Высокотемпературный термостабильный чувствительный элемент акселерометра

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения вибрационных и ударных ускорений. Более конкретно, полезная модель относится к многослойным пьезоэлектрическим чувствительным элементам, содержащим пьезоэлектрические кристаллы семейства лангасита.
Известно, что важнейшим функциональным узлом систем контроля являются датчики физических величин, воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта техники. Первичным узлом датчиков, регистрирующим и передающим информацию о параметрах объекта, является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы (см., например, патент Японии JP 2014157099, патент US 5869763). Достоинствами таких датчиков являются малые размеры, безинерционность и пассивный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии).
Пьезоэлектрические акселерометры предназначены для измерения вибрационных и ударных ускорений. В основе работы пьезоэлектрических акселерометров лежит прямой пьезоэлектрический эффект, который заключается в возникновении электрического заряда на чувствительном элементе при механическом воздействии.
Типичные конструкции чувствительных элементов для пьезоэлектрических акселерометров основаны на использовании пьезоэлектрической керамики, в том числе цирконат-титанат свинца (ЦТС, в английской аббревиатуре PZT) (см., например, Шарапов В.М., Мусиенко
М.П., Шарапова Е.В. «Пьезоэлектрические датчики», 2006, стр. 40). Так, опубликованные американские заявки US Patent Appln. 2009/0033179, US Patent Appln. 2015/0076967, US Patent Appln. 2010/0078505 раскрывают конструкции многослойных пьезоэлектрических элементов, содержащих пьезоэлектрические слои и внутренние электродные слои, внешние электроды соединяют пьезоэлектрические слои электрически, причем пьезоэлектрические слои выполнены из PZT материала.
1-x
x
v
Патент РФ №2561601 раскрывает многослойный пьезоэлектрический элемент, содержащий слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (BaCa)a(Tii.yZr)03, где 1,00<а<1,01, 0,02<х<0,30, 0,020<у<0,095 и у<х (1); при этом содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет от 0,02 до 0,40 весовых частей.
Последнее время востребованы датчики физических величин для работы в условиях высоких температур. Кроме того, датчик, предназначенный для работы в условиях повышенных температур, должен обладать высокой точностью измерения контролируемого параметра и быть надежен.
В связи с этим к материалу для изготовления чувствительного элемента высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков предъявляются жесткие требования: отсутствие фазовых переходов в пьезоэлектрическом материале в области рабочих температур, отсутствие пироэлектрического эффекта, отсутствие гистерезиса физических свойств, высокая чувствительность, определяемая высоким значением пьезомодулей материала, высокое удельное электрическое сопротивление, низкая деградация поверхности материала при контакте с электродами (см., например, J. Stade, et.all. "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite (LasGasSiOn), Langanite
(La3Ga5.5Nbo.5O14) and Langataite (LasGassTao^On)". Crystall Res. Technology 37, p.1113-1120, 2002, а также патент US, 7622851, "High temperature piezoelectric material").
Существенным недостатком пьезоэлектрической керамики, в частности, цирконат-титанат свинца, является весьма ограниченный диапазон эффективной работы при воздействии таких внешних дестабилизирующих факторов, как температура и динамические нагрузки. Так цирконат-титанат свинца обладает большим коэффициентом температурного дрейфа в области рабочих температур электроники. Уход отношения величины пьезомодуля к диэлектрической проницаемости, определяющего электрический отклик чувствительного элемента в виде напряжения на механическое воздействие, для упомянутой выше керамики в области рабочих температур электроники составляет десятки процентов.
По этой причине имеется потребность в промышленном производстве экономически эффективных миниатюрных высокоточных чувствительных элементов, которые могли бы обеспечить работу пьезоэлектрических датчиков в области рабочих температур электроники и динамических нагрузках до 20 ООО g.
