ПЬЕЗОМОДУЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для применения в системах управления различными объектами общепромышленного и специального назначения, в том числе транспорта, энергетики, нефте- и газохимии, жилищно-коммунального хозяйства.
Современный уровень развития электротехники характеризуется широким и все более возрастающим использованием пьезокерамических элементов в устройствах коммутации. Это обусловлено такими их достоинствами, как надежность, приемлемые массогабаритные характеристики, сравнительно низкая стоимость, устойчивая работа в различных средах, высокая помехоустойчивость, отсутствие необходимости в дополнительных источниках питания, вандалоустойчивость.
Базовым узлом пьезокоммутационных изделий является пьезомодуль, типовая конструкция которого содержит следующие основные элементы: корпус, пьезоэлемент, токосъемник, печатная плата, герметик (компаунд), электрические выводы. Работа пьезомодуля основана на прямом пьезоэффекте: при механическом воздействии на крышку корпуса происходит деформация пьезоэлемента, на электродах которого возникает разность потенциалов (напряжение). Токосъемник передает это напряжение на печатную плату с расположенным на ней электронным ключом, который через электрические выводы коммутирует внешнюю электронную схему. Вся конструкция пьезомодуля выполнена в едином корпусе и залита герметиком.
Известны патенты РФ на полезные модели, в которых предлагаются технические решения, направленные на повышение потребительских качеств пьезомодулей: совершенствование конструкции и материалов корпуса №№32340, 109585, 117709; надежное крепление элементов пьезомодулей в корпусе №№32340, 54278, 73120, 109585, 121647; применение различных материалов токосъемника №№32340, 109585, 117709; улучшение конструкции электрических выводов №95177; улучшение гальванической развязки пьезомодулей с управляющей электронной схемой №134696.
В патентах РФ на полезные модели №№73120, 109585 предложено фиксировать элементы унифицированного пьезомодуля в едином корпусе, выполненном в виде стакана с защелками, расположенными на основании корпуса и обеспечивающими плотное прилегание компонентов модуля друг к другу. Токосъемник представляет соединитель типа «зебра», выполненный из токопроводящей резины с чередующимися проводящими и изолирующими слоями. Недостатком полезных моделей является сложная и дорогостоящая конструкция корпуса, увеличивающая массогабаритные характеристики пьезомодулей.
Известно техническое решение по патенту РФ на полезную модель №117709, в котором по сравнению с конструкциями пьезомодуля по патентам РФ на полезные модели №№73120, 109585 исключены защелки и токосъемник «зебра», взамен которого применяют токопроводящий клей. За счет этих изменений вдвое уменьшается толщина пьезомодуля, а также незначительно уменьшается его масса. Конструкция пьезомодуля, изображена на фиг. 1, где обозначены: 1 - пьезоэлемент, 2 - печатная плата, 3 - корпус, 4 - контактные площадки печатной платы, 5 - выводы, 6 - слой токопроводящего клея, 7 - слой обычного непроводящего клея. Корпус 3 центрирует и фиксирует расположение деталей друг относительно друга. Слои клеев 6, 7 электрически и механически соединяет пьезомодуль в единый конструктив: слой 6 токопроводящего клея соединяет контактные площадки печатной платы с положительным (+) и отрицательным (-) электродами пьезоэлемента, слой 7 обычного клея соединяет корпус и пьезоэлемент. При нажатии на верхнюю часть корпуса 3 усилие передается через клеевой слой 7 на пьезоэлемент 1 и на его электродах возникает разность потенциалов (напряжение). Это напряжение через токопроводящий слой клея 6 воспринимается контактными площадками 4 печатной платы 2 и подается на электронный ключ печатной платы, в результате чего ключ открывается и через выводы 5 коммутирует внешнюю электронную схему. После снятия давления с крышки корпуса 3 пьезоэлемент 1 принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
Пьезомодуль по полезной модели №117709 имеет ряд недостатков. Во-первых, как и в полезных моделях №№73120, 109585, плотность установки пьезомодулей и минимально возможный шаг их установки на клавиатуре ограничены наружным диаметром корпуса пьезомодуля. Во-вторых, применение клеевых соединений имеет технологические и эксплуатационные ограничения.
