МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДАТЧИК УДАРА
SMALL SENSOR OF SHOCK

Устройство относится к области пьезотехники и может быть использовано как частный случай акселерометра для измерения параметров удара, а также в смежных областях науки и техники для определения уровня ударных нагрузок.
В основу работы малогабаритного пьезокерамического датчика удара (далее - датчика) положено явление прямого пьезоэффекта, позволяющего получить на электродах, используемого в его конструкции пьезокерамического элемента (далее - пьезоэлемента), вследствие его деформации, как реакции на воздействующее на него ускорение, электрический сигнал, зависящий от величины этого ускорения [1]. По этому сигналу судят о параметрах ударного ускорения, что позволяет отнести датчик к акселерометрам.
Наиболее широкое применение в датчиках нашли осевые пьезоэлементы, работающие в основном на растяжение-сжатие (компрессионные датчики) и изгибные [2].
Компрессионные датчики обладают более высоким уровнем ударной прочности, но малой чувствительностью к ускорению, по сравнению с изгибными датчиками. В совокупности с рядом других достоинств и недостатков предпочтение может быть отдано тому типу пьезоэлемента, который наиболее соответствует решению поставленной технической задачи, в данном случае - минимальные габаритные размеры, достаточно высокий уровень чувствительности при большой механической прочности и др.
Изгибные датчики базируются на двух основных типах исполнения элементов биморфных пьезокерамических (далее - биморфы) - дисковых и стержневых. В данной работе рассматриваются только стержневые типы п. э., как менее габаритные, так и с целью упрощения изложения, поскольку принцип их работы одинаков.
Известен датчик компрессионного типа, конструкция которого может быть принята как базовая, ввиду ее широкого распространения [3, 4], содержащий пьезоэлемент (с дополнительной инерционной массой, по необходимости), жестко соединенный с частью всей конструкции, называемой основанием, которым весь датчик закреплен на контролируемом объекте, а также выводы, соединяющие электроды пьезоэлемента с внешними цепями.
К недостаткам такого датчика следует отнести ограничения, снижающие возможность уменьшения габаритных размеров, недостаточная направленная избирательность (аналог диаграммы направленности), большое выходное сопротивление (в основном емкостное, при малой выходной емкости), чувствительность к пироэффекту, как паразитному явлению для датчика, усложнение и удорожание конструкции датчика при его миниатюризации и др.
Принятие ряда технических мер при разработке датчиков позволит ослабить негативное влияние этих недостатков на их параметры.
Известен акселерометр компрессионного типа АВС 015 [5], имеющий малые массу и габаритные размеры и предназначенный для измерения параметров ускорения, в том числе и ударного, состоящий из пьезоэлемента, закрепленного внутри специального корпуса, на основании, составляющего одно целое с корпусом, электроды которого соединены с гибкими выводами, соединяющими их с внешними цепями.
Акселерометр АВС 015 обеспечивает сравнительно невысокий верхний предел измерения параметров ударного ускорения - около 2000g (пиковое значение до 4000 g), невысокую зарядовую чувствительность - коэффициент преобразования около 0,36 пКл/g, ограниченные конструктивно снизу габаритные размеры - 6×9×5 мм и масса - 1,0 г. Материал корпуса - ДСВ-2-Р-2МЛ-П по ряду свойств приближен к пластмассе [6] и имеет большой коэффициент линейного расширения, большое водопоглощение и др. Эти особенности акселерометра ограничивают его эффективность и возможности дальнейшей его миниатюризации при конструировании, что следует отнести к его недостаткам.
В то же время ряд параметров ABC 015 является уникальным, например допустимая температура окружающей среды до +200°С, и пригодность для специального применения, например при разработке и испытаниях двигателей, в том числе реактивных, но является совершенно избыточным для работы в обычных климатических условиях.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является достижение технического результата в виде повышения ударной прочности малогабаритного датчика удара и его чувствительности, уменьшения габаритных размеров и массы при улучшенных характеристиках корпуса, ударной прочности изделия и его чувствительности, уменьшения влияния на эксплуатационные характеристики паразитного пироэффекта, улучшения направленной избирательности и др.
