• 医学文献
  • 知识库
  • 评价分析
  • 中外期刊
  • 学位
  • 会议
  • 专利
  • 成果
  • 标准
  • 法规
  • 临床诊疗知识库
  • 中医药知识库
  • 机构
  • 作者
论文 期刊
高级检索

检索历史 清除

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

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tanδ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sE13/sE13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赖性。单晶的尺寸纵横比以及切型强烈地影响着单晶的压电性能大小。综合考虑单晶性能的温度稳定性,0.69PMN-0.31PT单晶沿<111>cub方向极化,激励电场沿<110>cub方向具有最佳的厚度剪切压电应变常数d15和机电耦合系数k15,将能满足剪切模式器件的实际应用要求。此外,不同电极材料对单晶性能的影响也非常明显,低温溅射铜电极的0.69PMN-0.31PT压电单晶具有非常高的d15和k15值,分别高达5980pC/N和97.0%,其g15~0.056Vm/N,sE55高达354×10-12m2/N。 系统研究了PMN-PT单晶的横向长度伸缩振动模式的压电性能。三方相0.70PMN-0.30PT单晶的横向长度伸缩振动模式的压电性能最好的晶体极化方向并不是沿<001>cub方向,而是沿<011>cub方向。而且性能的大小不仅仅与单晶厚度方向有关,长度方向晶体取向的选择影响同样至关重要。最优性能的晶体取向为长度方向沿<100>cub方向,极化沿<011>cub方向,其k31值为95.4%,sE11为126.2×10-12m2/N,d31值高达-2517pC/N,甚至远远地高于其相应的表观d33*值。这种超高的d31及d31值,使此切型的PMN-PT单晶成为横向长度伸缩振动模式传感器和驱动器的首选材料,同样也可以用于弹性波的传播方向与激励电场方向垂直的压电器件中。长度方向沿<100>cub,<011>cub方向极化0.70PMN-0.30PT单晶的应变~电场曲线结果显示,d33、d32为正,d31为负;而且d31值高达-3175pC/N,远远地高于d33值~2480pC/N。其值比谐振法测得的值均偏高,这可能是因为标准谐振-反谐振法的测试条件,是在相对准静态法明显弱的信号电场下(例如30mV/mm)进行的,较高的电场可能会促进极化矢量沿电场方向偏转,造成较大的晶格应变,从而叠加了应变值,使测试结果偏高。此外,d31≌-2d32,使得其也成为弯曲模式换能器应用的首选材料。 相同<011>cub极化方向PMN-PT单晶的横向长度伸缩振动模式的性能,随长度方向分别沿<100>cub,<011>cub,<112>cub,及<111>cub而依次递减。这说明,沿<011>cub极化的单晶,在激励电场的作用下更容易发生沿<100>cub方向的收缩变形。但是其厚度剪切模式k15和d15值却随同样的<100>cub,<011>cub,<112>cub,及<111>cub序列而依次递增。也就是说,相同极化方向样品的厚度剪切模式性能随其横向长度伸缩振动模式性能的递增而递减。具有最高k15值的切型反而具有最小的k31值。因此单晶样品厚度剪切模式的递减可能对其横向长度伸缩振动模式性能的递增有贡献。 相同极化方向产生的压电性能的较大差异,可能是由于在电场作用下,畴偏转和相变而发生晶体结构的变化,引入了更多的异向性,在电学及力学边界条件的约束下,表现出不同的压电性能,特殊的多畴态和特殊的结晶学取向共同决定了单晶的优异压电性能。如何区分开单晶内在的各向异性和工程畴结构存在的影响,将能分析出压电性能的取向依赖性的机理。不同极化方向以及极化电场的大小对晶体结构的影响不同,即可能形成不同的畴结构,所以不同极化方向间的dij值实际上是不能简单进行比较的。关于d33*,-d31和d15间的关系,需要通过进一步考察各自结晶学方向、复杂的畴结构以及不稳定的相变行为等复杂因素。 <011>cub取向单晶优异的横向长度伸缩振动模式的压电性能,也为PMN-PT单晶线阵换能器的晶体取向选择提供了新的思路。线阵的机电耦合系数k33’值与k33及k31均有关。从振动模式上分析,也希望微晶元的k31与k33耦合越小越好,微晶元的振动模式才会越纯。若用沿<011>cub方向极化的晶片制备PMN-PT单晶线阵换能器时,对晶体的切割方向进行考虑,选择微晶元的k33模式与k31模式异向性最大的切型,可以得到更好的k33’值,<111>cubL×<211>cubW×<011>cubT切型的k33’值最高,<100>cubL×<110>cubW×<011>cubT切型的k33’值最低。 分别利用0.70PMN-0.30PT单晶优异的厚度伸缩振动模式kt、宽度振动模式k33’及纵向长度伸缩振动模式k33,相应地设计并制备了PMN-PT单晶的单基元、线阵及正方平面阵列式换能器。 由于PMN-PT单晶的介电常数及声阻抗与陶瓷材料有一定差异,因而不能简单地用PMN-PT单晶替代传统的PZT系压电陶瓷来制作医用PMN-PT单晶换能器。综合考虑了电阻抗及声阻抗匹配问题,重新设计换能器结构,并引入新的匹配电路,制备更合适的匹配层及背衬材料,然后设计并制作了PMN-PT单晶脉冲2MHz经颅多普勒探头。自建一套超声单探头的电学及声学表征系统,并对换能器的电声性能、脉冲回波频率响应、相对脉冲回波灵敏度等特性进行了表征分析。对比测试了PMN-PT单晶与PZT陶瓷的脉冲2MHz多普勒探头的特性,结果显示,谐振时的电声效率,前者比后者提高10%;-6dB时的带宽,前者比后者提高8%,相对灵敏度也提高了2dB,体现出PMN-PT单晶材料的优势。通过进一步完善设计,单晶单基元探头的性能还将逐步提高。设计了0.70PMN-0.30PT单晶的7.5MHz线阵换能器和2.2MHz正方平面阵换能器的结构参数,并试制了原型器件。相比传统PZT系压电陶瓷,单晶材料的特殊性决定了需要发展新的换能器微加工技术及制造工艺,尤其是电极制备和晶片的切割工艺对最终换能器的成功起到了关键性作用。通过逐步完善PMN-PT单晶制作探头的综合性能,进一步提高探头的灵敏度及带宽,对发挥PMN-PT单晶在医用超声换能器中的应用有非常重要的意义。

更多
作者: 彭珏
导师: 陈敬中罗豪甦
学位信息:
中国地质大学中国地质大学(武汉) 地质学 矿物学、岩石学、矿床学(博士) 2005年
分类号: TB552R312TM282
发布时间: 2006-08-31
  • 浏览:410
  • 下载:0

加载中!

相似文献

  • 中文期刊
  • 外文期刊
  • 学位论文
  • 会议论文

加载中!

加载中!

加载中!

加载中!

特别提示:本网站仅提供医学学术资源服务,不销售任何药品和器械,有关药品和器械的销售信息,请查阅其他网站。

充值 订阅 收藏 移动端 使用
帮助