Все известные конструкции пьезомодулей имеют недостаток, связанный с ограничением нижней границы рабочего диапазона температурой -40°С. Указанный недостаток препятствует широкому использованию пьезомодулей в изделиях, эксплуатируемых в северных и арктических условиях. Для улучшения технических характеристик изделий применяют многослойные конструкции пьезокерамических элементов, которые благодаря своей компактности, простоте управления, высоким эксплуатационным параметрам и низкой стоимости применяют в аппаратуре различного назначения с использованием, как прямого (датчики, генераторы), так и обратного (актюаторы) пьезоэффекта [1, (1. Никифоров В., Климашин В., Сафронов А. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии, 2003, №4, с. 46-48., 2, (2. А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстрое, В.В. Григорьев, П.В. Карев. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. - СПб: Университет ИТМО, 2017. - 134 с. патент США US 7,495,368 В2]. В частности, за счет применения многослойных конструкций нижняя температурная граница работы современных актюаторов составляет -50÷-60°С [2].
Известно техническое решение по патенту РФ на полезную модель №104779, в которой предложено использовать пьезоэлектрический биморф для чувствительного элемента (ЧЭ) изгибного типа. Конструкция биморфа содержит два параллельно соединенных пьезокерамических элемента с электродами, рабочую зону, определяющую параметры ЧЭ, и нерабочую зону, не влияющую на параметры ЧЭ. Проводящие слои на участках нерабочей зоны обеспечивают электрический контакт внешних выводов и электродов биморфа. Участки нерабочей зоны предназначены для закрепления биморфа в посадочном месте ЧЭ, а также для фиксации областей контакта внешних выводов и электродов биморфа. Биморф выполнен в виде стержня, образуя консоль при его закреплении в посадочном месте ЧЭ. Закрепление и фиксация биморфа осуществлены путем заливки компаундом нерабочей зоны в посадочном месте ЧЭ.
Недостатками конструкции полезной модели являются: параллельное соединение пьезоэлементов, требующее использования дополнительного нейтрального провода и обычно применяемое в актюаторах [1,2]; меньшая чувствительность параллельного биморфа по сравнению с последовательным биморфом [2, с. 47]; консольная заделка биморфа, что усложняет конструкцию пьезомодуля; недостаточная надежность закрепления биморфа и его фиксация компаундом только в одном посадочном месте; недостаточный температурный диапазон работы ЧЭ.
Принимая во внимание отмеченные недостатки пьезомодулей существующего уровня техники, целью предлагаемой полезной модели является разработка простой, надежной и технологичной конструкции, обеспечивающей повышение чувствительности и расширение рабочего температурного диапазона пьезомодулей в области низких температур.
Заявленная цель достигается путем замены традиционно используемых в пьезомодулях пьезоэлементов в виде пьезокерамических пластин на пьезоэлемент-биморф. Применение биморфа позволяет получить новый технический результат: увеличить чувствительность пьезомодуля, снизить усилие нажатия для срабатывания пьезомодуля, расширить рабочий температурный диапазон и уменьшить нижнюю температурную границу работы пьезомодуля.
В пьезомодуле предлагается использовать последовательный пьезоэлемент-биморф, конструкцию которого поясняет фиг. 2, где обозначены: 8 - биморф в сборе, 6 - токопроводящий клей, 9 - пьезокерамические пластины с разным направлением поляризации, 10 - металлические электроды в контакте с токопроводящим клеем, 11 - отрицательный электрод биморфа, 12 - положительный электрод биморфа.
