Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörpers

Designprozesse von Schallwandlern werden durch zunehmende Rechenkapazitäten immer mehr durch simulative Betrachtungen unterstützt. Dabei ist vor allem die Wahl der Materialparameter der verwendeten Materialien wichtig für ein realitätsnahes Simulationsergebnis. Bei Schallwandlern werden häufig Piezokeramiken als aktive Elemente genutzt, welche sich durch eine Verkopplung mechanischer und elektrischer Eigenschaften auszeichnen. Zur Bestimmung ihrer Materialparameter stellt der IEEE Standard on Piezoelectricity ein standardisiertes Verfahren dar. Dazu sind fünf Impedanzmessungen an vier unterschiedlich gefertigten Probekörpergeometrien notwendig. Da an jedem einzelnen Probekörper nur eine Untermenge aller notwendigen Materialparameter bestimmt werden kann, werden diese dann zu einem kompletten Materialparametersatz zusammengefügt. Aufgrund der unterschiedlichen Prozessbedingungen, bei denen die jeweiligen Probekörper hergestellt werden, ist dieser Materialparametersatz jedoch inkonsistent und kann nie das Verhalten einer einzelnen Probe beschreiben. Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein Messverfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, alle relevanten Materialparameter unter besonderer Berücksichtigung von Dämpfung an einem einzelnen Probekörper allein durch Impedanzmessungen zu bestimmen. Als Probekörper wird dazu eine in der Anwendung häufig verwendete Scheibengeometrie verwendet. Um eine hinreichend hohe Sensitivität auf alle Materialparameter zu gewährleisten, wird diese mit einer optimierten Elektrodentopologie gefertigt. Da in diesem Fall keine analytische Betrachtung mehr möglich ist, wird das Messverfahren durch einen inversen Ansatz realisiert.

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Design processes of ultrasonic transducers become increasingly simulation-driven due to rising computational capabilities. Therewithin, the choice of the material parameters for modelling the materials used is particularly important for a realistic simulation result. Piezoceramics, which couple mechanic and electrical properties, are often used as active elements in ultrasonic transducers.The IEEE Standard on Piezoelectricity is a standardised procedure for determining these parameters that requires five impedance measurements on four piezocermics of different geometry. Since only a subset of all necessary material parameters can be determined for each individual specimen, these are then combined to form a complete set of material parameters. Due to different processing conditions for each specimen, this set of material parameters is inconsistent and cannot describe the behaviour of a single specimen appropriately. Therefore, in the present thesis, a method is developed with enables the determination of all relevant material parameters including damping on a single piezocermic by means of electrical impedance measurements alone. A piezoelectric ceramic with disc-shaped geometry, which is frequently used in applications, is used as a specimen.In order to ensure a sufficiently high sensitivity to all material parameters, it is manufactured with an optimised electrode topology. Because in this case analytical solutions, which relate the measurement quantities to the material parameters, do not exist, the measurement method is implemented using an inverse approach.