ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БИМОРФ ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗГИБНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области пьезотехники и может быть использована в составе чувствительного элемента (ЧЭ) акселерометров (сейсмодатчиков), а так же в иных областях науки и техники, в которой используются пьезоэлектрические биморфы.
В основу работы изгибного ЧЭ положено явление прямого пьезоэффекта, позволяющее получить на электродах пьезоэлектрического биморфа, вследствие его изгибной деформации при воздействии на него ускорением, электрический сигнал, пропорциональный этому ускорению.
Основу конструкции биморфа составляют два плоских пьезоэлектрических элемента (ПЭ), жестко соединенных между собой по одной из двух плоских поверхностей. Плоские поверхности покрыты слоем металлического проводника. Пьезоэлементы могут быть в виде дисков, шайб или пластин-стержней [1-2]. На фиг.1 приведена конструкция биморфа, образованного двумя поляризованными по толщине пьезокерамическими пластинами-стержнями. Эти ПЭ имеют электроды и могут образовывать, при жестком соединении, биморфы как последовательного, так и параллельного типа [2] (на фиг.1 приведен вариант параллельного биморфа).
Наиболее распространенным материалом, из которого изготавливаются ПЭ для биморфов является пьезокерамика, например ЦТС-19. Наиболее распространенным материалом, из которого формируются электроды на плоских поверхностях ПЭ является серебро. Наиболее распространенным жестким соединением, образующим из этих ПЭ биморф (иногда называемый двухслойным ПЭ [2]), является клеевое их соединение, обеспечивающее при этом надежный электрический контакт между соединенными металлизированными плоскостями [3].
Основными базовыми конструкциями ЧЭ изгибного типа, с использованием пьезоэлектрических биморфов, являются конструкции на основе дисковых биморфов [1], или конструкции на основе биморфов пластино-стержневого типа [2]. В первом случае биморф жестко закрепляется по центру на цилиндрической опоре, во втором - жестко закрепляется путем заделки в специальном посадочном месте ЧЭ одним из концов, образуя, таким образом, консоль [4]. В обоих случаях биморф разделяется на две зоны - рабочую, свободную от закрепления, в которой и осуществляется, за счет прямого пьезоэффекта, генерация электрического сигнала (заряда) пропорционального воздействующему ускорению, и нерабочую, в которой обеспечивается электрический контакт внешних выводов с электродами биморфа, и фиксация самого биморфа и внешних выводов с контактными зонами. Под биморфом пластино-стержневого типа понимается биморф, полученный жестким соединением двух ПЭ с произвольным соотношением длины к ширине, при закреплении по ширине. На практике, как правило, просматривается наиболее широкое применение биморфов, у которых длина в несколько раз превышает ширину, что позволяет рассматривать их как биморфы стержневого типа.
При этом, одной из важнейших задач является выполнение требования уменьшения габаритов ЧЭ без потери эффективности. Такое требование является противоречивым, поскольку с уменьшением габаритов ЧЭ неизбежно должны уменьшаться и габариты ПЭ, составляющих биморф, в частности их толщина. Это обстоятельство усиливает отрицательное влияние ряда факторов на параметры ЧЭ, пренебрежительно малое при его больших габаритах.
Так, в частности, электрод на ПЭ полученный вжиганием серебра становится по толщине и массе все более соизмеримым с уменьшаемой толщиной и массой самого ПЭ, поскольку его толщина и масса практически неизменны. Это, в свою очередь, приведет к снижению эффективности ЧЭ.
Таким образом становится все более важной совокупность особенностей базовой конструкции ЧЭ в части заделки биморфа и базовой конструкции в части металлизации ПЭ составляющих биморфа.
В свою очередь, это приводит к важности оптимизации совокупности допустимых конструктивных особенностей биморфа в его рабочей и нерабочей зонах для решения упомянутой задачи. Поскольку задача практически одинакова как для дисковых биморфов, так и для биморфов пластино-стержневого типа, дальнейшее описание материалов заявки будет опираться на последний тип биморфов.
Известен биморф стержневого типа, содержащий два ПЭ из ЦТС-19 с электродами из вожженного серебра и жестко соединенными между собой, внешние выводы, имеющие электрический контакт с электродами в нерабочей зоне, например, полученный путем пайки к электродам, заделку из компаунда, фиксирующую биморф нерабочей зоной в посадочном месте ЧЭ и контактные области внешних выводов и электродов, образующую ЧЭ консольного типа [4].
