Пьезоэлектрический прибор



Пьезоэлектрический прибор

 


Владельцы патента RU 2447544:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (RU)

Использование: пьезоэлектроника. Сущность: пьезоэлектрический прибор включает множество собранных в стопку слоев пьезокерамического материала. Каждый из слоев имеет два плоских внутренних электрода, имеющих степень перекрытия менее 100% и контактирующих последовательно то с левым, то с правым внешними электродами, расположенными на боковой стороне прибора. Прибор содержит также равномерно распределенные дополнительные слои из материала с высокой теплопроводностью, например, из нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) или карбида кремния (SiC) или подобных материалов. Толщина дополнительных слоев не менее толщины пьезокерамического слоя. Количество дополнительных слоев определяется по соотношению для произведений толщины, количества и теплопроводности основных и дополнительных слоев. Технический результат: снижение внутренних температурных градиентов, повышение надежности и срока службы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Областью применения изобретения является электронная техника, а более конкретно - пьезоэлектроника, энергонасыщенные преобразователи механической энергии в электрическую и преобразователи электрической энергии в механическую.

Известен пьезоэлектрический прибор - актюатор, в котором множество пьезоэлектрических слоев наложены друг на друга и поляризованы навстречу друг другу в направлении образования общей стопки слоев, а между ними расположены слои металлизации, играющие роль внутренних электродов [1]. Внутренние электроды попарно соединены с внешними электродами. Преобразование электрической энергии в механическую происходит путем приложения электрического напряжения на внешние электроды, при этом происходит деформация в направлении стопирования слоев. Такие приборы характеризуются сроком службы, то есть количеством полных циклов деформации. Для них характерно постепенное сокращение амплитуды деформации при постоянной амплитуде приложенного синусоидального сигнала. Это связано с образованием зон, в которых образуются повышенные механические напряжения и далее микротрещины. В процессе эксплуатации энергонасыщенные актюаторы могут сильно нагреваться. Вследствие того что теплопроводность пьезокерамики низкая, внутренние части прибора нагреваются сильнее, чем периферийные. Градиенты температуры вызывают дополнительные механические напряжения и разрушение прибора из-за трещин и расслаивания, что сокращает срок службы до 108 циклов [2, 3].

Известен прибор, в котором в целях сокращения трещин используются тонкие проводящие слои (не более 1,3 мкм) [4]. Недостатком этой конструкции является низкая теплопроводность пьезокерамического блока, что приводит к образованию высоких градиентов температуры и, как следствие, к образованию трещин в приборе.

Известна конструкция многослойного актюатора, который в целях защиты от внешних воздействий (влаги) покрыт несколькими слоями диэлектрика, приклеенных на поверхность актюатора [5]. Недостатком этой конструкции является снижение коэффициента полезного действия преобразователя за счет потерь на растяжение или сжатие защитных покрытий.

Аналогичная конструкция предложена в патенте [6], где покрытие состоит из композиции эпоксидной смолы и наполнителя из мелкодисперсного нитрида алюминия или нитрида бора. Недостатком этого решения является сравнительно низкая теплопроводность композиции и перераспределение механической энергии пьезокерамического преобразователя на жесткое покрытие. Низкая теплопроводность материала защитного покрытия приводит к перегреву внутренних частей прибора и деполяризации пьезокерамических слоев.

Известен аналогичный прибор, в котором в целях защиты от внешних воздействий (влаги) используется специальный кожух с засыпкой пространства между кожухом и актюатором оксидом алюминия с вязким силиконом [7]. Недостатком этой конструкции является низкая теплоотдача засыпки и защитного кожуха, что приводит к перегреву внутренних частей прибора и деполяризации пьезокерамических слоев.

Известна конструкция актюатора, который в целях защиты от влаги и других внешних воздействий вставлен в глухой металлический корпус с выводом механических перемещений посредством сильфона [8].

