ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР
PIEZOELECTRIC INSTRUMENT

Областью применения изобретения является электронная техника, а более конкретно пьезоэлектроника, миниатюрные источники тока, преобразователи механической энергии в электрическую, преобразователи электрической энергии в механическую, прецизионные датчики перемещений, звукоизлучающие устройства, исполнительные и регистрирующие элементы микроэлектромеханических систем.
Известен пьезоэлектрический прибор-преобразователь механической энергии в электрическую и электрической в механическую, преобразование энергии в котором осуществляется путем изгибной деформации биморфа, состоящего из двух пьезоэлектрических пластин [1]. Изгиб биморфа под воздействием механических колебаний приводит к сильному сжатию в одной пластине и к растяжению в другой пластине биморфа, их поляризации и возникновению электрического поля перпендикулярно механическому напряжению. Недостатком данной конструкции является слабая чувствительность данного элемента к слабым механическим вибрациям, поскольку толщина каждой пластины биморфа составляет несколько десятков микрометров и требуется звуковая волна с большой амплитудой, чтобы биморф стал заметно деформироваться.
Известен также пьезоэлектрический прибор-преобразователь механической энергии в электрическую, действие которого основано на прямом пьезоэффекте, возникающем в тонком слое титаната бария под воздействием механических вибраций [2]. Основу устройства составляет полосок титаната бария, концы которого закреплены на подложке, а средняя часть находится в подвешенном состоянии. Под воздействием механических колебаний полосок начинает раскачиваться, при этом генерируется электрический ток. В отличие от предыдущей конструкции эта является чувствительной к колебаниям различной частоты и с невысокой амплитудой, поскольку толщина полоска составляет ~50 нм. Недостатком данного пьезоэлектрического прибора является малый угол изгиба полоска и, как следствие, очень низкая величина сигнала, снимаемого с концов пьезоэлектрического полоска.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрический прибор, включающий подложку, пьезоэлектрический элемент, содержащий пьезоэлектрическую проволоку, способную сгибаться и разгибаться, имеющую первый конец, расположенный на подложке, и противоположный второй конец, первый электрод, связанный с первым концом, и второй электрод, связанный со вторым концом так, что когда пьезоэлектрическая проволока находится в процессе сгибания, возникает электрическая характеристика между первым и вторым электродом, или когда создается электрическая характеристика между первым и вторым электродом, пьезоэлектрическая проволока начинает сгибаться [3].
Единичный наноразмерный пьезоэлектрический элемент имеет слабый электрический сигнал, поэтому для получения заметного полезного электрического сигнала используется массив таких параллельно включенных пьезоэлектрических элементов.
Особенностью рассматриваемого пьезоэлектрического элемента является то, что при сгибании пьезоэлектрической проволоки на первом ее конце в результате ее поляризации возникают как положительный, так и отрицательный заряд, поэтому когда имеется массив параллельно включенных пьезоэлектрических элементов, возникает проблема коммутации для снятия электрической характеристики. В этой связи второй электрод должен коммутироваться только к той части второго конца каждой пьезоэлектрической проволоки, который имеет заряд одного типа.
В связи с этим недостатками способа [3] является то, что:
1) заметная часть параллельно включенных пьезоэлектрических элементов в массиве оказывается нефункциональными либо по причине закоротки вторым электродом положительно и отрицательно заряженных областей второго конца пьезоэлектрической проволоки, подвергаемой изгибанию, либо по причине отсутствия их контакта со вторым электродом из-за наблюдаемого различия пьезоэлектрических проволок по длине;
2) другая часть - правильно скоммутированных параллельно включенных пьезоэлектрических элементов имеет некачественный, незафиксированный, непостоянный контакт со вторым электродом, что вызывает неизбежные потери электрической энергии, выработанной изгибанием пьезоэлектрической проволоки.
Задачей настоящего изобретения является создание пьезоэлектрического прибора с более значительным процентом эффективно задействованных пьезоэлектрических проволок по отношению к их общему числу и более высокой эффективностью передачи электрической энергии со второго конца пьезоэлектрической проволоки на второй электрод, т.е. создание пьезоэлектрического элемента с более высоким коэффициентом полезного действия.
Для достижения указанного технического результата в пьезоэлектрическом приборе, включающем подложку, пьезоэлектрический элемент, содержащий пьезоэлектрические проволоки, способные сгибаться и разгибаться, имеющие первый конец, расположенный на подложке, и противоположный второй конец, первый электрод, связанный с первым концом, и второй электрод, связанный со вторым концом так, что когда пьезоэлектрические проволоки находятся в процессе сгибания, возникает электрическая характеристика между первым и вторым электродом, или когда создается электрическая характеристика между первым и вторым электродом, пьезоэлектрические проволоки начинают сгибаться, используют второй электрод, сформированный на поверхности, имеющей углубление такого размера, чтобы пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента входили в указанное углубление, причем количество пьезоэлектрических проволок таково, чтобы они зафиксировали друг друга в указанном углублении, обеспечивая надежный электрический контакт с вторым электродом.
