СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ПЬЕЗОТЕХНИКИ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF PIEZO-EQUIPMENT PRODUCTS

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в технологии изготовления изделий пьезотехники (далее изделий), работающих на изгибных модах колебаний.
В ходе изготовления изделия пьезотехники, входящие в его состав пьезокерамические элементы (далее п.э.) фиксируются в специальных посадочных местах, подвергаясь при этом зажатию.
Известно, что в результате внешних воздействий, возникающих в ходе изготовления изделий по заданной технологии, могут изменяться параметры пьезокерамики, в частности ее диэлектрическая проницаемость, по степени, изменения которых можно прогнозировать и определять параметры изделия на выходе технологической цепочки. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять отбраковку заготовок изделия на ранних стадиях процесса его изготовления.
Параметры пьезокерамики определяют параметры изготавливаемых из нее заготовок п.э. и самих п.э. В частности, ее диэлектрическая проницаемость определяет ее электрическую емкость п.э. как конденсатора (далее емкость).
Известно, что в результате поляризации пьезокерамических заготовок они обретают свойства п.э. При этом емкость заготовки отличается от емкости п.э.
В частности ее диэлектрическая проницаемость определяет емкость п.э. как конденсатора [1], что позволяет вместо диэлектрической проницаемости контролировать емкость п.э., как величину более удобную для измерений. При этом под п.э. понимается и его заготовка, подлежащая поляризации.
Известно, что в результате поляризации изменяется емкость п.э. и по величине этого изменения можно судить о качестве поляризации [2], прогнозировать и определять (далее определять) параметры готового изделия, и тем самым предотвратить проникновение бракованных п.э. на дальнейшие операции изготовления изделия.
Способ имеет недостатки. Основным из них является такой недостаток, как отсутствие возможности при отбраковке заготовок учесть влияние других технологических операций на изменение емкости п.э., в частности такой операции как фиксация п.э. в специальных посадочных местах изделия, подвергая их при этом зажатию.
Этот недостаток существенно снижает надежность определения параметров изделия на ранних стадиях его изготовления.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения коэффициента электромеханической связи п.э. [3, 4], применяемый при аттестации пьезокерамических материалов и позволяющий, тем самым, определить параметры изготавливаемых на их основе изделий пьезотехники, а точнее определить пригодность пьезокерамического материала для применения в данном изделии.
Способ основан на измерении емкости свободных п.э. специальной конструкции и этих же п.э., полностью зажатых, в ходе технологических операций их установки в имитатор изделия, обеспечивающего их полное зажатие в измерительной установке, определение различия этих емкостей и определение по различию этих емкостей коэффициента электромеханической связи пьезокерамики, из которой изготовлены н.э., входящие в состав имитатора изделия по формуле [3, 5]:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Ж</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Ж</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>K</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
,
где:
ЗАЖ
С - емкость зажатого п.э.;
СВ
С - емкость свободного п.э.;
ЗАЖ
ε - диэлектрическая проницаемость зажатого образца пьезокерамики;
СВ
ε - диэлектрическая проницаемость свободного образца пьезокерамики;
К - коэффициент электромеханической связи, а по величине К, как одному из основных параметров, характеризующих пьезоактивность пьезокерамики [6], определение параметров изготавливаемого изделия пьезотехники, в состав которого входят п.э., изготавливаемые из этой пьезокерамики, осуществляя фактически выбор пьезокерамического материала по его пригодности для изготовления изделия.
Сущность способа заключается в следующем.
При подаче на электроды п.э. как конденсатора электрического сигнала, в нем накапливается энергия. Если п.э. свободный, то эта энергия состоит из двух составляющих, электрической, как энергии электрического поля, и механической, как энергии, запасаемой в деформации п.э. вследствие обратного пьезоэффекта (для прямого пьезоэффекта результаты будут аналогичны). Коэффициент К отражает их соотношение. Если п.э. полностью зажат, то в п.э. в этом случае накапливается только электрическая составляющая энергии как в конденсаторе, а механическая составляющая отсутствует, поскольку деформация п.э. равна нулю.