Также известна конструкция актюатора, имеющего кожух с засыпкой внутри порошкообразным влагопоглощающим материалом [9]. Недостатком этих конструкций является отсутствие теплопроводящего контакта между актюатором и кожухом, а вследствие этого возможность перегрева преобразователя.

Выбранная в качестве прототипа конструкция пьезокераимческого прибора (пакетного актюатора) включает множество собранных в стопку слоев пьезокерамического материала, каждый из которых имеет два плоских внутренних электрода, расположенных в плоскости, перпендикулярной по отношению к направлению стопирования, имеющих степень перекрытия менее 100% и контактирующих последовательно с левым и с правым внешними электродами, расположенными на боковой стороне прибора в направлении стопирования, а также тонкое внешнее влагонепроницаемое покрытие имеет дополнительные буферные слои, расположенные в торцах многослойного актюатора и состоящие из того же материала, что и основные слои [10]. Указанные буферные слои чередуются со «слепыми» внутренними электродами - слоями металлизации, не имеющими контакта с внешними электродами. Таких слоев может быть не более 40, и тогда они выполняют задачу теплоотвода. При этом предполагается, что источником тепла может быть внешний по отношению к актюатору объект, например движимое или деформируемое тело. Такое решение несколько усложняет конструкцию, утяжеляет ее и увеличивает размеры, но, несмотря на это, тепло отводится только с торцов актюатора и, вследствие этого, возможен перегрев центральной части актюатора.

Недостаток прототипа - при его функционировании возможен нагрев до температур, близких к точке Кюри, вследствие чего происходит деполяризация центральных частей актюатора, а далее происходит образование микротрещин в материале пьезоэлектрических слоев на границах поляризованных и деполяризованных частей, затем дальнейшее повышение температуры за счет снижения теплопроводности в трещиноватом материале и т.д. до полного разрушения устройства. В результате актюатор с указанной системой теплоотводов имеет срок службы не более 10 циклов при синусоидальной нагрузке. Этот недостаток обусловлен следующим. Устройство содержит теплоотвод только на торцах, а тепло, выделяемое в центре актюатора, выводится с трудом из-за низкой теплопроводности керамики. В результате высоких температур и высоких температурных градиентов актюатор имеет небольшой срок службы либо не может быть использован при больших нагрузках, то есть в качестве наиболее востребованного энергонасыщенного преобразователя.

Задача изобретения - повышение теплоотдачи как снаружи, так и изнутри пьезокерамического актюатора и снижение внутренних температурных градиентов, вызывающих разрушение устройства, повышение надежности пьезокерамических актюаторов и срока их службы.

Предметом изобретения является пьезоэлектрический прибор, включающий множество собранных в стопку слоев пьезокерамического материала, каждый из которых имеет два плоских внутренних электрода, расположенных в плоскости, перпендикулярной по отношению к направлению стопирования, имеющих степень перекрытия менее 100% и контактирующих последовательно то с левым, то с правым внешними электродами, расположенными на боковой стороне прибора в направлении стопирования, а также тонкое внешнее влагонепроницаемое покрытие, кроме того, содержащий специальные теплопроводящие слои, размер которых в направлении, перпендикулярном направлению пакетирования, совпадает с размером пьезокерамических слоев. Теплопроводящие слои равномерно распределены по высоте актюатора.

Толщина теплопроводящего слоя не меньше толщины пьезокерамического слоя и зависит от технологических особенностей данного материала. При большой толщине теплопроводящего слоя возникают проблемы прочности всего устройства. Теплопроводящий слой содержит материал с высокой теплопроводностью и высоким электрическим сопротивлением, например, нитрид алюминия, карбид кремния, оксид бериллия или подобный материал с высоким электрическим сопротивлением и высокой теплопроводностью. Конкретный состав теплопроводящего слоя выбирают из условия максимальной близости коэффициентов линейного термического расширения пьезокерамического и теплопроводящего материалов.

