Mir_elektroniki_Datchiki_-_Sharapov_2012

Глава 8. Емкостные датчики

9.Патент Украпни №30145 по заявцi u 2007 12622 вiд 14.11.2007. Ємнiсний датчик рiвня / Шарапов В.М., Базiло К.В.

10.Патент Украпни по заявцi u 2008 00967 вiд 28.01.2008. Ємнiсний датчик рiвня / Шарапов В.М., Базiло К.В.

11.Патент 2423679, Российская Федерация, МПК 9 G01L9/12. Измерительный преобразователь давления / Минаев И.Г., Шарапов В.М., Самойленко В.В.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (RU). — № 2010115873/28; заявл. 21.03.2010; опубл. 10.07.2011. Бюл. № 19, 2010.

12.Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа. 1981. — 296 с.

13.Полищук Е.С., Дорожовец М.М., Стаднык Б.И., Ивахив О.В., Бойко Т.Г., Ковальчик А. Устройства и методы измерений неэлектрических величин / Под ред. проф. Е.С. Полищука. — Львов: Бескид Бит, 2008. — 618 с. (На укр. яз.).

14.Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. — Л.: Энергия, 1969. — 592 с.

15.Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

16.Емкостные датчики. Шарапов В.М., Минаев И.Г., Базило К.В., Куницкая Л.Г., Сотула Ж.В. / Под. ред. В.М. Шарапова. — Черкассы: Брама-Украина, 2010. — 184 с.

17.Шарапов В.М., Базило К.В. Емкостные датчики уровня // Вiсник Черкаського державного технологiчного унiверситету. — 2007. — № 3—4.

18.Шарапов В.М., Базило К.В. Повышение технических характеристик емкостных датчиков уровня // Вiсник Черкаського державного технологiчного унiверситету. — 2008. — № 1.

19.Ушкур Д.Г. Микроконтроллерное устройство для исследования диэлектрических свойств биологических объектов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2008 — № 1. — С. 50—51

20.Jan Zakrzewski. Czujniki i przetworniki pomiarowe. Podrжcznik problemowe. Gliwice. 2004.

21.Schaumburg H. Sensoren. Band 3. B.G. Teubner Stuttgart: 1992.

22.Schaumburg H. (Hrsg.) Sensoranwendungen. Band 8. B.G. Teubner Stuttgart: 1995.

23.Jorg Hoffman. Tashenbuch der Messtechnic. Leipzig: Fachbuchverlag: 2000.

ГЛАВА 9

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ДАТЧИКИ

9.1. Общие сведения

Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Сущность прямого пье зоэлектрического эффекта заключается в электрической поляризации определенного класса диэлектриков, называемых пьезоэлектриками (сегнетоэлектриками, ферроэлектриками), при механическом напряжении в их материале. Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что электрическая поляризация вызывает механическое напряжение в пьезоматериале или изменение геометрических размеров пьезоэлементов.

По другому можно сказать, что прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании электрических зарядов в пьезоэлектрическом материале при приложении к нему механической силы, а обратный пьезоэффект — в возникновении колебаний при подключении пьезоэлемента к источнику электрического напряжения.

Особенностью пьезоэлектрического эффекта является знакочувствитель ность, т.е. изменение знака заряда при переходе от сжатия кристалла к растяжению и изменение знака деформации при изменении направления поляризующего поля.

Следует различать явление пьезоэлектричества и близкое к нему явление электрострикции. Сущность последнего заключается также в поляризации диэлектрика под действием приложенной внешней силы, однако при электрострикции поляризация пропорциональна квадрату приложенного механического напряжения и не изменяет знак при изменении знака приложенной силы. Электрострикция проявляется обычно значительно меньше, чем пьезоэлектричество, при наличии которого электрострикцией можно пренебречь [18—22].

Родственным этим физическим эффектам является пироэлектричество, сущность которого заключается в поляризации вследствие нагрева. При конструировании и использовании пьезоэлектриков с явлением пироэлектричества нельзя не считаться. Для некоторых современных пьезоэлектрических керамик, например, цирконат-титаната свинца, поляризация в результате изменения температуры может быть источником значительных погрешностей.

