Название: Интегральные устройства радиоэлектроники( Е.Г. Касаткина,Плавский Л.Г)

Жанр: Информатика

Просмотров: 1249


Лабораторная работа  № 3

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

МОНОЛИТНЫХ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

 

1. Цель работы

Ознакомиться с методикой проектирования монолитных пьезокерамических фильтров.

 

2. Краткие теоретические сведения

 

2.1. Сегнетокерамика в качестве пьезоэлемента

Пьезоэлектрическая керамика, появившись значительно позже пьезэлектриков, довольно быстро потеснила их во многих практических применениях и, в частности, в качестве элементов фильтров. Дело в том, что искусственное выращивание больших механически  и термически прочных монокристаллов довольно дорого, а в ряде случаев и практически неосуществимо, к тому же последующая обработка резонаторов несопоставима по сложности и применяемому оборудованию и здесь преимущества пьезокерамики весьма ощутимы. Элементы, изготовленные из пьезокерамики, сособны выдерживать несоизмеримо, по сравнению с элементами, изготовленными из монокристаллов, большие уровни мощности, что и предопределило их широкое использование.

Поскольку пьезокерамика является поликристаллической структурой, то без специальной обработки в ней не появляется пьезоэффект. На кристаллах, составляющих керамику, будут под воздействием механического напряжения возникать электрические заряды, точнее электрический момент, зависящий от ориентации кристалла и приложенного механического напряжения, но из-за хаотического расположения кристаллов суммарный электрический момент на гранях керамики будет равен нулю. Пьезокерамическую керамику можно изготовить лишь из сегнетоэлектрических соединений, так как для их кристаллической решетки характерен постоянный дипольный момент, который под действием достаточного внешнего поля может менять свое направление. Именно поэтому у сегнетокерамики при приложении достаточно большого внешнего поля происходит переориентация электрических моментов отдельных доменов, а образец в целом буде обладать отличным от нуля дипольным моментом (остаточной поляризацией) и, как следствие, пьезоэффектом.Сегнетоэлектрическое состояние, как правило, возникает ниже определенной температуры (температуры Кюри).

Остаточная поляризация в поликристаллическом теле позволяет изготавливать из сегнетоэлектриков пьезоэлектрическую керамику, однако это возможно только для тех сегнетоэлектриков, которые не разлагаются при высоких температурах.

Пьезокерамика является неоднородной системой, содержащей наряду с основной сегнетоэлектрической фазой поры и включения других фаз. Составляющие ее кристаллы из-за условий их образования и роста имеют различные размеры, форму и дефекты кристаллической решетки. Из-за этого и ряда других причин диэлектрические, сегнетоэлектрические и пьезоэлектрические свойства керамики отличаются от соответствующих свойств монокристаллов того же химического состава. Так как величина остаточной поляризации и, следовательно, величина пьезоэффекта зависит от режимов поляризации и способа получения образца, значения основных физических параметров образцов одного состава имеют часто большие разбросы, особенно при различиях в технологии изготовления керамикию Этим объясняется большое различие параметров сегнетокерамики, приводимых в различных литературных источниках.

Титанат бария является первым сегнетоэлектриком, у которого были открыты пьезэлектрические свойства. До настоящего времени это один из наиболее широко используемых материалов в производстве пьезокерамических фильтров. Его химическая формула , температура Кюри , выше этой температуры титанат бария имеет кубическую форму решетки, ниже  - тетрагональную структуру. На величину диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь поляризованной керамики титаната бария значительное влияние оказывает температура, кроме того отмечено, что диэлектрическая проницаемость снижается с ростом частоты, угол диэлектрических потерь возрастает.

Пьезокерамика титаната бария находит применение в приборах и устройствах, используемых при температурах до  и в тех случаях, когда к пьезоэлементам не предъявляются жесткие требования по температурной стабильности частоты и чувствительности.

Титанат бария и титанат кальция образуют ряд твердых растворов . По сравнению с титанатом бария они имеют более широкий интервал рабочих температур. В материале  точка фазового перехода сдвигается в область более низких температур, тем самым расширяя интервал рабочих температур. Точка Кюри у этих материалов лежит в пределах .

Большую температурную стабильность и более широкий интервал рабочих температур имеют твердые растворы  . В таких тройных составах путем замещения титаната бария титанатом свинца при постоянном содержании титаната кальция и определенном интервале концентраций, можно получить пьезокерамические материалы с температурой Кюри более и рабочей температурой до . Пьезоэлементы из таких материалов имеют низкую диэлектрическую проницаемость и пьезомодуль радиальных колебаний, но при увеличенном содержании титаната бария у составов с пониженным содержанием титаната кальция эти параметры выше. Наиболее оптимальным для промышленности является состав , имеющий лучшую стабильность в интервале рабочих температур.

К ниобатным материалам относится керамика ниобата бария – свинца. Ниобат бария  и метаниобат свинца  образуют ряд твердых растворов .

