[論文レビュー] Improvement of the Standard Characterization Method on k33 Mode Piezoelectric Specimens

Yoonsang Park, Yuxuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Acoustic Wave Resonator Technologies参考文献 36被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、IEEE標準k33モード圧電試料における深刻な欠陥を克服するため、部分電極（PE）構成を提案する。これにより、広義的および強度的弾性特性およびその損失を直接かつ正確に決定できる。PE構成試料（開放、短絡、側面電極）のアドミタンススペクトルにカーブフィッティングを適用することで、誤差伝搬および電気的ノイズを低減し、特にtan 𝜙′およびtan 𝜃′の損失誤差を著しく低減。より信頼性の高い機械的品質因子および結合損失の評価が可能となる。

ABSTRACT

Even though standard method to determine physical parameters of piezoelectric materials has been set up for several decades, bare attention has been made on loss determination method. Furthermore, several deficits have been recognized in the standard method for k33 mode. In this study, detailed discussion on deficits of IEEE Standard k33 is investigated and the method to resolve such deficits will be introduced. The standard k33 specimen suffers from small capacitance, which causes huge experimental error, intrinsic electrical energy leakage, specimen setup issue and inability to directly determine intensive elastic properties. In order to resolve these issues, partial electrode method was introduced, and curve fitting was demonstrated to determine physical parameters and losses.

研究の動機と目的

• IEEE標準k33モード圧電試料法における深刻な欠陥を特定・解決すること。
• 強度的弾性降下率および損失係数の間接的決定に起因する誤差伝搬を排除すること。
• 標準試料における低静電容量、電気的ノイズ、端効果（フリンジフィールド）に起因する実験誤差を低減すること。
• 広義的および強度的弾性、誘電、圧電損失係数の直接的かつ正確な測定を可能にすること。
• 高出力圧電デバイス設計における機械的品質因子および結合損失の決定の信頼性を向上させること。

提案手法

• k33試料に中心部10％の部分電極（PE）構成を採用し、静電容量を向上させ、測定ノイズを低減。
• ATILA++を用いた有限要素解析（FEA）により、端効果の影響をモデル化し、電極構成の妥当性を検証。
• 標準k33、k31、PE開放回路（OC）、短絡回路（SC）、側面電極（SE）の5種類の試料でアドミタンス／インピーダンススペクトルを測定。
• 各PE構成に対し、実験的アドミタンスデータを解析的アドミタンス式にフィッティングし、物理的パラメータを抽出。
• OCデータからs33^Dおよびtan 𝜙′′′を、SEデータからs33^Eおよびtan 𝜙′を、SCデータ（OC/SEから算出）からd33およびtan 𝜃′を決定。
• 24式および25式の2つの独立した方程式を用いてk33値を検証し、一貫性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IEEE標準k33法が、なぜtan 𝜙′およびtan 𝜃′に対して信頼性の低い損失値を生じるのか。
• RQ2 標準k33試料における端効果電場および低静電容量が、測定誤差にどのように寄与するか。
• RQ3 部分電極構成が誤差伝搬を排除し、強度的弾性特性の直接的決定を可能にするか。
• RQ4 PE法が実験的ノイズをどれほど低減し、損失係数測定の正確性を向上させるか。
• RQ5 PE法を用いた場合、2つの独立した方程式（24式および25式）から得られるk33値はどの程度一致するか。

主な発見

• PE法により、tan 𝜙′′′（弾性損失）の誤差が1％未満まで低減されたのに対し、標準k33試料では著しい誤差が生じた。
• PE法ではtan 𝜃′（圧電損失）の誤差が12％にまで低下したが、標準k33法では誤差伝搬のため480％の誤差が生じた。
• 2つの独立した方程式（24式および25式）から得たk33値は2.5％以内で一致（71.7％ vs. 69％）し、手法の一貫性が確認された。
• PE構成により中心電極部の静電容量が増加し、電気的ノイズが低減され、微小電流の信頼性ある測定が可能になった。
• FEAシミュレーションにより、標準試料ではs33^Dが7.4％過大評価され、k33が2.4％低く評価されることが確認された（端効果に起因）。
• PE法により、s33^D、s33^E、d33およびすべての損失係数を直接決定可能となり、間接計算に起因する累積誤差が排除された。