Биморф 8 состоит из двух последовательно соединенных пьезокерамических пластин 9 с противоположным направлением векторов поляризации. В этом случае генерируемое
биморфом напряжение является суммой напряжений, генерируемых каждой пьезопластиной. Пластины биморфа могут иметь различную форму - дисковые, стержневые и др. - в зависимости от конструкции конечного интегрированного изделия (пьезокнопки, пьезоклавиатуры или пьезопанели). Пластины биморфа соединяют токопроводящим клеем 6 или другими способами, например, спеканием с использованием промежуточного слоя металлосодержащей пасты. На поверхности металлических электродов 10, предназначенных для склеивания пьезопластин, с помощью скрайбера (резца, надфиля, тонкой наждачной бумаги или другими способами) наносят риски, затем пластины склеивают, и биморф выдерживают под нагрузкой до полного отверждения клея и стабилизации клеевого соединения. В результате увеличивают площадь склеивания и силу адгезии, что исключает проскальзывание и отслаивание поверхностей при деформировании биморфа. Применение токопроводящего клея обеспечивает высокую надежность электрического соединения электродов пьезопластин.
Применение последовательного биморфа позволяет: увеличить чувствительность пьезомодуля к механическим воздействиям; уменьшить усилие нажатия для срабатывания пьезомодуля в нормальных условиях эксплуатации до 0,3÷0,5 Н; увеличить генерируемое электрическое напряжение биморфа на 40÷60%; снизить границу рабочей температуры пьезомодуля до -60°С.
Конструкцию и работу пьезомодуля поясняет фиг. 3, на которой обозначены: 8 - пьезоэлемент-биморф, 2 - печатная плата с электронным ключом и выводами (на фиг. 3 не указаны), 13 - отрицательный электрод-держатель печатной платы, 14 - положительный электрод печатной платы, 11 - отрицательный электрод биморфа, 12 - положительный электрод биморфа, 15 - амортизатор биморфа, 16 - диэлектрический упор биморфа, 17 - крышка или защитная пленка пьезомодуля.
Конструктивным элементом пьезомодуля является электрод-держатель, который применяют для надежной фиксации элементов пьезомодуля и изготавливают из токопроводящих материалов (нержавеющая сталь, токопроводящая резина и др.). Профиль и количество электродов-держателей (один или более) могут быть различными в зависимости от формы биморфа, материала пьезокерамики и габаритов пьезомодуля.
Электроды-держатели 13 устанавливают на краях печатной платы 2 перпендикулярно или под углом к ее поверхности. Например, на фиг. 3 показано расположение одного Г-образного лепесткового электрода-держателя 13 относительно биморфа 8, упора 16, амортизатора 15 и положительного электрода печатной платы 14. Крепление электродов-держателей 13 к пьезоэлементу-биморфу 8 при сборке пьезомодуля осуществляют прижимом или другими способами - замковым, склеиванием. Лепестки электродов-держателей упруго прижимают к верхней контактной площадке 11 биморфа, соединяя с усилием в единый конструктив биморф
8, упор 16, печатную плату 2 и контакт 14. При сборке пьезомодуля биморф 8 вставляют между электродами-держателями 13 и элементами, выступающими на поверхности печатной платы 2 - амортизатором 15, упором 16 и электродом 14. Конструкция на Г-образных проводниках обеспечивает технологичность сборки и не требует дополнительного крепежа для обеспечения взаимной фиксации элементов пьезомодуля. Одновременно с механическим соединением электроды-держатели выполняют функцию токосъемника взамен токосъемника типа «зебра» или токопроводящего клея. Крепление электродов-держателей к электроду (контактной площадке) электронного ключа на печатной плате осуществляют с помощью точечной сварки, пайки, микромонтажа и другими способами. Таким образом, электроды-держатели обеспечивают надежную электрическую коммутацию однополярных электродов пьезоэлемента-биморфа и электронного ключа печатной платы. Например, на фиг. 3 электрод-держатель 13 соединяет отрицательный электрод 11 биморфа с отрицательным электродом электронного ключа печатной платы.
Электроды печатной платы 13, 14 должны быть разнесены на поверхности печатной платы 2. Вне зоны контакта с электродами биморфа электроды 13, 14 покрывают тонким слоем диэлектрика, например, лаком, краской или окисной пленкой.