Анизотропия характеристик пьезокерамических материалов

Многие свойства кристаллических веществ являются векторными или тензорными и различны в разных кристаллографических направлениях. Таковы, например, коэффициент линейного термического расширения, диффузия, теплопроводность, модуль упругости, удельное электрическое сопротивление, величина показателей преломления или диэлектрической проницаемости. Ха-

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

рактер анизотропии этих свойств связан с симметрией кристаллической решетки [8, 10].

Поликристаллическая керамика, состоящая из множества мелких беспорядочно ориентированных друг относительно друга кристаллических зерен, в целом должна была бы быть изотропной. Анизотропия свойств может проявиться у текстурированной керамики, в которой имеется некоторая предпочтительная ориентация зерен кристаллической фазы. Анизотропной является также сегнетоэлектрическая керамика из титаната бария, цирконата-титаната свинца (ЦТС) и других подобных веществ, предварительно поляризованная нагреванием в электрическом поле [1, 2].

Для примера, рассмотрим часто используемый в практике пьезокерамический материал — титанат бария.

Кристаллической структурой титаната бария является структура перовскита, показанная на рис. 9.1. Структура является кубической, с ионами Ва++ в углах куба, ионами О2- в центрах граней и ионом Тi++++ в центре куба. Особенно важное значение имеет тот факт, что ион титана окружен шестью ионами кислорода, образующими октаэдр [10].

Выше температуры Кюри октаэдр ТiO6 имеет центр симметрии, так что дипольный момент равен нулю. Октаэдр бу-

дет обладать дипольным моментом только тогда, когда положительный ион титана сместится относительно одного из отрицательных ионов кислорода.

Существование сегнетоэлектричества в ВаТiO3 является следствием поляризационной «катастрофы», при которой электрическое поле, образующееся при поляризации, возрастает гораздо быстрее, чем упругие восстанавливающие силы между ионами.

Кластерные соединения, включающие центральный атом металла и лиганды (металлические или ковалентно связанные группы атомов), всегда характеризуются вырождением основного электронного состояния или близко лежащих возбужденных состояний.

Задача движения ядер при наличии электронного вырождения решается с помощью теоремы Яна—Теллера [10]. Чаще всего в керамиках с низкой симметрией реализуется псевдоэффект Яна—Теллера. При этом надо решать сложную систему вибронных уравнений, что требует знания адиабатических потенциалов [18, 19].

В сегнетоэлектриках со структурой перовскита содержится большое число ян—теллеровских центров, а именно: кластеров, включающих атомы переходных металлов типа Ti, Zr и т.д. Для наших целей важно то, что эти центры находятся в электронно-вырожденном (точнее — псевдовырожденном) состоянии.

Эти сегнетоэлектрики обладают кристаллической решеткой высокой симметрии. Такие симметричные структуры не имеют дипольных моментов, одна-

9.1. Общие сведения

ко в процессе сегнетоэлектрического фазового перехода возникают диполи и наводится сильная электрическая поляризация всего кристалла (сегнетоэлектрика) либо отдельных доменов (керамика).

Поскольку в кристалле сегнетоэлектрика со структурой перовскита кластеры координированных атомов титана сильно связаны между собой общими атомами кислорода, то можно рассмотреть кооперативный псевдоэффект Яна—Теллера. Вводя дополнительный вибронный параметр связи между кластерами за счет фононов, можно объяснить структурный фазовый переход в макрополяризованное состояние кристалла. Это может быть достигнуто выбором определенной температуры (сегнетоэлектричество) за счет возбуждения нужных фононов либо за счет приложения внешнего электрического поля (поляризация керамики), где группа ян—теллеровских кластеров, связанная между собой вибронной связью, образует домен. Выстраивание поляризованных доменов дает известный эффект.

Знание природы поляризации в домене позволяет понять резко анизотропный механизм проводимости в керамике.

Прикладывая напряжение, как показано на рис. 9.2, мы поляризуем и выстраиваем домены.