Следует отметить, что когда пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента достаточно длинные, при зафиксированном их втором конце на втором электроде будет возникать отрицательный заряд. Более того, при зафиксированном их втором конце на втором электроде при воздействии механической волны, под воздействием которой пьезоэлектрические проволоки сгибаются и разгибаются, будет сниматься как отрицательный заряд, так положительный заряд, что является невозможным для конструкции, предложенной в прототипе, где снимается только положительный заряд, и также доказывает то, что приведенная совокупность отличительных признаков позволяет получить новый пьезоэлектрический прибор, отличающийся от прототипа.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что пьезоэлектрический элемент содержит две или более пьезоэлектрические проволоки, а второй электрод сформирован на поверхности, имеющей углубление такого размера, чтобы пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента входили в указанное углубление, причем количество пьезоэлектрических проволок таково, чтобы они зафиксировали друг друга в указанном углублении, обеспечивая надежный электрический контакт со вторым электродом.
Увеличение числа пьезоэлектрических проволок в одном пьезоэлектрическом элементе направлено на осуществление фиксации пьезоэлектрических проволок в углублении второго электрода с целью улучшения условий съема электрической энергии, что выражается в увеличении величины электрической энергии, снимаемой с одной пьезоэлектрической проволоки по сравнению с количеством электрической энергии, снимаемой с одной пьезоэлектрической проволоки в прототипе, поэтому в заявляемом способе увеличение числа пьезоэлектрических проволок в одном пьезоэлектрическом элементе вместе с наличием углубления второго электрода является новым техническим решением. Число пьезоэлектрических проволок, входящих в углубление второго электрода и необходимых для их фиксации внутри него, определяется самопроизвольным образом при сборке рассматриваемого пьезоэлектрического прибора и зависит от горизонтального размера (диаметра) углубления, второго электрода. При достаточно большом диаметре в углубление может входить даже несколько десятков пьезоэлектрических проволок. Тем не менее, важным является то, что все пьезоэлектрические проволоки среди вошедших в углубление, которые касаются второго электрода, будут касаться его одинаковой областью заряда.
Часто наноструктурированный материал растет в виде ленты или трубки, поэтому в качестве пьезоэлектрической проволоки может быть использована пьезоэлектрическая лента или пьезоэлектрическая трубка.
Известным материалом, который обладает пьезоэлектрическими свойствами и который может быть выращен в виде нанопроволок, является полупроводниковое соединение ZnO.
Поскольку длина и форма сечения пьезоэлектрической проволоки могут быть получены разными, в зависимости от длины и формы сечения пьезоэлектрической проволоки имеет смысл с целью более качественного фиксирования вторых концов пьезоэлектрических проволок выбирать форму углублений из группы: цилиндрообразная, призмообразная, конусообразная, пирамидообразная.
Поскольку электрический контакт пьезоэлектрических проволок пьезоэлектрического элемента со вторым электродом обеспечивается механическим способом благодаря их фиксации в углублении второго электрода, для сохранения электрического контакта в процессе длительной эксплуатации важно, чтобы второй электрод не окислялся, поэтому в качестве материала второго электрода целесообразно использовать или платину, или палладий, или золото, или серебро.
2
3
Желательно второй электрод сформировать на пористом анодном оксиде алюминия. Основные привлекательные особенности пористого анодного AlO - это упорядоченность расположения пор и возможность довольно в широких пределах варьировать диаметр пор, изменяя режимы формирования и состав электролита.
Единичный наноразмерный пьезоэлектрический элемент имеет слабый электрический сигнал, поэтому для получения заметного полезного электрического сигнала целесообразно использовать массив таких параллельно включенных пьезоэлектрических элементов.
Поскольку массив пьезоэлектрических элементов является гигроскопичным, целесообразно загерметизировать массив пьезоэлектрических элементов эластичным материалом, обеспечивающим возможность сгибания пьезоэлектрических проволок, между первым и вторым электродом.
На фиг.1 представлен пьезоэлектрический прибор, где 1 - подложка; 2 - первый электрод; 3 - пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента, 4 - первый конец пьезоэлектрических проволок; 5 - второй электрод; 6 - второй конец пьезоэлектрических проволок; 7 - углубление второго электрода. Когда пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента короткие при зафиксированном их втором конце на втором электроде возникает положительный заряд (Фиг.1, а). В случае, когда пьезоэлектрические проволоки пьезоэлектрического элемента достаточно длинные, при зафиксированном их втором конце на втором электроде будет возникать отрицательный заряд (Фиг.1, б).
