ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Область техники.
Полезная модель относится к относится к электронным пиро-пьезокерамическим элементам с высокой обнаружительной способностью по отношению к источникам светового и теплового излучения и устойчивостью к вибропомехам и может быть использована в производстве датчиков пожарной и охранной сигнализации.
Свето-теплочувствительные элементы являются ответственной функциональной частью пироэлектрических датчиков пожарной и охранной сигнализации, обеспечивающие их высокую чувствительность в инфракрасном диапазоне длин волн и оптимальное время срабатывания. Предлагаемый пиро-пьезокерамический элемент эффективен в качестве преобразователя в электрические сигналы от перемещающихся в помещении источников световых и тепловых воздействий.
Предшествующий уровень техники.
В ведущих в научно-техническом отношении странах пироэлектрики интенсивно разрабатывают в качестве чувствительных элементов тепловизоров в технике специального назначения, где они заменяют более громоздкие и дорогие полупроводниковые устройства на квантовых эффектах. С использованием пироэлектриков за рубежом разработаны также охранные системы с датчиками, реагирующими на перемещение в помещениях источников тепла (людей), а также пожарной сигнализации и систем температурного контроля офисных и жилых помещений. Все эти датчики используют пироэлектрические элементы в виде монокристалла или тонких пленок в многокомпонентных оксидных системах, обладающие относительно слабыми пироэлектрическими свойствами, дорогостоящие и требующие для своего применения сложного электронно-вычислительного оборудования.
Пироэлектрические элементы на основе монокристаллов танталата лития производятся германской компанией Infra Тес и используются в датчиках серии LIE 5 OX, сегнето-электрическая керамика цирконата-титаната свинца предлагается в элементах английской компания Gec-Marconi Infra-Red Ltd и датчиках LHi 802...1058 фирмы Heimann-Siemens и других (Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А., Дудкина С.И. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Ростов н/Д.; Изд-во «Пайк», 1994, 96).
Наиболее близкий пироэлектрический элемент раскрывается в патенте RU 2092823, в соответствии с которым пироэлектрический элемент (детектор) выполнен из слоя пиро-
электрического материала с нанесенными на него с обеих сторон пленочными электродами (см описание к патенту).
-12
31
Общим недостатком всех известных технических решения является недостаточно высокое электросопротивление (р<10 Ом см) пироэлектрических материалов, что затрудняет их использование в системах пожарной сигнализации, а также низкая виброустойчивость из-за высокого поперечного пьезоэффекта, пьезокоэффициент d которого обычно превышает 50 пКл/Н.
Раскрытие полезной модели.
Задачей полезной модели является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.
Поставленная задача решается пироэлектрическим элементом, содержащим слой пироэлектрического материала с нанесенными на него с обеих сторон электродами в виде слоев электропроводящего материала, в соответствии с которым материал выполнен из оксидной керамики, содержащей свинец, кальций, кадмий, неодим титан и вольфрам в соотношениях, описываемых формулой
(1-δ)(1-X-Y-Z)
X
Y
Z
0,98
0,02
3
PbCaCdNdTiWO,
где 5=0,02-0,05,
Х=0,20-0,24
Y=0,01-0,03
Z=0,04-0,05
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается тем, что пленочные электроды выполнены из серебра.
T
33
0
31
В предлагаемом элементе в виде покрытого металлическими электродами керамического диска высокая обнаружительная способность по отношению к источникам инфракрасного излучения достигнута за счет большой пироэлектрической активности при сравнительно низких величинах диэлектрической проницаемости Е /Е и механической добротности Qm керамического материала диска. Такое сочетание электрических и механических свойств материала дополняется анизотропией пьезоэлектрических характеристик радиальной и поперечной мод колебаний элемента в целом, что обеспечивает повышенную устойчивость пироприемника к вибропомехам (которая пропорциональна отношению пирокоэффициента у к пьезомодулю d).
3
(1-δ)(1-X-Y-Z)
x
Y
z
0,98
0,02
3
Состав керамического материала пироэлектрического элемента основан на известном сегнетоэлектрическом кристалле РbТiO и содержит компоненты Pb, Ca, Nd, Ti, W и О, атомное соотношение которых отвечает формуле PbCaCdNdTiWО,
где δ - коэффициент улета свинца при спекании, принимающий значения от 0,02 до 0,05, Х-0,20-0,24, Y=0,01-0,03 и Z-0,004-0,05.
Пример осуществления полезной модели.
2
3
2
3
3
Получали материал методом твердофазного синтеза из исходных реагентов: РbО; TiO; CaCO;NdO; WO; CdO
Полученный спеченный керамический диск диаметром 5-10 мм и толщиной 0.3-04 мм подвергали двусторонней шлифовке и металлизации путем вжигания коллоидного серебра.
В табл.1 приведены составы керамического материала пироэлектрического элемента.
В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики пироэлектрического элемента в зависимости от состава керамического пиролитического материала.
Таблица 1
№ состава
Состав керамики
δ
X
Y
Z
1
Pb<sub>0,71</sub>Ca<sub>0,20</sub>Cd<sub>0,03</sub>Nd<sub>0,05</sub>Ti<sub>0,98</sub>W<sub>0,02</sub>O<sub>3</sub>
0,02
0,2
0,03
0,05
2
Pb<sub>0,68</sub>Ca<sub>0,22</sub>Cd<sub>0,02</sub>Nd<sub>0,04</sub>Ti<sub>0,98</sub>W<sub>0,02</sub>O<sub>3</sub>
0,05
0,22
0,02
0,04
3
Pb<sub>0,69</sub>Ca<sub>0,24</sub>Cd<sub>0,001</sub>Nd<sub>0,04</sub>Ti<sub>0,98</sub>W<sub>0,02</sub>O<sub>3</sub>
0,03
0,24
0,01
0,04
4
Pb<sub>0,70</sub>Ca<sub>0,22</sub>Cd<sub>0,02</sub>Nd<sub>0,045</sub>Ti<sub>0,98</sub>W<sub>0,02</sub>O<sub>3</sub>
0,02
0,022
0,02
0,045
Таблица 2
Номер состава
Т<sub>к</sub>°С
Диэлектрическая проницаемость, Е<sup>Т</sup> <sub>33</sub>/Е<sub>0</sub>
Пьезокоэффициент, d<sub>31 </sub>пКл/Н
Механическая добротность, Qm
Пироркоэффициент, γ10<sup>4</sup> Кл/m<sup>2</sup>K
Электросопротивление ρ10<sup>12</sup>, Ом·см
Пирочувствительность (γЕ<sub>0</sub>Е<sup>т</sup> <sub>33</sub>)10<sup>6 </sup>Кл/(m<sup>2</sup>K)
Виброустойчивость, (γ/d<sub>31</sub>)10<sup>-6</sup>H(m<sup>2</sup>K)
1
280
350
37
2000
5,5
4.5
1,6
14,9
2
280
420
48
5,5
5.2
1,3
11,5
3
320
380
49
2500
5,0
3.8
1,3
10,4
4
280
290
27
4000
5,0
5.1
1,7
18,5