Среда между доменами — это тоже кристаллический твердый раствор, атомы которого связаны фононной связью другого типа, нежели в домене. В этой среде нет вибронной корреляции ян—теллеровских центров. Однако и через эту среду может идти проводимость за счет наличия электрического поля поляризованных доменов.

Электроны инжектируются в среду с электрода подложки и переносятся с одного кластера на другой по типу полупроводниковой проводимости, усиленной полем доменов. Перенос электронов по цепочке атомов кристаллической решетки на кластеры доменов идет легко. Но даль-

нейшее его продвижение внутри домена, казалось, должно было быть заторможено за счет поляризации в домене. Однако проблема разрешается, как только мы учтем характер химических и физических взаимодействий, которые привели к созданию сегнетоэлектричества внутри домена. Ведь смещения атомов, вызвавшее дипольную неустойчивость, связаны с вибронным смешиванием основного и возбужденного состояний внутри кластеров. Это физически равноценно смешиванию валентной зоны и зоны проводимости внутри всего домена.

Делокализованный характер химических связей внутри каждого кластера и отсутствие характеристических колебаний по химическим связям, вибронная активность «размазанных» колебаний внутри и между кластерами в домене обеспечивают свободную миграцию электрона внутри кластера.

Таким образом, мы видим, что перенос электрона вдоль направления оси Х, отмеченного стрелкой на рис. 9.2, должен осуществляться гораздо легче, нежели в перпендикулярном направлении в случае приложения напряжения к боковым граням пьезоэлемента.

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

9.2. Пьезоэлектрические материалы

Из пьезоэлектрических материалов изготовляют пьезоэлементы, являющиеся чувствительными элементами датчиков.

Пьезоэлемент — это изделие из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, нанесенными на его поверхность (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Пьезокерамические элементы [19]

В качестве пьезоэлектрических материалов используются:

—монокристаллические материалы (кварц, ниобат лития, сегнетова соль

идр.);

—поликристаллические материалы (пьезокерамика).

Достоинством кварца является стойкость к воздействиям температуры и влажности, механическая прочность. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль практически не зависит от температуры до 200 °С, а в диапазоне 200…500 °С изменяется незначительно, удельное электрическое сопротивление — порядка 1016 Ом/м, однако оно сильно зависит от температуры и имеет неодинаковое значение в направлении раз-

нулю.

В настоящее время для изготовления датчиков наиболее широко применяются пьезокерамические материалы, синтезированные впервые в СССР в 1944 г. [4, 19].

Пьезоэлектрические керамические материалы (ПКМ) представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, полученные синтезированием из смеси различных оксидов и солей (табл. 9.1).

Таблица 9.1. Параметры пьезокерамических материалов

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

Основу большинства современных ПКМ составляют твердые растворы ти- таната-цирконата свинца (ЦTC, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками.

Выпускаются также ПКМ на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), ниобата свинца (НС), титаната висмута (ТВ) и др. Основными свойствами ПКМ, выявляемыми на стандартных керамических образцах, являются:

—высокие значения диэлектрической проницаемости;

—наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов);

—наличие петель гистерезиса на зависимостях: поляризация—электриче- ское поле, деформация—электрическое поле;

—рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;

—наличие особой точки (температура Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость—температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;

—возникновение остаточной поляризации и двойного электрического слоя на поверхности спеченных образцов после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления телом пьезоэлектрического эффекта (преобразования механической энергии в электрическую и/или наоборот).

В зависимости от основного назначения ПКМ подразделяются следующим образом.

1.«Сегнетомягкие» ПКМ. Применяются для изготовления высокочувствительных преобразователей, работающих без жестких требований по стабильности параметров к воздействию дестабилизирующих факторов (повышенных температур, электрических и механических полей).

ПКМ общего назначения. К ним относятся материалы ЦТС-19 и ЦТС-19 (цт). ЦТС-19 (цт) является модификацией ЦТС-19 с повышенными (рекорд-

ными для данного материала) значениями пьезоэлектрических модулей (dik). Это повышение достигнуто за счет замены сырьевых компонентов оксида циркония и оксида титана на специально разработанное высокоактивное сырье — титанат циркония (цт).