Недостатком конструкции является большая толщина серебряного электрода неконтролируемой величины в пределах от нескольких мкм до десяти и более мкм [5]. При толщинах ПЭ менее 300 мкм, как показывает практика, а так же экспериментальные результаты, приводимые далее в описании данной заявки, влияние электрода, полученного вжиганием серебра, на 2 поверхности ПЭ, а в биморфе их будет 4 слоя, начинает проявляться в виде уменьшения коэффициента преобразования ЧЭ.
Этот недостаток может быть устранен применением в конструкции биморфа ПЭ с электродами, полученными путем вакуумного напыления, например, серебра [6]. В этом случае толщина электрода не превысит 0,1÷1,0 мкм, что не менее чем на порядок тоньше, чем при вжигании серебра. Но в этом случае, помимо снижения влияния толщины электрода на параметры ЧЭ и снижения расходов серебра, неизбежно возникновение нового недостатка - создание технологических осложнений при создании электрического контакта электродов биморфа и внешних выводов, например, невозможность их соединения обычной пайкой [6].
Наиболее близким к заявляемой полезной модели, с технической точки зрения, является биморф, в конструкции которого используют ПЭ с электродами, полученными комбинацией вакуумного напыления серебра и вжигания серебряных точек в местах будущей пайки внешних выводов к электродам биморфа [6].
Биморф состоит из двух ПЭ с электродами, полученными путем вакуумного напыления металла - серебра на рабочую, определяющую параметры ЧЭ и нерабочую, не влияющую на параметры ЧЭ зоны, дополнительных проводящих слоев на участках нерабочей зоны биморфа в виде вожженных серебряных точек, обеспечивающих электрический контакт внешних выводов и электродов биморфа путем пайки, участки нерабочей зоны, в которых осуществляется его закрепление и фиксация в посадочном месте ЧЭ, а так же фиксация областей контакта внешних выводов и электродов биморфа путем его заделки компаундом. Основными недостатками биморфа являются:
1. Ввиду заимствования технологии изготовления пьезокерамических элементов из технологии изготовления кварцевых резонаторов (в прототипе [6]) возникло ограничение материалов электрода одним из возможных - серебром.
2. По той же причине возникло ограничение материалов дополнительных проводящих слоев на участках нерабочей зоны в виде одного - вожженного серебра.
3. Геометрия дополнительных проводящих слоев в виде точек усложняет технологию изготовления биморфов, требует строгого указания на конкретные места нерабочей зоны биморфа, в которых эти точки должны быть созданы, и на их геометрию.
4. В соответствии с п.3 возникает дополнительное ограничение на допустимые отклонения габаритов и формы ПЭ в участках, формирующих нерабочую зону биморфа (в части допусков на размеры и сколы), что необоснованно снижает процент выхода годных.
Совокупность недостатков по п.п. 1-4 необоснованно завышает себестоимость биморфа, усложняет технологию его изготовления.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является достижение технического результата в виде снижения влияния электродов ПЭ, составляющих биморф, на параметры ЧЭ, расширения номенклатуры материалов для металлизации ПЭ и для создания дополнительных проводящих слоев на участках нерабочей зоны биморфа, а так же расширения номенклатуры технологий их осуществления за счет того, что нерабочая зона биморфа не влияет на параметры ЧЭ и это позволяет помимо всего существенно снизить требования к ее геометрии, в частности допустить сколы, сравнимые с ее размерами, и другим ее качествам, в частности допустить ее располяризацию при пайке выводов, а так: же в виде снижения расходов материалов на электроды ПЭ, что становится особенно актуальным при использовании для этого драгоценных металлов (серебра, золота и др.).
