Пьезоэлектрический прибор

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 λ_пк, толщины h_пк и количества n_пк пьезокерамических слоев к произведению теплопроводности λ_тп, толщины h_тп и количества n_тп 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
1,25λ_пкh_пкn_пк≤λ_тпh_тпn_тп,
где λ_пк и λ_тп - теплопроводности, h_пк и h_тп - толщины, n_пк и n_тп - 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.