Количество теплопроводящих слоев в актюаторе зависит от общей толщины устройства. Для оптимального теплоотвода следует подбирать соотношение произведения теплопроводности λпк, толщины hпк и количества nпк пьезокерамических слоев к произведению теплопроводности λтп, толщины hтп и количества nтп теплопроводящих слоев:

При меньшем количестве слоев из материала с высокой теплопроводностью заявленный эффект не достигается, температура в центре прибора может достигнуть 200-300°C и внутренние градиенты температур - 103 градусов на метр и более. Этого вполне достаточно для разрушения прибора. Однако при больших количествах теплопроводящих слоев основной параметр актюатора - относительное перемещение - сокращается, что нежелательно.

Существенного повышения монолитности конструкции предлагаемого прибора можно достичь за счет того, что теплопроводящий слой может содержать некоторое количество сквозных отверстий (20-40% от всей площади поверхности слоя), которые в процессе изготовления прибора будут заполнены материалом внутреннего электрода. За счет этого достигается повышение адгезии между различными слоями в стопке.

Внешние поверхности актюатора покрыты влагонепроницаемым материалом в виде тонкой пленки. В состав этой пленки могут входить смолы, лаки или другие полимеры. Толщина такой пленки выбирается по принципу минимального теплового сопротивления при сохранении герметичности, что позволяет, с одной стороны, не перегревать прибор, а с другой стороны - препятствовать поступлению влаги и деградации прибора при электролитической диффузии металла из внутренних электродов в пьезокерамику.

На Фиг.1 изображен предлагаемый пьезоэлектрический прибор - многослойный актюатор, где: 1 и 2 - внешние электроды, 3 - пьезокерамический слой, 4 - теплопроводящий слой, 5 - внутренний электрод.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой. Кроме того, отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

В пьезокерамических актюаторах для вывода тепла применяют только внешние по отношению к активной поляризованной зоне теплоотводы, например металлические кожухи или засыпки из материла с высокой теплопроводностью. Однако при этом сохраняются высокие внутренние градиенты температур, которые и обуславливают перегрев прибора. Теплопроводность всего прибора можно было бы повысить за счет увеличения толщины внутренних электродов, но при этом резко сокращается перемещение - основная характеристика прибора. Имеются жесткие ограничения на соотношение толщин активных слоев и электродов.

В предлагаемом изобретении применяются дополнительные слои из материала с высокой теплопроводностью, которые размещаются внутри прибора. Применение дополнительных слоев позволяет рассматривать сам прибор как композитный материал с теплопроводностью, повышенной относительно исходной пьезокерамики.

Использование таких материалов, как нитрид алюминия, карбид кремния или оксид бериллия, в качестве теплоотводов давно известно в технике. Однако эти материалы используются всегда в качестве внешнего теплоотвода. В предлагаемом изобретении они расположены внутри, что кардинально меняет конструкцию. Эти материалы обладают достаточно высокой жесткостью и не снижают эффективность пьезокерамического прибора. Кроме того, они имеют близкий с пьезокерамикой коэффициент термического расширения, что важно при изготовлении прибора.

В предлагаемом изобретении дополнительные слои из материала с высокой теплопроводностью могут иметь поперечные по отношению к направлению стопирования размеры, равные со слоями пьезокерамики; но возможен вариант исполнения прибора, когда дополнительный слой будет выступать за край пьезокерамического слоя. В последнем случае теплоотдача может быть существенно (на 10-13%) повышена, а температура внутри прибора - снижена. Величина выступа дополнительного слоя зависит от толщины этого слоя и способа изготовления прибора.

В предлагаемом изобретении дополнительные слои из материала с высокой теплопроводностью могут содержать сквозные отверстия в направлении стопирования. Для реального повышения силы связи между соседними слоями пьезокерамики, разделенными дополнительным слоем, необходимо, чтобы площадь отверстий была не менее 20% от площади этого слоя. Если площадь отверстий составляет более 40% от площади этого слоя, то не достигается эффект повышения теплопроводности всего прибора.

