论文题目: 新型压电单晶PMN-PT的性能及其在医用超声换能器中的应用
论文类型: 博士论文
论文专业: 矿物学,岩石学,矿床学
作者: 彭珏
导师: 陈敬中,罗豪苏
关键词: 弛豫铁电单晶,压电性能,晶体取向依赖性,医用超声换能器
文献来源: 中国地质大学
发表年度: 2005
论文摘要: 医用超声换能器中应用较多的压电材料长期以来一直是压电陶瓷。但是压电陶瓷是多晶体，使用频率受到限制，由于陶瓷抗拉强度低，本身性脆，具有一定时间的老化性，其参数随时间的增加和环境温度改变时变化显著，甚至影响正常使用。近年来新发现的弛豫铁电单晶压电材料（1-x）Pb(Mg1／3Nb2／3)O3-xPbTiO3（简称PMN-PT）和（1-x）Pb(Zn1／3Nb2／3)O3-xPbTiO3（简称PZN-PT），其中x为PbTiO3的摩尔分数，具有比锆钛酸铅(Pb(Zr1-xTix)O3，简称PZT)系压电陶瓷更高的机电耦合系数(k33＞92％)和压电系数d33（～2000pC／N），介电损耗因子tan δ仅为PZT-5H陶瓷的1／3。压电单晶的介电损耗比较小，机电耦合系数大，频带宽等优异性能，使其在医用超声成像，尤其是新的谐波成像或多频成像技术中有着非常诱人的应用前景。在目前大尺寸高质量PMN-PT单晶已经成功制备，晶片尺寸及性能的一致性已经满足多种医用超声换能器的应用需要的基础上，需要充分挖掘并发挥PMN-PT单晶优异的压电性能并实现其在原型器件中的应用。 本论文主要对（1-x）PMN-xPT单晶的两个组分，即x=0.30、0.31进行了系统的性能研究。系统表征了沿<001>cub方向极化的0.70PMN-0.30PT单晶的弹性、介电、压电及声学性能，并分析单晶性能的温度稳定性。由于三方相0.70PMN-0.30PT单晶沿<001>cub方向极化后，极性畴由原来的8个等效的<111>cub方向变为靠近外场的4个等效<111>cub方向，从而形成工程化畴结构，宏观上呈现4mm对称。因此这里表征的Z切0.70PMN-0.30PT单晶均按照4mm点群处理，选择五种切型的单晶，表征了11个独立的材料参数，包括3个压电常量，6个弹性常量及2个介电常数，这将有助于其应用方案设计、元件挑选、性能研究以及器件制备时的模拟分析。<001>cub方向极化后的0.70PMN-0.30PT单晶，机电耦合系数k33值～92％，k31～89.5％，k31<110>～76％及kt～62％，均高于PZT系压电陶瓷，具有很好的应用潜力。比较了<001>cub极化的PMN-PT单晶材料性能的各向异性，发现当组分偏离准同型相界（MPB）时，弛豫铁电单晶的弹性刚度系数的变化并不明显，然而弹性顺度系数变化明显，而且优异的压电性能是与大的s33值相关的，组分的不同仅对S13E／S12E的影响比较明显。 对PMN-PT单晶压电性能温度稳定性的研究表明，实际使用的最高温度受升温过程中的第一个结构转变温度限制，而PT含量越高（即Tm越高）铁电相变Trt越低。所以器件研究中要求既保证单晶较高的压电性能，又需要尽可能高的温度使用范围，PT组分控制在0.28～0.31之间，都可以获得稳定而优异的压电性能，适合医用换能器制作应用。 采用谐振-反谐振法系统研究了PMN-PT单晶的厚度剪切模式压电性能的晶体取向依
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 医用超声换能器研究现状
1.2.1 医用压电材料研究进展
1.2.2 超声诊断换能器的基本结构及类型
1.2.2.1 换能器的基本结构
1.2.2.2 诊断用超声探头的类型
1.3 弛豫铁电单晶PMN-PT结构与性能的研究现状
1.3.1 弛豫铁电体的结构特征