При работе пьезомодуля биморф должен опираться на упоры, размещенные на печатной плате. Для создания максимального изгибного усилия на пьезопластины упоры располагают на периферии печатной платы, чтобы опорная плоскость биморфа опиралась на них краями. Например, в конструкции, изображенной на фиг. 3, использованы два упора, размещенных на концах диаметра дисковых пьезопластин биморфа - диэлектрический упор 16, расположенный рядом с электродом-держателем 13, и электрод 14, выполняющий роль второго упора. Упоры могут иметь различную форму (цилиндрическую, призматическую и др.), их количество для формирования увеличенного изгибного момента в центре биморфа может быть более двух.
Воздействие нормальной к поверхности биморфа силы приводит к изгибу пьезокерамических пластин, которые испытывают деформации сжатия-растяжения. Величина деформации зависит от усилия нажатия, свойств используемой пьезокерамики, температуры окружающей среды, расстояния между упорами биморфа, формы и габаритов пьезопластин (отношения расстояния между упорами к толщине). Вследствие испытываемых деформаций между электродами биморфа возникает напряжение, которое превышает напряжение, генерируемое единичной пьезопластиной [1, 2]. Поэтому работающие на изгиб последовательные биморфы имеют повышенную чувствительность и воспринимают слабые механические воздействия, что позволяет даже при низких температурах окружающей среды генерировать напряжение, достаточное для срабатывания электронного ключа пьезомодуля.
Защитное покрытие (крышку) 17 применяют для электрической изоляции и защиты соединений электродов-держателей с электродом биморфа и внешней поверхности пьезоэлемента от окисления, коррозии и механических повреждений. В качестве материалов крышки используют пленки и полимеры, такие как термопластичные полиуретаны, полиэтилен, силиконовая резина и др., имеющие с внешней стороны олеофобный слой и с внутренней стороны клеевое покрытые для сцепления с верхней пьезопластиной биморфа 8. Амортизатор 15 служит для восстановления формы биморфа после прекращения нажатия на пьезомодуль. Его изготавливают из пористой резины, поролона или других упругих диэлектрических материалов. Амортизатор размещают на печатной плате в точке, соответствующей стреле прогиба биморфа, и крепят к печатной плате клеевым соединением. Для обеспечения герметизации, монолитности и электрической изоляции пьезомодуля от агрессивных воздействий среды конструкцию заливают герметиком.
Работа пьезомодуля происходит следующим образом. При нажатии на защитное покрытие (крышку) 17 происходит изгиб пьезоэлемента-биморфа 8. Элементы конструкции пьезомодуля одновременно с силой прижимаются друг к другу, обеспечивая в режиме генерации электрического напряжения надежное электрическое и механическое соединение, передачу сигналов на электронный ключ и малые переходные сопротивления контактов. Вследствие изгиба пьезоэлемента-биморфа 8 между его положительным 12 и отрицательным 11 электродами возникает разность потенциалов. Она передается через электроды 13, 14 соответственно на отрицательные и положительные контактные площадки печатной платы 2, открывая электронный ключ печатной платы и коммутируя через выводы печатной платы (на фиг. 3 не показаны) внешнюю электрическую схему. После прекращения нажатия пьезоэлемент-биморф с помощью амортизатора 15 принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
В соответствии с полезной моделью изготовлены экспериментальные образцы пьезомодуля со следующими характеристиками: напряжение срабатывания электронного ключа пьезомодуля 0,4-0,5 В; в конструкции биморфа использованы серийно выпускаемые дисковые пьезокерамические пластины на основе титаната бария диаметром 12 мм и толщиной 220 мкм; соединение пластин биморфа выполнено высокоэлектропроводным клеем на основе синтетических смол с наполнителем - мелкодисперсным порошком серебра; материалы электродов: электроды биморфа - латунь, электрод-держатель и электрод-упор - сталь; диэлектрический упор - оргстекло; расстояние между упорами - 8 мм. В экспериментах получены следующие результаты: нижняя граница температуры срабатывания пьезомодуля фиксировалась в диапазоне от -65°С до -80°С при усилиях нажатия 0,8÷1,2 Н; усилие нажатия для срабатывания пьезомодуля при нормальных условиях составило 0.3÷0,5 Н.