压电晶片的主要性能参数

压电材料是各向异性的材料，表征其特性的参数很多，实际应用中多制成压电晶片，主要性能参数如下。

1）机电耦合系数K

机电耦合系数所描述的是压电晶片内部机械能与电能之间的转换效率，一般以式（5.1）和式（5.2）表示：

压电晶片通常存在纵向（厚度）和横向（径向）两个方向的振动。其纵向振动的机电耦合系数以Kt表示，横向振动的机电耦合系数以Ks表示。超声波颗粒检测中所用的压电晶片一般为纵向振动模式，因此要求Kt值较高；如果晶片的Ks值较大，则会出现低频振荡波增多现象，导致脉冲变宽，与宽带脉冲的要求相悖。

2）介电常数ε

介电常数描述的是压电晶片的介电性能，该常数与晶片附上电极后的电容有关，也就是与其电气阻抗有关。在探头的设计过程中考虑到阻抗匹配对该参数有一定要求，如果ε值太大，则压电晶片的电气阻抗会变得较小，因此该参数不能太大。

3）机械品质因素Qm

机械品质因素的定义如下式：

Qm值大于1，如果Qm值越大，则机械能量的损耗越低，脉冲会变宽，因此通常在压电晶片的背面添加背衬用以降低Qm值，实现探头有效带宽的增加。

4）压电模量d33、压电应力常数e33和压电电压常数g33

鉴于超声波纳米颗粒测量中所用压电晶片都为纵向振动，因此用脚标“33”表示。压电模量也称为压电应变常数，表示压电晶体应力恒定时所产生的应变变化与电场强度之比，即

式中　∆t——纵向形变；

u——外加电压。(www.xing528.com)

显然，d33值越大表明单位外加电压所引起的形变越大，可以提高压电晶片的发射效率。压电应力常数描述的是当压电晶体应变恒定时所产生的应力变化与电场强度之比，即

式中　∆P——纵向应力变化。

e33值越大表明采用较小的电压就可产生较大的晶片振动，因此如果作为发射用探头，就要选择d33和e33较大的压电材料。压电电压常数g33表示压电晶片纵向的接收性能，以下式表示：

式中　u——压电晶片产生的电压；

P——压电晶片纵向接收到的声压。

从式（5.4）可以看出，g33值越大表示即使接收到的声压较小也能产生较大电压，因此如果作为接收探头，要选择g33值大的压电材料。

总的来说，对脉冲超声波纳米颗粒测量中所使用的超声波换能器压电晶片要求可归结为以下几点：

（1）尽可能增加纵向转换效率，因此Kt要大，Ks值要小，也就是Kt/Ks值要大，可以提高检测时的灵敏度。

（2）为提高探头的有效带宽，必须减小脉冲持续时间，因此Qm值要小，还可以通过增加背衬和表面阻抗匹配层相配合实现，这一点将在下述章节中分析。

（3）晶片的频谱包络应接近于高斯曲线，这样可以获得较好的波形。

（4）根据实际检测需要，选择d33、e33、g33合适的压电晶片。