Пьезоэлектрический датчик давления и способ его изготовления

 

Использование: при конструировании и производстве миниатюрных датчиков быстропеременных давлений и сил Цель - обеспечение получения стабильных передаточных характеристик и упрощение изготовления. Сущность: устройство, состоящее из пьезоэлемента 1 с токосъемниками 2, заключенных внутрь пьезокерамического корпуса-держателя 3, выполненного в виде оболочки, внутренняя стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента , поскольку материал корпуса и пьезоэлемента одинаков, при термообработке не возникают остаточные напряжения . 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 L 23/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839738/10 (22) 25,06.,90 (46) 23.10.92. Бюл, N 39 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) П,Г, Михайлов, А.Л. Шамраков, И.П. Винокуров и Н.Н. Мордовин (56) Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под, ред. Е.П, Осадчего. — М.: Машиностроение, 1979. с.

203, рис. 8.19.

Авторское свидетельство СССР

М 1647311, кл, G 01 1 23/10, 1989. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании и производстве датчиков быстропеременных, акустических и импульсных давлений.

Известен датчик давления, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде набора пьезоэлектрических дисков накрытых термокомпенсационной шайбой и токосъемники.

Недостатками указанного датчика являются пониженная чувствительность из-за необходимости обеспечения натяга корпуса-держателя; ограниченный температурный диапазон измерения из-за внутренних напряжений, возникающих в разнородных материалах датчика — металлическом корпусе, пьезоэлементе, герметизирующих материалах и клеях; дрейф передаточных характеристик датчика из-за релаксацион„„5U„„1770794 А1 (57) Использование; при конструировании и производстве миниатюрных датчиков быстропеременных давлений и сил. Цель — обеспечение получения стабильных передаточных характеристик и упрощение изготовления. Сущность: устройство, состоящее из пьезоэлемента 1 с токосьемниками

2, заключенных внутрь пьезокерамического корпуса-держателя 3, выполненного в виде оболочки, внутренняя стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента, поскольку материал корпуса и пьезоэлемента одинаков, при термообработке не возникают остаточные напряжения. 2 с.п. ф-лы, 6 ил. ных процессов, происходящих в герметизирующих и клеющих материалах, которые приводят к нестационарным деформационным полям, воздействующим на пьезоэлемент, Известен пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика быстропеременных давлений, содержащий корпус, стакан, в который помещен дисковый пьезокерамический элемент и термоизолирующая прокладка.

Недостатком указанной конструкции является сложность конструкции, малая точность измерения из-за наличия разнородных материалов и узлов различающихся коэффициентами терморасширения, что приведет при воздействии температуры к возникновению полей деформаций в пьезоэлементе и послужит причиной его разруше1770794 ния или возникновению неинформативного сигнала.

Известен способ изготовления пьезоэлектрического датчика, включающий смешивание порошка пьезоэлектрической 5 керамики с термореактивной или термоэластичной смолой, заливку смеси в корпус с размещенными в ней электродами и отверждение смеси.

Известен способ изготовления пьезоэ- 10 лектрических датчиков давления, включающий изготовление пьезоэлектрического элемента, нанесение на боковые поверхности, не воспринимающие давление пленки, сублимирующего клея, заливку герметиком 15 и термообработку.

К недостаткам способа можно отнести низкую технологичность изготовления из-за трудности нанесения пленки и неконтролируемости ее толщины, что может привести к 20 потере чувствительности датчика при достижении измеряемой величины (давления) максимального значения в результате того, что приращение поперечного размера пьезоэлемента под действием деформации 25 превышает зазор, полученный при испарении пленки сублимирующего клея.

Целью изобретения является увеличение точности измерения и повышение технологичности изготовления, 30

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления, содержащем корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, между 35 боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор Л. корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а величина зазора Л удовлетворяет соотношению 40 гмакс

S Е где Л- зазор; 45

Fwa«максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент;

h; Я; Е;,и — соответственно расстояние между торцами чувствительного элемента, величина его поперечного сечения, модуль 50 упругости материала чувствительного элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления пьезоэлектрического датчика давления, включающим заливку 55 пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосъемниками герметиэирующим материалом, термообработку и поляризацию чувствительного элемента, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают втулку из сублимирующего материала, устанавливают - во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, после заливки герметиэирующим материалом производят его опрессовку вокруг втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполняют путем последовательного повышения температуры до испарения втулки, а затем до обжига пьезоэлектрического материала, причем поляризацию чувствительного элемента производят путем подачи высокого электрического напряжения на токосъемники.

Реализация предлагаемых устройств и способа его изготовления схематично показана на фиг. 1 (устройство) и на фиг. 2 — фиг.

6 (способ).

Перечень позиций: 1 — пьезоэлектрический чувствительный элемент, 2 — токосъемники. 3 — пьезокерамический корпус держатель, 4 — зазор; 5 — измеряемая величина; 6 — технологическая втулка, 7 — отверстие под токосъемники, 8 — пьезоэлемент, 9 — пьезокерамический материал, 10 — прессформа, 11 — уплотнитель, 12 — подпрессовочное усилие, 13 — штифт, 14 пьезоэлектрический датчик давления перед поляризацией, 15 — нагреватель, 1б — источник высокого напряжения, 17 — электрические силовые линии поляризующего поля.