На фиг.2 в качестве примера представлена микрофотография массива проволок экспериментального образца, из которой видно, что пьезоэлектрические проволоки имеют диаметр порядка 20 нм, достаточно строго вертикально ориентированы и по длине различаются незначительно, что обеспечивает их вхождение верхними концами в углубления верхнего электрода.
Фиг.3 в качестве примера демонстрирует микрофотографию второго электрода экспериментального образца, представляющего собой пористый анодный оксид алюминия покрытый тонкой пленкой золота, из которой можно видеть диаметр углублений второго электрода 100-200 нм, в которых могут зафиксироваться от нескольких единиц до нескольких десятков пьезоэлектрических проволок в зависимости от диаметра углубления.
Фиг.4 показывает зависимость изменения сигнала наногенератора во времени при воздействии на нее механической волны, из которого можно видеть, что сигнал наногенератора, изготовленного в соответствии с заявляемым изобретением, может быть как отрицательным, так и положительным, в то время как наногенератор, изготовленный в соответствии с прототипом, выдает только положительный сигнал.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.
2
3
2
3
2
3
Пример 1. На поверхность подложки кремния посредством магнетронного распыления наносится слой Ni толщиной 400 нм. С использованием взрывной фотолитографии и магнетронного распыления поверх слоя Ni формируются области затравочного слоя ZnO толщиной 200 нм и размером 3 мм × 3 мм. Далее методом электрохимического осаждения селективно на поверхности ZnO выращивается массив нанопроволок ZnO, имеющих диаметр -20 нм и длину ~1 мкм. После этого подложка разрезалась на чипы. На вторую подложку кремния магнетронным распылением наносится слой Al толщиной 1 мкм. Далее посредством процесса анодного окисления слоя Al в формировался слой пористого AlO толщиной 250 нм с диаметром пор 100-200 нм. На поверхность слоя пористого AlO посредством магнетронного распыления наносился слой Pt толщиной 200 нм так, чтобы платиновый слой был и на внутренних поверхностях пор анодного оксида. После этого вторая подложка разрезалась на чипы. Далее производилась сборка пьезоэлектрического элемента: с использованием эластичного герметика по периферии на чип с первой пластины опускался чип со второй пластины лицом к лицу, в результате чего пьезоэлектрические проволоки ZnO свободными концами зашли вовнутрь пор анодного оксида алюминия, осуществив электрический контакт с Pt, покрывающей поверхность AlO, включая внутреннюю поверхность пор. На заключительном этапе производилась распайка коммутационных выводов к слою Ni на чипе первой подложки и к слою Pt на чипе второй подложки.
Воздействие механических колебаний, например звуковых волн или вибрации, на данный пьезоэлектрический прибор вызывает периодический процесс сгибания и разгибания пьезоэлектрических проволок каждого пьезоэлектрического элемента. Когда происходит процесс сгибания, область второго конца каждой пьезоэлектрической проволоки, касающаяся второго электрода, поляризуется в зависимости от направления сгибания, что приводит к появлению разности потенциалов между первым и вторым электродами и возникновению электрического тока при наличии замкнутой цепи. Когда происходит процесс разгибания, разность потенциалов между первым и вторым электродами и электрический ток отсутствуют.
Подача переменной разности потенциалов между первым и вторым электродом поляризацию области второго конца каждой пьезоэлектрической проволоки, касающейся второго электрода, что вызывает процесс сгибания-разгибания пьезоэлектрических трубок в зависимости от знака разности потенциалов и возникновение колебаний подложек, на которых сформированы первый и второй электрод. Это приводит к возникновению звуковой волны.
Представленная совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки прототипа и получить пьезоэлектрический прибор с более значительным процентом эффективно задействованных пьезоэлектрических проволок по отношению к их общему числу и более высокой эффективностью передачи электрической энергии со второго конца пьезоэлектрической проволоки на второй электрод, т.е. создать пьезоэлектрический прибор с более высоким коэффициентом полезного действия.
Источники информации
1. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. Л.: Машиностроение, 1986, 256 с.
3
2. Wang Z., Hu J., Suryavanshi A.P., Yum K., Yu M.-F. Voltage Generation from Individual BaTiO Nanowires under Periodic Tensile Mechanical Load // Nano Lett., 2007. 7 (10), p.2966-2969.
3. Патент США № US 2008/0067618 A1 - прототип.