Поставленная задача решается в конструкции малогабаритного датчика удара, состоящего из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, где в качестве пьезокерамического элемента использован пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, с учетом непропорциональной зависимости соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритов, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, причем внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа.
Существует вариант малогабаритного датчика удара, где габаритные размеры закрепления биморфа выбраны из заданного соотношения
габаритных размеров рабочей и нерабочей зон, при неизменных габаритных размерах самого пьезокерамического элемента биморфного.
Возможен также вариант датчика, где в качестве корпуса использован металлокерамический корпус типа SMD для поверхностного монтажа.
Возможно использование в малогабаритном датчике удара элемента биморфного последовательного типа.
Известно, что изгибные чувствительные элементы (далее - ЧЭ) консольного исполнения обладают более высоким показателям в части более высокой чувствительности к измеряемому ускорению, меньшему выходному сопротивлению (за счет большей выходной емкости) и существенно меньшими прочностными характеристиками, чем осевые - компрессионные ЧЭ. В то же время ряд положительных качеств компрессионных ЧЭ оказывается избыточным, например высокая механическая ударная прочность, для решения многих практических задач, а их недостатки делают эти задачи невыполнимыми (например, разработку датчиков существенно меньших габаритных размеров, чем ABC 015 и более высокой чувствительности).
Что касается ЧЭ консольного типа, то их предельные возможности по достижению совокупности этих противоречивых требований недостаточно изучены ввиду развития разработок подобных изделий по пленочной технологии методом литья пленки [7].
Теоретически и экспериментально установлено, что с уменьшением толщины биморфа убывает прочность ЧЭ по отношению к ударным нагрузкам, но возрастает его чувствительность к ним. Уменьшением длины рабочей зоны можно восстановить эту величину, но при этом чувствительность ЧЭ не восстанавливается, а остается большей, чем была (фиг. 4). Учет такой непропорциональной зависимости соотношения электрофизических параметров ЧЭ от соотношения его габаритных размеров позволяет уменьшать габаритные размеры ЧЭ в широких пределах, увеличивая или ударную прочность изделия при сохранении его чувствительности, или наоборот, или иную их комбинацию. Для обычных биморфов это ограничивалось возможностями технологии, а именно в обеспечении толщины пьезоэлемента, из которых его изготавливали, менее 0,2 мм. Технология изготовления биморфов путем использования технологии литья пьезокерамической пленки позволяет уменьшить эту величину на порядок.
К достоинствам биморфов следует отнести также как высокую пространственную избирательность, так и противодействие пироэффекту, как при их последовательной конструкции, так и при параллельной. Например, при последовательной конструкции биморфа (наиболее простой при изготовлении) вектор поляризации каждого из составляющих его пьезоэлементов направлен противоположно (фиг. 2). В этом случае разность потенциалов между каждой из составляющих одинакового пироэффекта (синфазная) даст нулевое значение на выходе, и только не синфазная составляющая (не одинаковый нагрев каждого пьезоэлемента, различие их параметров и т.д.), оставит негативное влияние паразитного пироэффекта, влияющее на результаты измерений, но ослабленным за счет учета синфазной составляющей.
Использование стандартного металлокерамического корпуса, в свою очередь, позволяет реализовать при размещении в нем пьезокерамического консольного ЧЭ высокую герметизацию, миниатюризацию, возможность при этом поверхностного монтажа и др.
