[논문 리뷰] Improvement of the Standard Characterization Method on k33 Mode Piezoelectric Specimens

Yoonsang Park, Yuxuan Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 31.

Acoustic Wave Resonator Technologies참고 문헌 36인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 IEEE 표준 k33 모드 피에조전기 시편의 심각한 결함을 보완하기 위해 부분 전극(PE) 구성을 제안하며, 광범위한 및 강도 있는 탄성 특성과 그 손실을 직접적으로 정확하게 측정할 수 있도록 한다. PE 구성 시료(개방, 단락, 측면 전극)의 애드미ittance 스펙트럼에 대한 곡선 피팅을 통해 오차 전파와 전기적 노이즈를 제거함으로써, 특히 tan 𝜙′ 및 tan 𝜃′에 대해 현저히 감소된 손실 오차와 더 신뢰할 수 있는 기계적 품질 인자 및 결합 손실을 도출한다.

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.

연구 동기 및 목표

• IEEE 표준 k33 모드 피에조전기 시편 방법의 심각한 결함을 특정하고 해결하기 위해.
• 간접적인 탄성 강성 및 손실 계수 결정으로 인한 오차 전파를 제거하기 위해.
• 표준 시편에서 저용량, 전기적 노이즈 및 산란 전기장으로 인한 실험 오차를 줄이기 위해.
• 광범위한 및 강도 있는 탄성, 유전체, 피에조전기 손실 계수의 직접적이고 정확한 측정을 가능하게 하기 위해.
• 고출력 피에조전기 장치 설계를 위한 기계적 품질 인자 및 결합 손실 결정의 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• k33 시편에 중심 전극이 10%인 부분 전극(PE) 구성 방식을 도입하여 용량을 증가시키고 측정 노이즈를 감소시켰다.
• ATILA++를 사용한 유한 요소 분석(FEA)을 통해 산란 전기장 영향을 모델링하고 전극 구성의 타당성을 검증했다.
• 다섯 종류의 시편(표준 k33, k31, PE 개방회로(OC), 단락회로(SC), 측면 전극(SE))에 대해 애드미ittance/임피던스 스펙트럼을 측정했다.
• 각 PE 구성에 대해 실험적 애드미ittance 데이터를 분석적 애드미ittance 식에 피팅하여 물리적 매개변수를 추출했다.
• OC 데이터를 사용해 s33^D와 tan 𝜙′′′을 결정하고, SE 데이터로 s33^E와 tan 𝜙′을 산정하였으며, SC 데이터는 OC/SE 데이터로부터 유도하여 d33와 tan 𝜃′을 결정했다.
• 두 개의 독립된 식(식 24 및 25)을 사용해 k33 값을 검증하여 일관성을 확보했다: k33² = d33² / (s33^E ε₀ ε33^X) 및 1 - k33² = s33^D / s33^E.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IEEE 표준 k33 방법이 왜 tan 𝜙′ 및 tan 𝜃′에 대해 신뢰할 수 없는 손실 값을 도출하는가?
• RQ2 표준 k33 시편에서 저용량과 산란 전기장이 측정 오차에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 부분 전극 구성이 오차 전파를 제거하고 강도 있는 탄성 특성의 직접 결정을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 PE 방법은 실험적 노이즈를 어느 정도 감소시키고 손실 계수 측정의 정확도를 향상시키는가?
• RQ5 PE 방법을 사용할 경우 두 개의 독립된 식에서 유도된 k33 값은 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• PE 방법은 탄성 손실인 tan 𝜙′′′의 오차를 표준 k33 시편에 비해 1% 이내로 감소시켰다.
• PE 방법은 피에조전기 손실인 tan 𝜃′의 오차를 표준 k33 방법의 480%에서 12%로 줄였다.
• 두 개의 독립된 식(24) 및 (25)에서 유도된 k33 값은 2.5% 이내로 일치했으며(71.7% 대 69%), 방법론의 일관성을 확인했다.
• PE 구성은 중심 전극에서 용량을 증가시켜 전기적 노이즈를 감소시키고 미세한 전류 측정을 신뢰할 수 있게 했다.
• FEA 시뮬레이션은 표준 시편에서 산란 전기장로 인해 s33^D가 약 7.4% 과대평가되고 k33가 약 2.4% 과소평가됨을 확인했다.
• PE 방법은 s33^D, s33^E, d33 및 모든 손실 계수의 직접 결정을 가능하게 하여 간접 계산에서 발생하는 누적 오차를 제거했다.