Основой пьезокерамических материалов ниобатной системы является метаниобат свинца, имеющий две модификации. Первая отностися к кислородно-октаэдрическим сегнетоэлектрикам, вторая с ромбоэдрической деформированной дефектной структурой типа перовскита не обладает сегнетоэлектрическими свойствами. В твердых растворах  температура Кюри повышается до  при повышении содержания метаниобата бария до 40\%.

К пьезокерамическим материалам системы ЦТС относят твердые растворы цирконата свинца  и титаната свинца  с малыми добавками трех и пятивалентных элементов и частичным замещением свинца стронцием. При содержании более 10 мол.\% они являются сегнетоэлектриками.

На основе твердых растворов  материалы системы ЦТС обладают высокими пьезоэлектрическимим свойствами и высокой точкой Кюри. Коэффициент электромеханической связи достигает 0.5 и более.

Введение в твердые растворы  модифицирующих добавок имеет практическое знрачение, так как, например, при введении в цирконат-титанат свинца небольшого количества лантана, неодима или тантала диэлектрическая постоянная возрастает до 1500, также повышается температурная стабильность резонансной частоты.

После термической и электрической обработки, как и у всех других видов керамики, у модифицированной керамики изменяются диэлектрические и механические свойства, происходит старение, хотя и в меньшей степени, чем у не модифицированной. При наложении слабого поля механические и электрические потери значительно возрастают. Диэлектрическая проницаемость у модифицированной керамики выше, а модуль упругости меньше. Тем самым можно сказать, что модификация керамики приводит как бы к смягчению керамики в отношении как электрических, так и механических свойств.

При исследовании было установлено что материалы системы ЦТС при снижении температуры до  остаются работоспособными.

В зависимости от основного назначения пьезокерамические материалы делят на четыре класса:

1) пьезокерамические материалы, рекомендуемые для высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения;

2) пьезокерамические материалы, рекомендуемые для изготовления пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения в условиях воздействия сильных электрических полей и механических напряжений;

3) пьезокерамические материалы, рекомендуемые для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур и во времени;

4) высокочувствительные пьезокерамические материалы, рекомендуемые для изготовления пьезоэлементов различного назначения, работающих при температурах выше .

            Марки пьезокерамических материалов обычно обозначают начальными буквами основных химических компонентов их составляющих и порядковым номером. Химические компоненты материалов обозначаются следующим образом: Т – титанат, Ц – цирконат, Н – ниобат, С – свинец, Б – барий, К – кальций.

            Свойства основных пьезокерамических материалов приведены в таблице 1 лабораторной работы №2.

 

2.2. Расчет монолитного пьезокерамического фильтра

Особенностью расчета монолитного пьезокерамического фильтра является использование материалов с константами и параметрами, значительно отличающимися от соответтствующих характеристик кварца. Порядок расчета и используемые формулы соответствуют методике инженерного расчета монолитного пьезоэлектрического фильтра (п.2.2.из предыдущей работы). Конструктивно и технологически монолитные пьезокерамические фильтры также аналогичны монолитным пьезоэлектрическим фильтрам (п.2.3 из предыдущей работы). Однако имеются  некоторые отличия в расчете конструктивных размеров этих фильтров.

Первое отличие заключается в расчете геометрических размеров электродов при условии подавления ангармонических резонансов, поэтому в п.10 “Методики инженерного расчета МПФ” заменяем формулы:

;

.

            Второе отличие касается расчета размеров пластины и для пьезокерамики формулы  п.15 выглядят так:

   (по оси );

   (по оси ).

 

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.

3.2. Рассчитать, пользуясь программой  MPF, монолитный пьезокерамический фильтр по заданию преподавателя.

3.3. Пользуясь программой  MPF построить АЧХ и ФЧХ рассчитанного фильтра.

3.4. Сравнить полученные результаты моделирования с исходными данными, сделать выводы.

 

4. Контрольные вопросы

4.1. Особенности расчета монолитных пьезокерамических фильтров с использованием НЧ прототипов.

4.2. Отличия в расчете и в конструктивном исполнении монолитных пьезокерамических фильтров в сравнении с монолитными пьезоэлектрическими фильтрами.

4.3. Достоинства и недостатки монолитных пъезоэлектрических и пьезокерамических фильтров.

4.4. Способы поляризации пьезокерамики.

4.5. Сопоставить между собой пьезокерамические материалы, используемые в монолитных пьезокерамических фильтрах.

 

Список использованных источников

1. Интегральные пьезэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов. Спр. пособие / Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.В. Дмитриева. – М.: Радио и связь, 1985.  -176с.

2. Кантор В.И. Монолитные пьезэлектрические фильтры.  – М.: Связь, 1977. – 152с.

3. Плавский Л.Г. Проектирование монолитных пьезоэлектрических фильтров. Метод. указ. к курс. проект. по курсу “Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы”. – Новосибирск, 1994. – 32с.