Technological Optimization of a LiNbO3 Monocrystal 1 GHz Transducer for Ultrasonic Microscopy
Monocrystal piezoelectric transducers show a number of advantages compared to thin layer polycrystal ones (e.g. ZnO). Proper orientation of the crystal allows higher efficiency in both generation and reception of impulses. A piezoelectric LiNbO3 crystal is characterized by
a high value of the electromechanical coupling constant and the generation of pure longitudinal modes. These factors provide a better signal to noise ratio. As a preliminary discussion looked promising, we developed 1 GHz monocrystal transducers (LiNbO3 Y 36°) for an ultrasonic
microscope.
The transducer was attached to the flat surface of a cylindrical rod made of synthetic sapphire. The diameter of the upper electrode of the transducer was in the range 300–400 μm.
In this paper the influence of technological parameters on the acoustical properties are discussed. Factors taken into consideration include the acoustical and geometrical parameters of the rod, the layers between the rod and the crystal, the upper electrode, and its loading. Attention was paid to factors reducing the bandwidth. On the base of theoretical investigation and numerical simulation, a monocrystal transducer working at its fundamental frequency has been built and tested. We have obtained good agreement between theoretical and experimental results.
Zusammenfassung
Im Vergleich mit polykristallinen Dünnschichtwandlern (z. B. aus ZnO) zeigen monokristalline piezoelektrische Wandler eine Reihe von Vorteilen. Die korrekte Orientierung des Kristalls ergibt eine höhere Wirksamkeit sowohl bei der Erzeugung als auch beim Empfang von Impulsen. Ein piezoelektrischer LiNbO3-Kristall ist durch einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und die Erzeugung von reinen Longitudinal-Moden charakterisiert. Dadurch ergibt sich ein besseres Signal-Rauschverhältnis. Da eine vorläufige Diskussion vielversprechend war, wurden monokristalline 1 GHz-Wandler (LiNbO3 Y 36°) für ein Ultraschall-Mikroskop entwikkelt.
Der Wandler wurde auf die ebene Oberfläche eines zylindrischen Stabs aus synthetischem Saphir aufgebracht. Der Durchmesser der oberen Elektrode des Wandlers lag im Bereich von 300–400 μm.
In dieser Arbeit wird der Einfluß technologischer Parameter auf die akustischen Eigenschaften diskutiert. In Betracht gezogen wurden die akustischen und geometrischen Parameter des Stabs, die Schichten zwischen dem Stab und dem Kristall, die obere Elektrode und die Belastung des Wandlers. Besondere Aufmerksamkeit fanden die Faktoren, die die Bandbreite einschränken. Auf der Grundlage einer theoretischen Untersuchung und einer numerischen Simulation wurde ein monokristalliner Wandler gebaut und überprüft, der bei seiner Grundfrequenz arbeitet. Es ergab sich gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen.
Sommaire
Les transducteurs piézoélectriques à monocristal presentment une série d'avantages sur les transducteurs utilisant des polycristaux en couches minces (ZnO par exemple). Une orientation appropriée du cristal favorise une efficacité supérieure, dans la production comme dans la récaption des impulsions. Un cristal piézoélectrique de LiNbO3 se caractérise par une valeur élevée de la constante de couplage électromécanique et par la production de modes longitudinaux purs. Il en résulte un meilleur rapport signal sur bruit. Les premiers essais s'étant révélés prometteurs, nous avons développé des transducteurs à monocristal (LiNbO3 Y 36°) pour un microscope ultrasonore.
Le transducteur était attaché à la surface plate d'une tige cylindrique de saphir synthétique. Le diamètre de l'électrode supérieure du transducteur était compris entre 300 et 400 μm.