В рамках данной заявки решается задача разработки такой структуры многослойного пьезоэлектрического чувствительного элемента для акселерометра, которая позволила бы увеличить интервал температур эксплуатации датчиков в область высоких температур и обеспечить их работоспособность при температуре до 200°С путем повышения термостабильности материала чувствительного элемента за счет исключения фазового перехода в пьезоэлектрическом материале чувствительного элемента. Решается также задача сохранения механической надежности конструкции чувствительного элемента к динамическим нагрузкам до 20 ООО g.
Поставленная задача решается тем, что высокотемпературный многослойный пьезоэлектрический чувствительный элемент для
акселерометра содержит чередующиеся плоскопараллельные пьезоэлектрические пластины с нанесенными на их противолежащие рабочие поверхности внутренние электроды и диэлектрические слои, где пьезоэлектрические пластины выполнены из материала, относящегося к семейству лангасита, и имеют ориентацию Х-среза (X - срез используется для возбуждения продольного пьезоэффекта), при этом внутренние электроды противоположной полярности выходят на противолежащие боковые поверхности каждой пьезоэлектрической пластины и соединены между собой двумя наружными электродами, обеспечивающими параллельное электрическое соединение пьезоэлектрических пластин.
Предпочтительно, что плоскопараллельные пьезоэлектрические пластины выполнены из лангатата La3Tao,5Ga5,50u или катангасита Ca3TaGa3Si20u, при этом данные пластины имеет ориентацию Х-среза.
Целесообразно, что пьезоэлектрические пластины имеют толщину из диапазона от 50 до 300 мкм.
Предпочтительно, что внутренние электроды выполнены из золота или
меди.
Целесообразно, что внутренние электроды имеют толщину из диапазона от 0,1 до 5 мкм.
Предпочтительно, что диэлектрические слои выполнены из эпоксидного клея или акрилового клея.
Целесообразно, что диэлектрические слои имеют толщину из диапазона от 10 до 50 мкм.
Предпочтительно, что внешние электроды выполнены из токопроводящей пасты на основе порошка серебра.
Сущность полезной модели состоит в том, что высокотемпературный многослойный пьезоэлектрический чувствительный элемент для акселерометра содержит чередующиеся пьезоэлектрические пластины с нанесенными на каждую из них двумя внутренними электродами и диэлектрические слои. Пьезоэлектрические пластины изготавливаются из Х-
срезов кристаллов семейства лангасита, при этом предъявляются требования к форме пластин и геометрии внутренних электродов. Диэлектрические слои выполнены из эпоксидного или акрилового клея и обеспечивают механическое соединение пьезоэлектрических слоев, устойчивое к динамическим нагрузкам до 20 ООО g, электрическую изоляцию внутренних электродов и дополнительную инерционную (сейсмическую) массу.
Для того чтобы снизить влияние температуры на работу чувствительного элемента в данной полезной модели использованы Х-срезы монокристаллов семейства лангасита, таких как лангатат LasTao.sGasjOu, катангасит Ca3TaGa3Si20i4. Выбор конкретного монокристалла определяется температурой эксплуатации датчика, при этом для более высокотемпературных диапазонов эксплуатации предпочтительнее использование монокристаллов катангасита.
Сущность высокотемпературного многослойного пьезоэлектрического чувствительного элемента для акселерометра, согласно данной полезной модели, поясняется графическим материалом, где:
- фиг. 1 изображает плоскопараллельную пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее противолежащие рабочие поверхности внутренними электродами;
- фиг. 2 изображает фрагмент многослойного пьезоэлектрического чувствительного элемента.
Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - пьезоэлектрическая пластина; 2 - внутренние электроды; 3 - диэлектрический слой; 4, 5 - внешние электроды.