Поставленная задача решается в конструкции пьезоэлектрического биморфа для ЧЭ изгибного типа, содержащего два ПЭ с электродами, полученными путем вакуумного напыления металла, рабочую зону, Определяющую параметры ЧЭ, и нерабочую зону, не влияющую на параметры ЧЭ, дополнительные проводящие слои на участках нерабочей зоны, обеспечивающие электрический контакт внешних выводов и электродов биморфа, участки нерабочей зоны, предназначенные для его закрепления и фиксации в посадочном месте ЧЭ, а так же для фиксации областей контакта внешних выводов и электродов биморфа, причем вакуумное напыление осуществлено с помощью металлов, обеспечивающих заданные проводимость и адгезию электродов к пьезоэлектрику, а дополнительные проводящие слои нанесены на произвольные участки нерабочей зоны, допускающие сколы и другие ее несовершенства, сравнимые с размерами самой нерабочей зоны и не влияющие на качество закрепления и фиксации биморфа в посадочном месте ЧЭ и на качество фиксации областей контакта внешних выводов и электродов биморфа, с помощью проводящих материалов - металлов или контактолов, позволяющих обеспечить электрический контакт электродов биморфа и внешних выводов, причем:
- ПЭ для биморфа выполнены из пьезокерамики в виде плоских стержней, электроды на них нанесены путем вакуумного напыления серебра, а дополнительные проводящие слои на участках ПЭ, формирующих нерабочую зону биморфа, выполнены вжиганием на них серебра;
- биморф выполнен в виде стержня, образуя консоль при его закреплении в посадочном месте ЧЭ;
- биморф выполнен в виде параллельного типа соединения ПЭ;
- закрепление и фиксация биморфа осуществлены путем его заделки нерабочей зоной заливкой компаундом в посадочном месте ЧЭ, обеспечивающей, кроме того, ее герметизацию, расширяющую технологические возможности создания электрического контакта внешних выводов с электродами биморфа.
Таким образом, отличительными признаками полезной модели является то, что вакуумное напыление осуществлено с помощью металлов, обеспечивающих заданные проводимость и адгезию электродов к пьезоэлектрику, а дополнительные проводящие слои нанесены на произвольные участки нерабочей зоны, допускающие сколы и другие несовершенства ее свойств, сравнимые с размерами самой нерабочей зоны и не влияющие на качество закрепления и фиксации биморфа в посадочном месте ЧЭ; и на качество фиксации областей контакта внешних выводов и электродов биморфа, с помощью проводящих материалов - металлов и контактолов, позволяющих обеспечить электрический контакт электродов биморфа и внешних выводов, причем;
- ПЭ для биморфа выполнены из пьезокерамики в виде плоских стержней, а электроды на них нанесены путем вакуумного напыления серебра, а дополнительные проводящие слои на участках ПЭ, формирующих нерабочую зону биморфа, выполнены вжиганием на них серебра;
- биморф выполнен в виде стержня, образуя консоль при его закреплении в посадочном месте ЧЭ;
- биморф выполнен в виде параллельного типа соединения ПЭ;
- закрепление и фиксация биморфа осуществлены путем его заделки нерабочей зоной заливкой компаундом в посадочном месте ЧЭ, обеспечивающей, кроме того, ее герметизацию, расширяющую технологические возможности создания электрического контакта внешних выводов с электродами биморфа.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата в виде снижения влияния электродов ПЭ, составляющих биморф, на параметры ЧЭ, расширения номенклатуры материалов для металлизации ПЭ и для создания дополнительных проводящих слоев на участках нерабочей зоны биморфа, а так же расширения номенклатуры технологий их осуществления за счет того, что нерабочая зона биморфа не влияет на параметры ЧЭ и это позволяет помимо всего существенно снизить требования к ее геометрии, в частности допустить сколы, сравнимые с ее размерами, и другим ее качествам, в частности, допустить ее располяризацию при пайке выводов, а так же в виде снижения расходов материалов на электроды ПЭ, что становится особенно актуальным при использовании для этого драгоценных металлов (серебра, золота и др.).
Это достигнуто за счет особенностей конструкции ЧЭ изгибного типа, делящих биморф на рабочую и нерабочую зоны. При этом жесткие требования, предъявляемые к рабочей зоне, в которой собственно и происходит преобразование измеряемой величины - ускорения в электрический сигнал, и которая определяет параметры ЧЭ, а именно, минимальная толщина электродов и минимальные допуска на габариты и электрические параметры пьезоэлементов, совершенно излишни в нерабочей зоне. Основная задача нерабочей зоны - это закрепление и фиксация биморфа в посадочном месте ЧЭ и обеспечение электрического контакта электродов биморфа и внешних выводов и его фиксация. Это обстоятельство позволяет допустить сколы на участках нерабочей зоны и другие ее геометрические несовершенства, сравнимые с размерами самой зоны, металлизацию на этих участках, существенно большей толщины, чем толлцина электродов в рабочей зоне, позволяющую обеспечить наиболее оптимальную технологию контактирования электродов биморфа и внешних выводов. Это может быть обеспечено путем обычной пайки при создании на упомянутых участках дополнительных проводящих их слоев, например, вжиганием, серебра или с использованием токопроводящих контактолов. Заделка биморфа в посадочном месте ЧЭ путем его заливки нерабочей зоной в этом посадочном месте компаундом создает герметизацию, расширяющую технологические возможности контактирования электродов биморфа и внешних выводов. Совокупность перечисленных возможностей особенно эффективна при создании ЧЭ консольного типа с использованием пьезокерамических биморфов параллельного типа соединения ПЭ при уменьшении их габаритов, например, при использовании ПЭ, изготовленных по пленочной технологии. Высокая эффективность будет достигнута и при использовании биморфов последовательного типа соединения ПЭ, а так же в большинстве иных практических случаев создания ЧЭ изгибного типа.