При подаче постоянного напряжения на внешние электроды описываемого прибора в силу пьезоэффекта происходят деформации, и размер прибора в направлении стопирования изменяется в зависимости от направления поляризации активных слоев. При подаче переменного напряжения прибор испытывает переменные деформации. В силу различных причин до 20-30% приложенной энергии может переходить в тепловую, что приводит к нагреву прибора. В случае, когда в нем имеются дополнительные слои с высокой теплопроводностью, как в предлагаемом изобретении, температура внутри прибора не достигает точки Кюри, и срок службы такого прибора повышается до 1010-1011 циклов. Главное преимущество предлагаемого изобретения в снижении градиентов температур внутри прибора.

Пример. В стопу собраны 48 слоев пьезокерамики из материала ЦТС-19 с толщиной 50 мкм каждый. Сечение слоя 6·6 мм. На каждом слое пьезокерамики сформирован внутренний электрод в виде слоя серебра толщиной 2-3 мкм. Каждый последующий слой перекрывается предыдущим на 4 мм. После нанесения внешних электродов и поляризации в слоях пьезокерамики образуются поляризованные зоны шириной 4 мм, причем соседние слои поляризованы в противоположных направлениях. В стопе размещены три слоя из нитрида алюминия толщиной 70 мкм между 12-13, 24-25 и 36-37 слоями пьезокерамики. Поверхность актюатора покрыта тонким слоем полиуретанового лака. При подаче на актюатор синусоидального сигнала с амплитудой до 100 В происходят синхронные деформации прибора. Выделяемое при этом в приборе тепло рассеивается за счет повышенной тепловой отдачи на внешних поверхностях слоев из нитрида алюминия. Градиенты температуры внутри прибора не превышают 100 градусов на метр, а температура в центре прибора ниже 120°C при температуре окружающей среды 25°C. Это обеспечивает повышение срока службы прибора до 1011 циклов.

Представленная совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки прототипа и получить пьезоэлектрический прибор, рассчитанный на большие нагрузки с повышенным сроком службы.

Источники информации

1. Патент США 5597494.

2. T.Sakai // J. Ceram. Soc. Jap., 1999, V.107, N5, p.403-407.

3. D.A. van den Ende, B.Bos, W.A.Groen, L.M.J.G.Dortmans //J. Electroceram, 2009, V.22, p.163-170.

4. Патент США 6483227.

5. Патент США 5438232.

6. Патент США 5389851.

7. Патент США 5148077.

8. Патент США 6874475.

9. Патент США 6943482.

10. Патент США 6291929 - прототип.

1. Пьезоэлектрический прибор, включающий множество собранных в стопку слоев из пьезокерамического материала, каждый из которых имеет два плоских внутренних электрода, расположенных в плоскости, перпендикулярной по отношению к направлению стопирования, имеющих степень перекрытия менее 100% и контактирующих последовательно с левым и с правым внешними электродами, расположенными на боковой стороне прибора в направлении стопирования, а снаружи тонкое внешнее влагонепроницаемое покрытие, отличающийся тем, что в стопке слоев содержатся равномерно распределенные дополнительные слои из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, например, нитрид алюминия (AlN), оксид бериллия (BeO) или карбид кремния (SiC) или подобные материалы, толщина дополнительного слоя из материала с высокой теплопроводностью в направлении стопирования не менее толщины отдельного слоя из пьезокерамического материала, количество внутренних слоев из материала с высокой теплопроводностью определяется из соотношения
1,25λпкhпкnпк≤λтпhтпnтп,
где λпк и λтп - теплопроводности, hпк и hтп - толщины, nпк и nтп - количества пьезокерамических и теплопроводящих слоев соответственно.

2. Пьезоэлектрический прибор по п.1, отличающийся тем, что слой материала с высокой теплопроводностью не сплошной, а имеет сквозные отверстия в направлении стопирования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии переменного электрического поля посредством обратного пьезоэффекта в механическую энергию упругих резонансных колебаний ультразвуковой частоты.

