Měření parametrů piezoelektrických materiálů

Abstract

Diplomová práce se zabývá piezoelektrickými koeficienty, rezonanční frekvencí, především pak ověřením piezoelektrických konstant. Za pomoci přístrojů, jako např. LCR metru HIOKI 3532, impedančního analyzátoru Agilent 4294A a LCR metru Agilent E4980A je měřena rezonanční ,antirezonanční frekvence spolu s impedancí a kapacitancí vzorků. Nejprve je práce zaměřena na teorii piezoelektrického jevu, rozdíl mezi přímým a nepřímým piezoelektrickým jevem, popisuje základní chování piezoelektrického prvku během mechanického namáhání nebo přiloženého elektrického napětí. Dále se zabývá popisem jednotlivých piezoelektrických konstant a jejich výpočty. Další část práce je zaměřena na teplotní závislost hlavních piezoelektrických parametrů u PZT keramiky. Následující materiálové koeficienty jsou pak vykresleny v závislosti na teplotě, piezoelektrické nábojové konstanty, relativní permitivity, elektromechanického vazebního koeficientu a frekvenční konstanty. Jedna kapitola je zaměřena na určení piezoelektrické nábojové konstanty dij piezokeramiky pomocí laserového interferometru a porovnání s hodnotou získanou frekvenční metodou. Posuv plochy povrchu je měřen pomocí jednosvazkového interferometru Polytec OFV-5000. Výsledky měření pro piezoelektrický nábojový koeficient d33 získané z obou metod jsou totožné. Poslední část práce je zaměřena na různé metody experimentálního studia charakteristik přenosu tepla pomocí šíření tepla vedením mezi postříbřenými plochami u válečku z piezokeramiky, je sledován vliv na rezonanční a antirezonanční frekvenci. Poté je porovnáváno skutečné šíření tepla, diagnostikováno pomocí termokamery a fyzikálního modelu šíření tepla, vytvořeného v programu COMSOL Multiphysics.

The master’s thesis deals with the piezoelectric coefficients, the resonance frequency and especially the piezoelectric constants verification. With the assistance of several devices, for instance LCR-meter HIOKI 3532, impedance analyzer Agilent 4294A and LCR-meter Agilent E4980A, the resonance and the anti-resonance frequencies as well as impedance and capacitance of samples are measured. The paper opens with the theory of the piezoelectric phenomenon and the difference between direct and indirect piezoelectric phenomenon, it also describes the basic behaviour of a piezoelectric ceramic element during mechanical straining or applied voltage. Further, the paper concerns the description of various piezoelectric constants and their calculations. Subsequent part of the paper is devoted to the temperature dependence of the main piezoelectric parameters of PZT ceramics. The materials coefficients are delineated as a function of temperature of the piezoelectric charge coefficients dij, relative permittivity r, electromechanical coupling factor kij and frequency constants Ni. One of the chapters also determines the piezoelectric charge constant d33 of PZT ceramics by laser interferometer and compares it with the value measured by resonance methods. The surface displacement was measured by a single-beam interferometer Polytec OFV-5000. The results of measurements of piezoelectric charge coefficients d33 acquired by the first and the second method are identical. The last section of the paper is focused on different methods of experimental studies on the characteristics of heat transfer by diffusing heat through conduction between the silver-plated surface of cylinder made of PZT ceramics. The effect on the resonance and the anti-resonance frequencies is monitored. There after, the real heat, determined by thermo camera and the physical model of heat transfer created in program COMSOL Multiphysics, is analysed.