Таким образом, отличительными признаками заявляемого устройства является то, что малогабаритный датчик удара, состоящий из пьезокерамического элемента, закрепленного внутри корпуса, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, где в качестве пьезокерамического элемента использован малогабаритный пьезокерамический элемент биморфный, изготовленный по пленочной технологии, с учетом непропорциональной зависимости соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритов, закрепленный компаундом одним из концов в виде консоли внутри металлокерамического корпуса, причем внешние электроды пьезокерамического элемента биморфного соединены проводниками с контактными площадками корпуса, предназначенного для поверхностного монтажа; габаритные размеры закрепления биморфа выбраны из заданного соотношения габаритных размеров рабочей и нерабочей зон, при неизменных габаритных размерах самого пьезокерамического элемента биморфного; в качестве корпуса датчика использован металлокерамический корпус типа SMD для поверхностного монтажа; в качестве пьезокерамического элемента используется элемент биморфный последовательного типа.
На фиг. 1 приведен чертеж корпуса фирмы KYOCERA.
На фиг. 2 показана конструкция и габаритные размеры биморфа.
На фиг. 3 представлено фото закрепления биморфа в корпусе.
На фиг. 4 схематически изображен биморф, закрепленный в корпусе.
На фиг. 5 представлено фото малогабаритного датчика удара.
0
0
Устройство опробовано на предприятии. Был разработан макетный образец акселерометра - малогабаритного датчика удара в металлокерамическом корпусе фирмы KYOCERA, габаритные размеры которого составляли 7,0×5,0×1,5 мм (фиг. 1). Для этого была разработана конструкция и технология изготовления (методом литья пленки) биморфа с габаритными размерами 5,6×2,5×0,25 мм (фиг. 2). Этот биморф закрепляли эпоксидным компаундом внутри корпуса одним из концов (фиг. 3), создавая, таким образом, ЧЭ консольного типа. Не изменяя габаритных размеров биморфа (длины l), меняя величину закрепления нерабочей зоны Δl=l-l,
изменяли длину рабочей зоны l (фиг. 4) изменяли, таким образом, максимальное допустимое ударное ускорение и получаемое при этом значение коэффициента преобразования.
0
Окончательно, ЧЭ имел длину l=5,6 мм, l=4,1 мм, причем использовали биморф последовательного типа.
Собранный макет датчика приведен на фиг. 5. Его основные параметры составили (типовые значения):
вых
С ≈ 690nФ - выходная емкость;
напр
К ≈ 4,6 мВ/g - чувствительность по напряжению;
заряд
К ≈3,1nКл/g - чувствительность по заряду;
а
mах
≈6000÷8000g - предельное ударное ускорение, при котором биморф ломается.
При сравнении с параметрами ABC 015 (справочные данные):
вых
С≈180nФ;
напр
К≈2,0 мВ/g;
a
mах
≈4000g,
видно, что макет изгибного датчика более эффективен и имеет большие перспективы в дальнейшем усовершенствовании. Это послужило основанием о постановке соответствующей ОКР на предприятии.
Литература:
1. В.В. Янчич: Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) / В.В. Янчич - М: Изд. ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010 г. - 24 с.
2. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Изд. ООО «ФУ Аинформ», Минск, 2003 г. - 42 с.
3. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / Изд. ООО «ФУ Аинформ», Минск, 2003 г. - 44 с.
4. В.В. Янчич: Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры) / В.В. Янчич - М: Изд. ЮФУ, Ростов-на-Дону, 2010 г. - 46 с.
5. Датчики теплофизических и механических параметров / Справочник, том II - М: Изд. «Радиотехника», 1999 г. - 428-429 с.
6. В. Громов: Электроника. Металлокомпозиционные корпуса с полостью / В. Громов, №2 (00133), 2014 г. - 106-112 с.
7. Способ изготовления монолитных многослойных пьезокерамических элементов-столбиков: патент №2540440, Рос. Федерация: Н01L 41/273 / Головнин В.А. и др.; заявитель и патентообладатель г. Москва, Зеленоград - ОАО «НИИ «Элпа». - 2013136032/28; заявл. 01.08.2013, опубл. 10.02.2015 - 6 с.