1.3.2 PMN-PT晶体的相结构
1.3.3 弛豫铁电单晶高压电活性机理研究现状
1.3.3.1 工程化畴
1.3.3.2 极化偏转和亚稳相
1.4 论文的研究内容和目标
1.4.1 问题的提出
1.4.2 研究内容及目标
第二章 样品的制备及实验方法
2.1 Pb(Mg_(1／3)Nb_(2／3))O_3-PbTiO_3单晶的生长
2.2 Pb(Mg_(1／3)Nb_(2／3))O_3-PbTiO_3单晶压电振子的制备
2.2.1 单晶的定向、切片及研磨
2.2.2 被烧电极及极化
2.3 换能器制作时采用的装置及材料
2.4 电学性能测试
2.5 声学性能测试
2.5.1 匹配层及背衬材料的声阻抗的测试
2.5.2 超声换能器的特性测量
第三章 PMN-PT单晶弹性、介电、压电及声学性能系统表征
3.1 影响超声成像换能器性能的几个重要参数
3.2 一般原理与测试方法
3.2.1 压电参数测量理论及方法研究现状
3.2.2 性能测试和实验过程
3.3 0.70PMN-0.30PT单晶的介电性能
3.3.1 电滞回线特征
3.3.2 介温特征
3.4 工程畴结构0.7PMN-0.3PT单晶弹性、介电、压电及声学性能系统表征
3.4.1 长度沿[001]方向的棒的纵向长度伸缩振动模式(即k_(33)-bar)
3.4.2 长方片厚度切变振动模式
3.4.3 长条片的横向长度伸缩振动模式(即k_(31)-bar)
3.4.4 [110]长条片的横向长度伸缩振动模式(k_(31)<110>-bar)
3.4.5 厚度伸缩振动模式
3.4.6 其它参量的计算及误差分析
3.4.7 0.70PMN-0.30PT单晶的声阻抗
3.5 PMN-PT单晶性能的温度稳定性
3.6 小结
第四章 PMN-PT单晶厚度剪切模式的压电性能
4.1 引言
4.2 实验过程
4.3 PMN-PT单晶厚度剪切模式性能的取向依赖性
4.3.1 不同取向单晶的压电剪切模式性能
4.3.2 不同电极材料对厚度剪切性能的影响
4.4 小结
第五章 PMN-PT单晶横向长度伸缩振动模式的压电性能
5.1 引言
5.2 实验过程
5.3 PMN-PT单晶横向长度伸缩振动模式性能的取向依赖性
5.3.1 不同取向单晶的横向长度伸缩振动模式性能
5.3.2 PMN-PT单晶横向长度伸缩振动模式的温度稳定性
5.4 小结
第六章 PMN-PT单晶在医用超声换能器中的应用研究
6.1 引言
6.2 医用换能器用PMN-PT单晶的最佳组分及切型
6.3 设计并制作PMN-PT单晶脉冲2MHz经颅多普勒探头
6.3.1 压电振子的厚度振动模式及等效电路分析
6.3.1.1 声传输线等效电路
6.3.1.2 Mason等效电路
6.3.1.3 KLM等效电路
6.3.2 匹配层及背衬材料参数设计与制备
6.3.3 单基元换能器的电学匹配
6.3.4 脉冲波2MHz经颅多普勒探头的设计及制作
6.3.5 换能器特性分析
6.3.5.1 换能器的电学性能表征
6.3.5.2 换能器的声学性能表征
6.4 PMN-PT单晶线阵及平面阵换能器制作
6.4.1 线阵换能器的基本结构
6.4.2 微晶元的切割
6.4.3 振动模式分析及PMN-PT单晶线阵换能器的几何参数设计
6.4.4 PMN-PT单晶线阵换能器的制作过程
6.4.5 PMN-PT单晶平面阵换能器的制作过程
6.5 小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献
发布时间: 2007-01-12
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