常数矩阵如下其中测试用振子的振动模式切片 简称 片振子片振子在平行场 或 激励下可产生相速度相等的两个纯切变波 为两个具有同样频率常数的纯厚度切变振动模在垂直场 激励下产生一个纯纵波为纯厚度伸缩振动模 有效弹性常数分别为式中 片振子的三个有效弹性常数短路弹性劲度常数受夹介电常数压电应力常数压电应力常数 由下式求得式中 压电应力常数厚度伸缩机电耦合系数受
3、夹介电常数片振子第三个振动模式的有效弹性常数切片简称 片振子片振子在平行场 激励下 产生一个纯切变波 为纯厚度切变振动模 在垂直场 激励下产生一个准切变波和一个准纵波 为两个切变与伸缩振动相结合的振动模 有效弹性常数分别为式中 片振子的三个有效弹性常数短路弹性劲度常数压电应力常数受夹介电常数切片简称 片振子片振子在平行场 激励下 产生一个纯纵波为纯厚度伸缩振动模 在垂直场 激励下 产生两个纯切变波 为两个纯厚度切变振动模 有效弹性常数分别为式中 片振子的三个有效弹性常数短路弹性劲度常数压电应力常数受夹介电常数旋转 切片振子旋转 切片振子在平行场 激励下 产生一个纯切变波为纯厚度切变振动模 有效
4、弹性常数为式中 旋转 切片振子的第一个振动模式的有效弹性常数短路弹性劲度常数分别为 片绕 轴旋转 角后的方向余弦 即注 本标准未对旋转 切片振子在垂直场 激励下的振动模式进行分析棒振子棒在垂直场 激励下产生一个纯纵波 为纯横向长度伸缩振动模 短路弹性顺度常数 为式中 短路弹性顺度常数密度长度谐振频率横向长度伸缩机电耦合系数 为在一级近似下式中 横向长度伸缩机电耦合系数谐振频率谐振频率与反谐振频率之差压电应变常数 为式中 压电应变常数横向长度伸缩机电耦合系数自由介电常数短路弹性顺度常数测试条件环境条件温 度相对湿度 气 压试样试样切型试样切型示意图如图 所示图 试样切型图铌酸锂晶体的 试样推荐
5、钽酸锂晶体的 试样推荐试样尺寸和激励电场试样尺寸和激励电场见表试样加工要求定向精度在 以内 各薄片两大面的平行度应不大于表片号名称尺寸要求 激励电场激励方向推荐尺寸方向 方向 方向片垂直平行 或片垂直平行片垂直平行旋转 切片 平行棒 垂直试样电极的制备厚度模试样电极结构示意图如图 图中阴影部分为真空蒸镀的银或金 电极 图 是压电片上 下两面为满电极的结构图图 是压电片除中间一环状部分未镀电极外其余部分全镀有电极的结构图 中间环状未镀电极部分的宽度尺寸推荐为 横向长度伸缩模试样的电极结构与图相同图 厚度模试样电极结构示意图测试前试样的准备试样应保持清洁干燥 在本标准规定的环境条件下放置 后进行测
6、试测试方法自由电容的测试测试仪表电容测试范围 测试精度优于 电容测试频率测试步骤将被覆垂直场激励电极的 片 或 片 片分别置于电容测试仪上 在频率为 时分别测试试样的自由电容 自由介电常数 由下式求得式中 自由介电常数自由电容厚度压电片一个电极面的面积受夹电容的测试测试仪表电容测试范围 测试精度优于 电容测试频率测试步骤将被覆垂直场激励电极的 片 或 片 片分别置于电容测试仪上在频率为 时分别测试试样的受夹电容 受夹介电常数 由下式求得式中 受夹介电常数受夹电容厚度压电片一个电极面的面积谐振频率 反谐振频率的测试测试装置用传输线路法测试谐振频率反谐振频率的测试装置示意图如图图 测试装置示意图信
7、号发生器 检测器 频率计 转换开关电阻 分布电容注 谐振频率反谐振频率的测试也可采用带有扫频仪直观显示的传输线路法装置测试仪表信号发生器频率范围 频率瞬时稳定度优于 输出波形为纯正弦波 谐波失真抑制大于 输出最大有效电压值不小于频率计测频精度优于检测器电压测量范围 频率范围宽于所测频率范围传输器传输器是由传输网络屏蔽外壳 试样夹具等组成 传输网络中电阻 的阻值应与信号发生器的输出阻抗相匹配 两点间的分布电容应远小于试样的自由电容 即 分布电容 的电抗分别远大于电阻 即 电阻 阻值可调 一般分等多档屏蔽外壳具有良好的高频屏蔽性能 连接各仪表的高频电缆应尽量短 接头采用高频接插件夹具与屏蔽外壳之间
8、用高频损耗小的材料 如聚四氟乙烯隔离试样夹具既要稳固地夹住试样 使其与试样电极面接触良好又要使试样处于自由振动状态 夹具与试样接触面的直径为测试步骤按图 接入试样 棒应夹在其节点处 将电阻 调到较小值测试厚度模试样时一般将调到 测试横向长度伸缩模试样时一般将 调到 在该试样的基音频率附近 调节信号发生器的频率使检测器指示最大 此时所测频率为最大传输频率 然后将电阻 调到较大值 一般调到 并调高信号发生器的频率使检测器指示最小 此时所测频率为最小传输频率在一级近似下最大传输频率最大导纳最小电导 频率串联谐振最大电导频率谐振频率零电纳电导大最小传输频率最小电纳 最大阻抗频率并联谐振最大电阻频率反谐
9、振频率零电抗 电阻大将 或 扩大 倍 在其附近分别测出一系列泛音的谐振频率 或反谐振频率对被覆平行场激励电极的 片 片 片和旋转 切片 分别测出一系列泛音的谐振频率对被覆垂直场激励电场的 片 片分别测出一系列泛音的反谐振频率对被覆垂直场激励电极的 片 测出基音 三次五次 七次泛音的谐振频率和一系列泛音的反谐振频率对被覆垂直场激励电极的 棒 测出基音谐振频率和反谐振频率密度的测试按 压电陶瓷材料体积密度测量方法 测试试样的体积密度试样尺寸的测量用精度不低于 的量具 测量试样的长度和宽度 用精度不低于 的量具 测量试样的厚度参数的计算部分参数的计算部分参数的计算程序见图 各个参数前标出了此参数计算
10、公式的编号或所查表的表号 表 或表例如计算参数见图 从公式 求得 即因此要计算 必须先求出 和 从图 可知 取被覆垂直场激励电极的 片测出自由电容 用公式 计算 取被覆垂直场激励电极的 棒测出基音谐振频率和反谐振频率 用公式计算 用公式 或查表 确定 最后将 和 代入公式 计算出参数其他常数的计算其他常数的计算见表图 部分参数的计算程序图表 与泛音比关系的数值表续表表 与 关系表续表续表续表续表表 其他常数的计算公式序号名称 矩阵形式 符号 计 算公式单位短路弹性劲度常数压电应力常数介质隔离 率压电劲度常数续表序号名称 矩阵形式 符号 计 算公式单位短路弹性顺度常数压电应变常数压电电压常数开路弹性劲度常数续表序号名称 矩阵形式 符号 计 算公式单位开路弹性顺度常数附加说明本标准由中华人民共和国机械电子工业部提出本标准由机械电子工业部电子标准化研究所归口本标准由电子标准化研究所二十六研究所起草本标准主要起草人肖声质朱洪兴 刘鸿举何大珍刘承钧