ПКМ специального назначения с пониженной диэлектрической проницаемостью и высокой чувствительностью в режиме приема. К ним относится материал ЦТС-36, выпускаемый обычно в виде горячепрессованных блоков и предназначенный, главным образом, для изготовления преобразователей ультразвуковых линий задержки.

ПКМ специального назначения с повышенными значениями диэлектрической проницаемости и пьезомодулей. К ним относится материал НЦТС-2. Эти материалы предназначены для использования в телефонных устройствах с повышенной чувствительностью.

2.«Сегнетожесткие» ПКМ. Применяются для изготовления преобразователей, работающих в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических полей и (или) механических напряжений. К ним относятся материалы ЦТС-23, ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7. Материалы ЦТС-23 и ЦТССт-3 (цт) хорошо зарекомендовали себя при использовании в пьезоэле-

9.2. Пьезоэлектрические материалы

ментах систем зажигания и гидроакустики. ЦТССт-3 (цт) и ЦТБС-7 можно рекомендовать для изготовления пьезотрансформаторов и ультразвуковых излучателей повышенной мощности.

3.ПКМ для частотно селективных устройств. Применяются для изготовления пьезоэлементов (обладающих повышенной температурной и временной стабильностью частотных характеристик) частотно-селективных устройств на объемных и поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах планарной моды колебаний. Применяются в основном при создании фильтров на дискретных пьезоэлементах. К ним относятся материалы ЦТС-38, ЦТС-39 и ЦТС-40.

Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сжатия-растяжения по толщине. Представителями этой подгруппы являются материалы ЦТС-35 и ЦТС-35У. ЦТС-35У выпускается в виде горячепрессованных блоков.

Материалы для частотно-селективных устройств на объемных волнах моды колебаний сдвига по толщине. Представителем этой подгруппы является материал ЦТС-35. Материалы этих подгрупп используются при создании монолитных фильтров для частотно-модулированных сигналов на частоты до 10 МГц.

Материалы для частотно-селективных устройств на поверхностных акустических волнах. К этой подгруппе относится материал ЦТС-33, изготовляемый

ввиде горячепрессованных блоков. Он применяется при разработке фильтров на частоты до 40 МГц.

4.Высокотемпературные ПКМ. Высокотемпературные ПКМ используются для изготовления пьезоэлементов, работающих при температурах не менее 250 °С. В эту группу входят материалы ЦТС-21, ЦТС-26, ТНаВ-1 и ТНВ-1, обеспечивающие повышенные рабочие температуры пьезоэлементов (250—

750 °С). Для повышения температурной стабильности пьезомодуля (d33) разработаны модификации материалов ЦТС-26 и ТНаВ-1, ЦТС-26М и THaB-lM.

5.Электрооптические материалы. Электрооптические материалы используются для изготовления активных элементов светомодулирующих, в том числе защитных, устройств и цифровых индикаторов. В эту группу входят материалы ЦТСЛ-А, ЦТСЛ-Б и ЦТСЛ-В. Элементы из материала ЦТСЛ-А с остаточной поляризацией (заполяризованные) используются в режиме линейного ЭО-эф- фекта (эффект Поккельса). Они характеризуются также рекордно высокими пьезоэлектрическими и пироэлектрическими параметрами. Элементы из ЦТСЛ-Б и ЦТСЛ-В используются в светомодулирующих устройствах, работающих в режиме квадратичного ЭО-эффекта (эффект Керра) в различных температурных интервалах. Разработанные [31, 32] технологии изготовления электрооптической пьезо- и сегнетокерамики обеспечивают получение практически беспористой керамики и ЭО-пластин с апертурой более 3000 мм2 и светопропусканием в диапазоне 0,5—8 мкм свыше 98% от теоретического.

Основные характеристики некоторых из описанных пьезокерамических материалов представлены в табл. 9.1.

Дополнительную информацию о пьезокерамических материалах можно найти на сайтах ОАО «ЭЛПА» (Зеленоград, Россия) — www.elpapiezo.ru и

Глава 9. Пьезоэлектрические датчики

ОАО «Аврора» (Волгоград, Россия) — avrora.vlink.ru. и др. [31-42], а также в [25—36].