ЗАЖ
СВ
Таким образом, по результатам измерений С и С определяют величину К по вышеприведенной формуле.
Следует заметить, что фигурирующая при этом диэлектрическая проницаемость ε, определенная как отношение емкости п.э. как конденсатора, пространство, между электродами которого заполнено пьезокерамикой и того же конденсатора, но в котором вместо керамики вакуум [1], уже не соответствует ε, определяемой как отношение кулоновского взаимодействия (силы) двух зарядов в вакууме и среде, которую эта величина и характеризует [7]. Эквивалентность этих определений ε верна для обычных диэлектриков и не верна для пьезокерамики.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Ж</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Таким образом, определив на вспомогательной технологической операции изготовления изделий, необходимой для оценки пьезоактивности пьезокерамики, отношение
, можно определить параметры готового изделия на ранней стадии его изготовления.
Недостатки способа.
ЗАЖ
1. Способ ориентирован на измерение емкости абсолютно свободного и абсолютно зажатого п.э. Как указано в [3] полное зажатие п.э. практически невозможно и для определения величины К прибегают к специальным методам, например путем экстраполяции результатов измерения С на высоких частотах в более низкие. Кроме того, в реальных конструкциях изделий пьезотехники полное зажатие п.э. не предусматривается (при этом теряет смысл сам пьезоэффект), а зажатие осуществляется как оптимальное, различное для каждой конструкции изделия, и определяется технологией его изготовления.
2. Способ характеризует пьезокерамический материал и практически не характеризует изменение емкости, изготовленных из него п.э. при их частичном зажатии в ходе технологических операций, проводимых над ними в процессе изготовления изделия.
Эти недостатки не обеспечивают надежность технологии изготовления изделий пьезотехники, заключающейся в отбраковке его заготовок на ранних стадиях изготовления по изменению емкости п.э., величина которой задана этой технологией.
Одним из путей решения этих задач является дополнительное определение различия емкости свободных п.э., непосредственно входящих в состав изделия, и емкости этих же п.э., частично зажатых в ходе изготовления изделий.
При этом, определив однажды соотношение между параметрами готового изделия, изготовленного с использованием этих п.э. и различием упомянутых емкостей этих п.э., это соотношение может быть в дальнейшем использовано в технологии изготовления изделий пьезотехники, например, путем установки границ допустимого различия емкостей с целью недопущения бракованных заготовок изделий на дальнейшие операции их изготовления.
Для каждой конструкции изделия пьезотехники упомянутое соотношение должно определяться отдельно расчетно-экспериментальным путем и, будучи определенным, внесено в технологию изготовления изделия.
Типичным случаем частичного зажатия п.э. является его фиксация путем клеевого соединения с посадочным местом - металлической мембраной в ходе изготовления пьезокерамического преобразователя изгибного типа, например излучателей-микрофонов типа МУП-4. В этом случае при подаче на п.э. электрического сигнала п.э. деформируется, но та часть его поверхности, которая соединена с мембраной деформируется слабее, теоретически вовсе не деформируется. В этом случае деформируется мембрана, возбуждаемая п.э., формируя, таким образом, изгиб. Аналогичный процесс происходит при прямом пьезоэффекте. П.э. при этом оказывается зажат частично, и чем больше это частичное зажатие (не превышающее оптимального), тем эффективнее работает структура п.э. - мембрана, тем больше изменение емкости п.э., которая уменьшается на десятки процентов.
Подобный процесс происходит и в структуре биморфа, образованного двумя плоскими п.э., жестко соединенными между собой, например, путем клеевого соединения. В этом случае максимальный эффект изгиба усиливается приблизительно вдвое, поскольку роль пассивной мембраны играет пьезоактивный п.э. В дальнейшем под мембраной будем понимать и пассивный элемент биморфа, заменяющий один из п.э.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении процента выхода годных изделий за счет того, что дополнительно определяют изменение емкости п.э., входящих в его состав, вследствие технологического частичного их зажатия на ранних стадиях его изготовления, а по этому изменению емкости п.э. определяют параметры готового изделия, которые будут получены при этом изменении емкости, и отбраковывают заготовки на ранних стадиях изготовления изделия, изменение емкости п.э., в которых не позволит получить требуемые параметры готового изделия.