Dans cet article on examine l'influence des paramètres techniques sur les propriétés acoustiques. Nous avons pris en compte les paramètres acoustiques et géométriques de la tige, les couches entre la tige et le cristal, l'électrode supérieure et sa charge. Les facteurs réducteurs de bande passante ont aussi été pris en considération. A partir d'une étude théorique et d'une simulation numérique, nous avons construit et testé un transducteur monocristal fonctionnant à sa fréquence fondamentale. La concordance est bonne entre les résultats théoriques et expérimentaux.
The transducer was attached to the flat surface of a cylindrical rod made of synthetic sapphire. The diameter of the upper electrode of the transducer was in the range 300–400 μm.
In this paper the influence of technological parameters on the acoustical properties are discussed. Factors taken into consideration include the acoustical and geometrical parameters of the rod, the layers between the rod and the crystal, the upper electrode, and its loading. Attention was paid to factors reducing the bandwidth. On the base of theoretical investigation and numerical simulation, a monocrystal transducer working at its fundamental frequency has been built and tested. We have obtained good agreement between theoretical and experimental results.
Zusammenfassung
Im Vergleich mit polykristallinen Dünnschichtwandlern (z. B. aus ZnO) zeigen monokristalline piezoelektrische Wandler eine Reihe von Vorteilen. Die korrekte Orientierung des Kristalls ergibt eine höhere Wirksamkeit sowohl bei der Erzeugung als auch beim Empfang von Impulsen. Ein piezoelektrischer LiNbO3-Kristall ist durch einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und die Erzeugung von reinen Longitudinal-Moden charakterisiert. Dadurch ergibt sich ein besseres Signal-Rauschverhältnis. Da eine vorläufige Diskussion vielversprechend war, wurden monokristalline 1 GHz-Wandler (LiNbO3 Y 36°) für ein Ultraschall-Mikroskop entwikkelt.
Der Wandler wurde auf die ebene Oberfläche eines zylindrischen Stabs aus synthetischem Saphir aufgebracht. Der Durchmesser der oberen Elektrode des Wandlers lag im Bereich von 300–400 μm.
In dieser Arbeit wird der Einfluß technologischer Parameter auf die akustischen Eigenschaften diskutiert. In Betracht gezogen wurden die akustischen und geometrischen Parameter des Stabs, die Schichten zwischen dem Stab und dem Kristall, die obere Elektrode und die Belastung des Wandlers. Besondere Aufmerksamkeit fanden die Faktoren, die die Bandbreite einschränken. Auf der Grundlage einer theoretischen Untersuchung und einer numerischen Simulation wurde ein monokristalliner Wandler gebaut und überprüft, der bei seiner Grundfrequenz arbeitet. Es ergab sich gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen.
Sommaire
Les transducteurs piézoélectriques à monocristal presentment une série d'avantages sur les transducteurs utilisant des polycristaux en couches minces (ZnO par exemple). Une orientation appropriée du cristal favorise une efficacité supérieure, dans la production comme dans la récaption des impulsions. Un cristal piézoélectrique de LiNbO3 se caractérise par une valeur élevée de la constante de couplage électromécanique et par la production de modes longitudinaux purs. Il en résulte un meilleur rapport signal sur bruit. Les premiers essais s'étant révélés prometteurs, nous avons développé des transducteurs à monocristal (LiNbO3 Y 36°) pour un microscope ultrasonore.
Le transducteur était attaché à la surface plate d'une tige cylindrique de saphir synthétique. Le diamètre de l'électrode supérieure du transducteur était compris entre 300 et 400 μm.
Dans cet article on examine l'influence des paramètres techniques sur les propriétés acoustiques. Nous avons pris en compte les paramètres acoustiques et géométriques de la tige, les couches entre la tige et le cristal, l'électrode supérieure et sa charge. Les facteurs réducteurs de bande passante ont aussi été pris en considération. A partir d'une étude théorique et d'une simulation numérique, nous avons construit et testé un transducteur monocristal fonctionnant à sa fréquence fondamentale. La concordance est bonne entre les résultats théoriques et expérimentaux.
Document Type: Research Article
Publication date: 01 September 1993
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