Формулы для расчета характеристик пьезокерамических материалов можно найти в [18—20].

Пьезоэлектрические пленки

В 1969 году Каваи [16] обнаружил сильный пьезоэлектрический эффект в поливиниленденфторидных (ПВДФ, PVDF) пленках, а в 1975 году кампания Pioneer, Ltd выпустила первые громкоговорители и наушники, реализованные на основе ПВДФ. ПВДФ — это полукристаллический полимер, степень кристаллизации которого составляет 50%. Подобно другим полукристаллическим полимерам ПВДФ представляет собой слоевую структуру с аморфными зонами. Его химическая формула состоит из повторяющихся звеньев CF2-CH2:

Молекулярный вес ПВДФ равен около 105, что соответствует порядка 2000 повторяющихся звеньев. Пленка является практически прозрачной в видимом и ближнем ИК (инфракрасном) диапазонах и поглощает излучение дальней ИК области электромагнитного спектра. Ее плотность равна около 1780 кг/м3. ПВДФ является механически прочным и гибким материалом. Для применения в пьезодатчиках эту пленку обычно вытягивают в одном или сразу двух направлениях так, чтобы ее размеры увеличились в несколько раз. Коэффициенты упругости (такие как модуль Юнга) определяются величиной растяжения. Например, если пленка была растянута при температуре 140 °С до соотношения 4:1, ее модуль Юнга равен 2,1 ГПа, а если до соотношения 6,8:1, модуль составляет 4,1 ГПа. Удельное сопротивление пленки зависит от величины ее относительного удлинения. Например, при небольшом удлинении удельное сопротивление равно 6,3·1015 Ом·см, в то время как при степени растяжения 7:1 оно составляет 2·1016 Ом·см.

Хотя пьезоэлектрические константы пленки из ПВДФ не такие высокие, как у некоторых других пьезоматериалов, например, у ВаТiO3 и ЦТС, они обладают уникальным свойством сохранять поляризацию даже при воздействии на них очень сильных переменных электрических полей. Это означает, что, несмотря на то что значение d31 пленки из ПВДФ почти в 10 раз меньше, чем у ЦТС, ее максимальная деформация может быть на порядок больше, чем у того же ЦТС, поскольку для ПВДФ предельно допустимая величина электрического поля в 100 раз превышает аналогичную характеристику для ЦТС. К тому же пленки из ПВДФ обладают очень хорошей временной стабильностью: при хранении при температуре 60 °С они теряют за шесть месяцев только около 1—2% чувствительности.

Другим преимуществом пьезопленок над пьезокерамикой является их низкий акустический импеданс, который по значению близок к воде, человеческим тканям и другим органическим материалам. Например, акустический

9.2. Пьезоэлектрические материалы

импеданс пьезопленки отличается от импеданса воды только в 2,6 раза, в то время как для пьезокерамики он, как правило, в 11 раз больше. Близкие значения импедансов позволяют осуществлять более эффективную передачу акустических сигналов в воде и тканях.

Пьезоэлектрические пленки обладают следующими уникальными свойствами [16]:

•широким частотным диапазоном: 0.001... 109 Гц;

•большим динамическим диапазоном от мкТорр до Мбар;

•низким акустическим импедансом, близким к воде, человеческим тканям и клеевым составам;

•высокой упругой податливостью;

•высоким выходным напряжением: в 10 раз выше, чем у пьезокерамики при одинаковых приложенных силах;

•высокой электрической прочностью диэлектрика: выдерживают поля до 75 В/мкм, при которых большинство пьезокерамических материалов теряют поляризацию;

•высокой механической прочностью и ударостойкостью: 109...1010 пределов прочности;

•высокой стабильностью: устойчивостью к влажности (влагопоглощение менее 0,02%), большинству химических реактивов, окислителям, мощному ультрафиолетовому (УФ) и ядерному излучениям;

•из них можно получать структуры произвольной формы;

•их можно соединять обычными клеями

В табл. 9.2 приведены основные свойства пьезоэлектрических пленок.

Таблица 9.2. Основные свойства пьезоэлектрических пленок [16]