Высокотемпературный термостабильный пьезоэлектрический чувствительный элемент, согласно полезной модели, представляет собой чередующиеся плоскопараллельные пьезоэлектрические пластины 1 с нанесенными на их противолежащие рабочие поверхности двумя внутренними электродами 2 и диэлектрические слои 3, при этом пьезоэлектрические пластины 1 с нанесенными на них внутренними
электродами 2 укладываются внутренними электродами 2 одинаковой полярности друг к другу таким образом, чтобы внутренние электроды 2 одной полярности выходили на одну боковую поверхность чувствительного элемента, а внутренние электроды 2 противоположной полярности выходили на противолежащую боковую поверхность чувствительного элемента, а также наружные электроды 4, 5, которые соединяют внутренние электроды 2 с образованием параллельного электрического соединения пьезоэлектрических слоев (фиг.2). Диэлектрические слои 3 обеспечивают механическое соединение, электрическую изоляцию пьезоэлектрических пластин 1, а также дополнительную инерционную (сейсмическую) массу. Внутренние электроды 2 изготавливается путем вакуумного напыления металла на противолежащие рабочие поверхности каждой пьезоэлектрической пластины 1 с образованием пары металлических внутренних электродов 2, при этом внутренние электроды 2 противоположной полярности выходят на противолежащие боковые поверхности пьезоэлектрической пластины 1 (фиг.1).
Ниже приведен неограничивающий пример реализации высокотемпературного термостабильного чувствительного элемента для акселерометра.
Пример
10-слойный пьезоэлектрический чувствительный элемент, согласно данной полезной модели, изготавливается путем соединения с помощью акрилового клея предварительно изготовленных из кристалла лангасита пьезоэлектрических пластин, имеющих ориентацию Х-среза, с сформированными на них путем нанесения слоев металлизации внутренними электродами и последующего формирования внешних электродов путем нанесения токопроводящей пасты.
Предварительно из объемного кристалла лангасита изготавливаются плоскопараллельные пьезоэлектрические пластины 1, каждая из которых имеет ориентацию Х-среза, длину, равную 6 мм, ширину, равную 3 мм, и толщину, равную 180 мкм. На противолежащих рабочих поверхностях каждой
пьезоэлектрической пластины 1 формируются внутренние электроды 2, имеющие длину, равную 5 мм, и ширину, равную 3 мм, таким образом, чтобы внутренние электроды 2 противоположной полярности выходили на противолежащие боковые поверхности пьезоэлектрической пластины 1 (фиг.1). В качестве материала внутренних электродов 2 используется золото. Золотые электроды толщиной 1 мкм наносятся методом напыления в вакууме.
Сборка пьезоэлектрических пластин 1 с внутренними электродами 2 в 10-слойный пакет выполняется следующим способом. Пьезоэлектрические пластины 1 с внутренними электродами 2 укладываются внутренними электродами 2 одинаковой полярности друг к другу таким образом, чтобы внутренние электроды 2 одной полярности выходили на одну боковую поверхность пакета, а внутренние электроды 2 противоположной полярности выходили на противолежащую боковую поверхность пакета (фиг.2). Перед укладкой в пакет на каждую пьезоэлектрическую пластину 1 с внутренними электродами 2 наносится диэлектрический слой 3. В качестве материала диэлектрических слоев 3 используется акриловый клей Анатерм-105. Толщина каждого диэлектрического слоя 3 составляет 35 мкм. После того, как укладка 10 пьезоэлектрических пластин в пакет завершена, производится склеивание пакета при комнатной температуре в течение двадцати четырех часов. Остатки клея на боковых поверхностях пакета удаляются шлифовкой.
Внешние электроды 4, 5 формируются на противолежащих боковых поверхностях 10-слойного пакета, на которые выходят внутренние электроды 2 одинаковой полярности (фиг.2). В качестве материала внешних электродов используется токопроводящая паста на основе порошка серебра ThreeBond3301F.
Высокотемпературный 10-слойный пьезоэлектрический
чувствительный элемент, выполненный согласно данной полезной модели, имеет следующие параметры:
- детектируемый диапазон ударных ускорений, до 20 ООО g;
- коэффициент преобразования по заряду, не менее 0,05 пКл/g;
- диапазон рабочих температур от минус 60 до 150°С, кратковременно до 200°С (1 час);
- величина электрической емкости при 25°С, 150 пФ;
- относительное изменение величины электрической емкости в интервале температур от минус 60 до 80°С, не более 1,5%.