Полезная модель поясняется фигурами.
На фиг.1 приведена конструкция ЧЭ изгибного типа, содержащего биморф 1, собранный из двух ПЭ стержневого типа с одинаковым направлением поляризации 2, закрепленной нерабочей зоной 3 в посадочном месте ЧЭ 4, образуя консоль, генерирующий электрический сигнал U в рабочей зоне 5 при ее деформации ∆Y, вызванной воздействующим ускорением а.
На фиг.2а приведена конструкция биморфа стержневого типа 1 с параллельным соединением двух ПЭ с одинаковым направлением поляризации 2 с электродами, полученными путем вакуумного напыления серебра 6, и дополнительными проводящими слоями, полученными путем вжигания серебра на участки нерабочей зоны 7, жестко соединенными между собой клеевым соединением 8, образуя, таким образом, биморф 1, с вешними выводами 9, обеспечивающими электрический контакт с электродами биморфа путем их обычной пайки с дополнительными проводящими слоями.
На фиг.2б приведен вариант нерабочей зоны с допустимым сколом, сравнимым с размерами самой нерабочей зоны.
Пример реализации:
На предприятии разработан ЧЭ, применяемый в сейсмодатчиках (фиг.3). В нем используется пьезокерамический биморф 6, собранный на 2-х ПЭ из ЦТС-19 толщиной 0,25 мм, а также: держатель 1, площадка для крепления дополнительных устройств (например, печатной платы предусилителя) 2, отверстия для крепления дополнительных устройств 3, отверстие для жесткого винтового соединения держателя на поверхности, с которой снимаются показания 4, компаунд 5, и выводы 7. Эта конструкция и была принята за базовую в примере реализации. Реализация заключалась в следующем. Была изготовлена партия ПЭ по обычной технологии - электроды были получены путем вжигания серебра. Затем была изготовлена партия ЧЭ с использованием этих ПЭ в составе биморфов.
Затем была изготовлена партия таких же ПЭ по обычной технологии за исключением того, что электроды на них нанесены были в два этапа - нанесением дополнительного проводящего слоя путем вжигания серебра на участках нерабочей зоны с последующим вакуумным напылением тонкого основного слоя серебра на обе зоны - рабочую и нерабочую одновременно, после чего из них была изготовлена экспериментальная партия таких же ЧЭ. В обеих партиях - экспериментальной, с тонкими электродами, порядка 0,5 мкм на рабочей зоне и обычной, с электродами на рабочей зоне на порядок большей толщины, количество ЧЭ составляло по 10 шт. В каждой партии определялся коэффициент преобразования ускорения в напряжение (заряд деленный на емкость, которая была практически неизменна) K(U/q), который достигал величины 36÷37 мВ/g в экспериментальной партии и не превышал 31 мВ/g в обычной. Повторные эксперименты показали аналогичные результаты. Таким образом, показана положительная тенденция снижения влияния толщины электродов рабочей зоны ЧЭ при уменьшении их толщины.
Литература
1. Патент РФ RU 2119678 с 1 от 27.09.98 г.
2. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение, APS Internetional Ltd. Минск, ООО «ФУА информ», 2003, стр. 49-50, 56, 65.
3. И.А.Глозман Пьезокерамика «Энергия», М., 1972 стр. 83÷86.
4. http//www.elpapiezo.ru/sensor element.shtml
5. И.А.Глозман Пьезокерамика «Энергия», М., 1972 стр. 28.
6. Там же стр. 17-18, 148.