[论文解读] 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 22

一句话总结

本文提出了一种部分电极（PE）结构，以克服IEEE标准k33模式压电试样中的关键缺陷，实现对广延性和强度弹性性能及其损耗的直接、精确测定。通过在具有部分电极结构的试样（开路、短路及侧向电极）上进行导纳谱的曲线拟合，该方法消除了误差传播和电噪声，显著降低了损耗误差，特别是tan 𝜙′和tan 𝜃′的误差，并提高了机械品质因数和耦合损耗测定的可靠性。

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.

研究动机与目标

• 识别并解决IEEE标准k33模式压电试样方法中的关键缺陷。
• 消除通过间接方法测定强度弹性柔度及损耗因子所导致的误差传播。
• 减少标准试样中因低电容、电噪声和边缘场效应引起的实验误差。
• 实现对广延性和强度弹性、介电及压电损耗因子的直接、精确测量。
• 提高高功率压电器件设计中机械品质因数和耦合损耗测定的可靠性。

提出的方法

• 在k33试样上提出一种部分电极（PE）结构，中心电极占10%，以增强电容并减少测量噪声。
• 使用ATILA++进行有限元分析（FEA），模拟边缘场效应并验证电极结构的合理性。
• 对五种试样类型进行导纳/阻抗谱测量：标准k33、k31、PE开路（OC）、短路（SC）和侧向电极（SE）。
• 对每种PE结构的实验导纳数据进行曲线拟合，拟合至相应的解析导纳方程，以提取物理参数。
• 利用OC数据测定s33^D和tan 𝜙′′′，SE数据测定s33^E和tan 𝜙′，SC数据（由OC/SE数据推导）测定d33和tan 𝜃′。
• 通过两个独立方程验证k33值：k33² = d33² / (s33^E ε₀ ε33^X) 和 1 - k33² = s33^D / s33^E，结果具有一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何IEEE标准k33方法会产生不可靠的损耗值，特别是tan 𝜙′和tan 𝜃′？
• RQ2 标准k33试样中的边缘电场和低电容如何导致测量误差？
• RQ3 部分电极结构能否消除误差传播，并改善对强度弹性性能的直接测定？
• RQ4 PE方法在多大程度上减少了实验噪声并提高了损耗因子测量的准确性？
• RQ5 使用PE方法时，通过两个独立方程（24）和（25）得出的k33值如何比较？

主要发现

• PE方法将tan 𝜙′′′（弹性损耗）的误差降低至小于1%的拟合误差，而标准k33试样中则存在巨大误差。
• PE方法使tan 𝜃′（压电损耗）的误差仅为12%，而标准k33方法中因误差传播导致误差高达480%。
• 通过两个独立方程（24）和（25）得出的k33值一致，差异仅为2.5%（71.7% vs. 69%），证实了方法的一致性。
• PE结构在中心电极处提高了电容，降低了电噪声，从而实现了对微小电流的可靠测量。
• FEA仿真结果表明，标准试样中s33^D被高估约7.4%，k33被低估约2.4%，这是由于边缘场效应所致。
• PE方法实现了s33^D、s33^E、d33及所有损耗因子的直接测定，消除了间接计算带来的累积误差。