Изобретение относится к пьезоэлектрическому приводу, может найти применение при работе с двигателями высокоэкономичными, экологически чистыми, холодными. .

Изобретение относится к ультразвуковым неразрушающим испытаниям материалов и изделий и может быть, в частности, использовано в прокатном и трубном производстве при дефектоскопии проката и труб.

Изобретение относится к пьезоэлектрическому электромеханическому приводу или сенсорному элементу, выполненному пакетным способом. .

Изобретение относится к оптике, предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах. .

Изобретение относится к многослойным пьезоэлектрическим приводам. .

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в датчиках вибрации. .

Изобретение относится к способу изготовления акустооптических модуляторов

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной энергии и энергии вибраций

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам и может быть использовано, в частности, в системах диагностики автомобиля и системах автосигнализации. Сущность: датчик включает пьезоэлектрическое рабочее тело и систему регистрации. Рабочее тело выполнено из пьезокерамики связностью 3-0 с максимальным значением коэффициента напряжения g 33 . При этом датчик дополнительно содержит пьезоэлемент-резонатор для тарировки, поверхность которого соединена с поверхностью рабочего тела. Технический результат: повышение пьезочувствительности при минимальном весе, возможность тарировки и проверки работоспособности датчика в условиях отсутствия гравитации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к пьезоэлектронике. Сущность: рабочее тело высоковольтного генератора представляет собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие. Расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете. Способ включает изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов последовательным выполнением следующих операций: приготовление пресс-порошка синтезированного материала, приготовление смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессование из смеси заготовок и их высокотемпературную обработку методом спекания, механическую обработку, металлизацию, поляризацию и измерение параметров. Заданная прочность на сжатие для каждой партии пластин достигается варьированием пористости за счет изменения концентрации порообразователя в пластине. Технический результат: преобразование механического напряжения сжатия в электрическую энергию без взрывчатого вещества, уменьшение времени образования и увеличение возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Использование: для неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния конструкционного материала. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой пьезопреобразователь содержит корпус с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующим слоем и расположенную в корпусе призму, демпфер, соединенный с корпусом, и соединенный с демпфером пьезоэлемент, установленный на призме, при этом в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные прямоугольные металлические пластины с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, а размеры плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин выбирают исходя из определенных условий. Технический результат: обеспечение возможности ввода продольных ультразвуковых волн в элемент металлической конструкции под углами, близкими к 90°, без применения сложной схемы управления линиями временных задержек импульсов напряжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к пьезоэлектрическому генератору достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая может быть встроена в экран мобильного устройства и подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана. Пьезоэлектрогенератор выполнен в виде двух идентичных модулей, каждый из которых содержит подложку, с прозрачным электропроводящим покрытием в качестве электрода, на поверхности электрода сформирован пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца, в виде вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, и изоляционный слой. Слоистую пленочную структуру прозрачного пьезоэлектрогенератора изготавливают методом магнетронного напыления прозрачных пленок требуемого свойства. Мобильное устройство типа смартфона содержит указанный пьезоэлектрогенератор, встроенный в экран. Выполнение пьезоэлектрического генератора в виде тонкой гибкой пленки в соответствии с заданной геометрией с расположением в узлах металлической решетки из фольги, обеспечивает прозрачность конструкции и повышает мощность аккумулятора, что является техническим результатом изобретения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение может быть использовано в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах. Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров заключается в использовании полимеров в виде волокон (1), которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль. После отключения электрического напряжения полимерные волокна распрямляются. Волокна (1) объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке (3). Изобретение направлено на увеличение степени деформации электроактивных полимеров, расширение сферы их применения, упрощение способа, уменьшение веса и габаритов устройства, используемого в способе. 6 ил.
Наверх