Поставленная задача решается в способе определения параметров изделий пьезотехники, включающем в себя измерение емкости свободных п.э. и зажатых в ходе технологических операций изготовления изделий пьезотехники, определение различия этих емкостей и определение параметров изделия по различию этих емкостей, причем дополнительно определяют различие емкости свободных п.э., непосредственно входящих в состав изделий и емкости этих же п.э., частично зажатых в ходе изготовления изделий, а при изготовлении пьезокерамического преобразователя изгибного типа находят различие емкостей п.э., вызванное частичным его зажатием при его клеевом соединении с посадочным местом - мембраной, или находят различие емкостей п.э., вызванное частичным их зажатием при их соединении между собой в биморф.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что дополнительно определяют и различие емкостей свободных п.э., входящих в состав изделия непосредственно, и этих же п.э., частично зажатых в ходе операций изготовления изделия с жесткостью, заданной технологией изготовления изделия.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении процента выхода годных изделий.
Пример реализации заявленного способа.
При изготовлении ультразвуковых преобразователей изгибного типа МУП-4 [7], часть из них забраковывалась по уровню развиваемого звукового давления на расстоянии 30 см при подаче на его вход сигнала 10 В. Оно должно было составлять не менее 106 дБ. Используемые для МУП-4 п.э. ⌀7,1×0,16 мм, закрепляемые путем клеевого соединения на мембране, все были в пределах нормы. Из анализа протоколов измерений установлено, что при закреплении п.э. на мембране, его емкость уменьшалась с 3600 пФ до 2800 пФ (типовые значения), т.е. на 21÷23%. При этом, если уменьшение было менее 21%, звуковое давление не достигало 106 дБ, а если более 23%, то оно достигало величины 111 дБ и выше. Таким образом, возникает возможность ввести в технологию изготовления МУП-4 браковочный параметр, позволяющий отбраковывать некачественные заготовки после операции клеевого соединения п.э. и мембраны, в сущности, оценивая при этом качество клеевого соединения. Например, на качество такого соединения сильное влияние может оказать воздушный пузырек и др.
При изготовлении пьезокерамических чувствительных элементов (ЧЭ) изгибного типа [7], часть из них бракуется по коэффициенту преобразования К, который должен быть не менее 26 мВ/g. Для этого в конструкции ЧЭ предусмотрено использование биморфа, образованного двумя плоскими п.э., жестко соединенными между собой клеевым соединением. Из анализа брака и протоколов измерений установлено, что при клеевом соединении п.э. в биморф их суммарная емкость уменьшается от 17 нФ на 9,5÷10% (типовые значения). В этом случае величина К достигает 26÷28 мВ/g. Если же уменьшение емкости не превышает 9,5%, то величина К не достигает 26 мВ/g. Был детально проанализирован забракованный биморф, у которого уменьшение емкости не превышало 7,6%, а величина К достигала 21 мВ/g. Установлено, что при соединении п.э. в биморф клеевым соединением, между ними оказался воздушный пузырек, и соединение произошло не по всей поверхности, что в свою очередь уменьшило степень частичного их зажатия, а с ним уменьшились как емкость, так и K.
Таким образом, и в этом случае появляется возможность ввести в технологию изготовления ЧЭ браковочный параметр, позволяющий по изменению емкости п.э. отбраковывать некачественные заготовки ЧЭ на стадии изготовления биморфа, а не на конечной стадии.
Литература
1. И.А. Глозман. Пьезокерамика. М., «Энергия» 1972 г., с.60-64.
2. Е.Г. Смагиевская, Н.Б. Фельдман. Пьезоэлектрическая керамика. М., «Советское Радио» 1971 г., с.116.
3. Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. Пьезоэлектрическая керамика. М., «Мир» 1974 г., с.13, 30.
4. Материалы пьезокерамические. Технические условия ОСТ 11 0444-87.
5. К. Окадзаки. Технология керамических диэлектриков. М., «Энергия» 1976 г., с.229.
6. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М., «Наука» 1968 г., с.342.
7. http://www.elpapiezo.ru.