Пьезоэлектрический датчик давления состоит из пьезоэлектрического чувствительного элемента (далее пьезоэлемента) 1 с прикрепленными к нему по торцам токосъемниками 2. Пьезоэлемент окружен со всех сторон пьезоэлектрическими корпусом-держателем 3, выполненным в виде оболочки, внутренняя стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента на величину зазора Л-4.

Пьезокерамический датчик давления функционирует следующим образом; при воздействии на него быстропеременного или акустического давления деформируется пьезоэлемент. В результате прямого пьезоэлектрического эффекта на токосъемниках возникает электрический заряд, который подается на вторичную аппаратуру для измерения и регистрации. Зазор Лмежду стенками пьезоэлемента и оболочки позволяет свободно деформироваться пьезоэлементу.

Изготовление пьезоэлектрического датчика давления осуществляется следующим образом; изготавливается технологическая полая втулка (иэ сублимирующего клея толщиной, равной зазору Л. у которой сверху

1770794

h p

Л вЂ” Fìàêñ

50 сформированы два сквозных отверстия 7 под токосьемники. Прессуется пьезоэлемент 8 из пьезокерамики и помещается в технологическую втулку 6. Сверху через отверстия на пьезоэлемент накладываются токосъемники 2 (в некоторых случаях пьезоэлемент может быть и с готовыми токосъемниками). Сборка помещается в разъемную пресс-форму 10, которая заполняется сырой пьезокерамикой (шликкером) 9 с необходимыми добавками. Производят подпрессовку пьезокерамики уплотнителем 11, например поршнем, с необходимым подпрессовочным усилием — 12, Сборку подсушивают и подвергают ступенчатой термообработке нагревателем 15, в результате которой сначала происходит сублимация материала технологической втулки через поры сырой пьезокерамики или специальные технологические отверстия, а при дальнейшем повышении температуоы — обжиг пьезокерамики. В результате термообработки получают неполяризованный пьезоэлектрический датчик давления 14, в котором между пьезоэлементом и внутренней стенкой корпуса образован зазор Л. Конечной операцией способа является операция поляризация, при которой на токосьемники от источника высокого напряжения 16 на токосьемники 2 подается поляризующее напряжение; в объеме пьезоэлектрического датчика давления возникает сильное электрическое поле (условно показанное силовыми линиями 17), которое ориентирует электрические домены пьезокерамики по направлению силовых линий. Поляризация материала происходит как в самом пьезоэлементе, так и частично в боковых стенках оболочки, что приводит к повышению общей чувствительности. После снятия поляризующего напряжения в пьезомодуле поляризация доменов сохраняется.

Пример выполнения способа. Расплавляют при температуре б5„,70 С исходный материал — сублимирующий клей КС вЂ” 1 и заливают расплав s форму, в результате чего получают технологическую полую втулку.

Для удобства установки пьезоэлемента в ней делается разрез, Прессуется пьезоэлемент из керамики типа ЦТС и подсушивается. Может быть использован также готовый серийно изготавливаемый пьезоэлемент, например ПМ вЂ” 8, ПМ вЂ” 7, Пьезоэлемент вкладывается в технологическую втулку, и сборка помещается в разъемную пресс-форму, которую заполняют пьезокерамическим шликкером, состоящим из пьезокерамики

ЦТС вЂ” 19, перемешанной с растворителем— олаиновой кислотой и пластификаторомпарафином, Подпрессовывают пьезокера-.

25 микусудельнымусилием F =0,3-0,5 кг/см и просушивают ее на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 ч. Далее сборка помещалась в вакуумную печь СВН и проводилась ступенчатая термообработка — сначала при температуре 110-125 С в течение 10 — 15 мин для удаления клеевой втулки, з затем температура поднималась до

700 — 100 С и производился обжиг керамики в течение 4 — 5 ч. Вакуум при этом поддерживался не хуже 10 з мм рт,ст, Пьезокерамический датчик давления помещали в специальное приспособление и на него подавали напряжение 1200 В в течение 10 мин, после чего проверялись его электрофизическиехарактеристики; пьезочувствительность, температурная и временная стабильность, сопротивление изоляции и т.д, Формула изобретения

1.Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками между боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор Л, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения точности измерения и повышения технологичности, в нем корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а размер зазора удовлетворяет соотношению: где Рилакс — максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент при воздействии давления на оболочку; и, S, Е, p — соответственно расстояние между торцами чувствительного элемента, его поперечное сечение, модуль упругости и коэффициент Пуанссона материала чувствительного элемента.

2. Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления включающий заливку пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосьемниками герметизирующим материалом, термообработку и поляризацию чувствительного элемента, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения технологичности, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают втулку из сублимирующего материала, устанавливают во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент, с токосъемниками, после заливки герметизирующим материалом производят его опрессовку вокруг

1770794 втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполняют путем последовательного повышения температуры до испарения втулки, а затем — до обжига пьезозлектрического материала, причем поляризацию чувствительного элемента производят путем подачи высокого электрического напряжения на токосъемники.

1770794

Составитель А.Шамраков

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3734 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5