單簧式鋯鈦酸鉛之製作及在超音波空中換能之應用

Abstract

本文將探討鋯鈦酸氧化物製作成單簧式超音波空中換能器的方法。其中包括鋯鈦酸鉛 陶瓷片的製程與電性量測，並介紹單簧式換能器的製程及初步的理論描述，同時也對 一些基本的物性作了定量上的分析。 本文所製陶瓷片採用的粉末係採購所得，故製程從去脂開始，中間歷經過程有成型、 燒結、上電極、極化、老化等步驟，最後則是電性的檢測，藉以篩選適用的陶瓷片。 在每個製程步驟中都有其關鍵技術，陶瓷片的緻密與否可由燒結後的顯微結構看出， 上電極及極化的良窳亦可由以下量測數據參考而得：共振頻率f ，單位千赫玆；反共 振頻率f ，單位千赫玆；共振阻抗 ｜Z｜，單位歐姆；1000赫玆頻率下的電容值C ， 單位法拉及同頻率下的損耗因數 D，沒有單位，除此之外並可由計算求得機械品質因 數Q 及機電耦合係數K 。 高機電耦合係數的陶瓷材料可提高換能器的效率，共振金屬板的尺寸則決定了換能器 的作用頻率（假設材料參數一定，製程及組裝條件相同）。理論的推導，輔以實驗的 佐證，可決定出材料參數K ，再由公式f -K •t╱D (其中t，D是幾何參數，分別代 表厚度與直徑) 則可大概估算出所適用的頻率。所以材料製程決定了K ，共振金屬板 決定了t，D；而K ，t，D更決定了f ，掌握了製程便掌握了工作頻率之大半。 一般而言，使用在工作頻率的換能器，能有較好的效率輸出，所以換能器的輸出是頻 率的函數，同時也是負載的函數。文中將對一些換能器的電性對頻率及負載變化的情 形加以分析量測。