4.1. Пьезоматериалы с повышенной температурной стойкостью для устройств частотной селекции

Целью экспериментальной части работы являлся поиск пьезоматериалов на основе керамики системы ЦТС с повышенной температурной стабильностью в диапазоне температур от - 60 до + 85 ⁰C для керамических фильтров.

Рассмотрим конструкцию фильтров и их электрофизические параметры. Фильтры, как правило, собираются по лестничной схеме из дискретных резонаторов на планарных модах колебаний. Резонаторы должны иметь ёмкости, отличающиеся друг от друга в 6÷10 раз, поэтому применение пьезокерамических материалов с разными диэлектрическими проницаемостями может внести свой вклад в соотношение ёмкостей.

Выполнение фильтром условия затухания в полосе задерживания от 12 до 80 дБ (при достаточно большой прямоугольности) обуславливает требования к добротности основной моды планарных колебаний резонаторов и, соответственно, к добротности Q_mпьезокерамического материала на уровне 600.

Каждая из характеристик фильтра обуславливает определенные требования к пьезокерамическим резонаторам и, соответственно, к пьезокерамическим материалам. Ширина полосы пропускания по уровню 6 дБ от 3 до 40 кГц обуславливает этот же диапазон резонансных

промежутков ∆f = f_a- f_r (f_aи f_r- частоты антирезонанса и резонанса) у резонаторов (рис.

Рис.4.1. АЧХ пьезоэлементов для устройств частотной селекции размером: a) 4?4?0,55 мм; б) 4?4?0,3 мм

Для диапазона частот 450-500 кГц для резонаторов со сплошной металлизацией требуемые пьезоэлектрические параметры могут быть реализованы использованием материалов с коэффициентом электромеханической связи планарных колебаний (Ay) в диапазоне от 0,15 до 0,45. Для пьезоэлементов с частичной металлизацией и большими величинами А/ значение к_р пьезокерамического материала должно быть не менее 0,50.

Основное требование - требование по относительному отклонению частоты (ООЧ): 004= (f_θ -f₂₀)/ f₂₀ = ⅛θ ∣ fιo , (^гД^е А - Ao - резонансные частоты при температуре 0 ⁰C и при температуре 20 ⁰C), в диапазоне температур от - 60 до +85 ⁰C и отсутствие дополнительных (нежелательных) резонансов (рис.4.2) в рабочем диапазона частот [31].

Диапазон требований по коэффициенту электромеханической связи может быть удовлетворен, как минимум, тремя пьезокерамическими материалами, которые принято считать: узкополосным, среднеполосным и широкополосным.

Немаловажным фактором является технологическая совместимость пьезокерамических материалов.

Рис.4.2. Моночастотность АЧХ пьезоэлемента

В работе проведены исследования трёх пьезокерамических материалов (узкополосного, среднеполосного и ширкополосного) для типа фильтра, рассмотренного в начале данной главы.

Для поиска оптимального материала, обладающего минимальным ООЧ, были изготовлены образцы размером 02O?1 мм из материалов ЦТС-38, ЦТС-39, ЦТС-40.

Для порошков материала ЦТС-38 были заданы температуры спекания 1100 ⁰C и 1120 ⁰C. Для порошков материала ЦТС-39 - 960 ⁰C, 1100 ⁰C и 1120 ⁰C.

Для каждого материала ЦТС было изготовлено по 2 партии каждого (партия - 1, 2). Диаграммы (рис. 4.3. и 4.4) иллюстрируют, что при температуре спекания IlOO⁰C минимальное ООЧ имеют пьезоэлементы из материала ЦТС-38 (партия 2) и ЦТС-39 (партия 2), а при температуре 1120 ⁰C -пьезоэлементы из материала ЦТС-40 (партии 1 и 2).

Таблица 4.1 - Сводные данные по пьезопараметрам состава ЦТС-38 в зависимости от режима спекания

Таблица 4.2 - Сводные данные по пьезопараметрам состава ЦТС-39 в зависимости от режима спекания

Таблица 4.3 - Сводные данные по пьезопараметрам состава ЦТС-40 в зависимости от режима спекания

Рис.4.3. Диаграмма зависимости ООЧ пьезоматериала от температуры спекания 1100 ^oC

Рис.4.4. Диаграмма зависимости ООЧ пьезоматериала от температуры спекания 1120 ^oC

Из проведённого анализа следует, что минимальным ООЧ обладают пьезоэлементы из порошков материала ЦТС-40 полученные при максимальной температуре спекания 1120 ⁰C.

4.2.