RU1770794C - Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same - Google Patents

Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same

Info

Publication number
RU1770794C
RU1770794C SU904839738A SU4839738A RU1770794C RU 1770794 C RU1770794 C RU 1770794C SU 904839738 A SU904839738 A SU 904839738A SU 4839738 A SU4839738 A SU 4839738A RU 1770794 C RU1770794 C RU 1770794C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric
current collectors
sleeve
sensitive element
piezoelectric element
Prior art date
Application number
SU904839738A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петр Григорьевич Михайлов
Анатолий Леонидович Шамраков
Иван Петрович Винокуров
Николай Николаевич Мордовин
Original Assignee
Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт физических измерений filed Critical Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority to SU904839738A priority Critical patent/RU1770794C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1770794C publication Critical patent/RU1770794C/en

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Использование: при конструировании и производстве миниатюрных датчиков быст- ропеременных давлений и сил Цель - обеспечение получени  стабильных передаточных характеристик и упрощение изготовлени . Сущность: устройство, состо щее из пьезоэлемента 1 с токосъемниками 2, заключенных внутрь пьезокерамического корпуса-держател  3, выполненного в виде оболочки, внутренн   стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента , поскольку материал корпуса и пьезоэлемента одинаков, при термообработке не возникают остаточные напр жени . 2 с.п. ф-лы, 6 ил.Use: in the design and manufacture of miniature sensors of rapidly varying pressures and forces. The goal is to ensure stable transmission characteristics and simplify manufacturing. SUBSTANCE: device consisting of a piezoelectric element 1 with current collectors 2, enclosed inside a piezoceramic holder body 3, made in the form of a sheath, the inner wall of which is spaced from the outer surface of the piezoelectric element, since the material of the case and the piezoelectric element are the same, no residual stresses occur during heat treatment. 2 s.p. f-ly, 6 ill.

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании и производстве датчиков быстролеременных, акустических и импульсных давлений.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in the design and manufacture of sensors for quick-change, acoustic and pulse pressures.

Известен датчик давлени , содержащий корпус, чувствительный элемент в виде набора пьезоэлектрических дисков накрытых термокомпенсационной шайбой и токосъемники .A pressure sensor is known, comprising a housing, a sensing element in the form of a set of piezoelectric disks covered by a temperature compensating washer and current collectors.

Недостатками указанного датчика  вл ютс  пониженна  чувствительность из-за необходимости обеспечени  нат га корпуса-держател ; ограниченный температурный диапазон измерени  из-за внутренних напр жений, возникающих в разнородных материалах датчика - металлическом корпусе , пьезоэлементе, герметизирующих материалах и кле х; дрейф передаточных характеристик датчика из-за релаксационных процессов, происход щих в герметизирующих и клеющих материалах, которые привод т к нестационарным деформационным пол м, воздействующим на пьезоэле- мент.The disadvantages of this sensor are reduced sensitivity due to the need to provide tension to the holder body; limited measurement temperature range due to internal stresses arising in heterogeneous sensor materials - metal body, piezoelectric element, sealing materials and adhesives; drift of the transfer characteristics of the sensor due to relaxation processes occurring in the sealing and adhesive materials, which lead to unsteady deformation fields acting on the piezoelectric element.

Известен пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика бы стролеремен- ных давлений, содержащий корпус, стакан, в который помещен дисковый пьезокерами- ческий элемент и термоизолирующа  прокладка .A piezoelectric sensing element of a sensor of stereoplastic pressure is known, comprising a housing, a glass in which a disk piezoelectric ceramic element and a thermally insulating gasket are placed.

Недостатком указанной конструкции  вл етс  сложность конструкции, мала  точность измерени  из-за наличи  разнородных материалов и узлов различающихс  коэффициентами терморасширени , что приведет при воздействии температуры к возникновению полей деформаций в пьезоэлементе и послужит причиной его разруше s| ч О ЧThe disadvantage of this design is the complexity of the design, low measurement accuracy due to the presence of dissimilar materials and nodes with different thermal expansion coefficients, which, when exposed to temperature, will create deformation fields in the piezoelectric element and cause its destruction s | h o h

юYu

ни  или возникновению неинформативного сигнала.nor the occurrence of an uninformative signal.

Известен способ изготовлени  пьезоэлектрического датчика, включающий смешивание порошка пьезоэлектрической керамики с термореактивной или термоэластичной смолой, заливку смеси в корпус с размещенными в ней электродами и отверждение смеси.A known method for manufacturing a piezoelectric sensor, comprising mixing a piezoelectric ceramic powder with a thermosetting or thermoelastic resin, pouring the mixture into a housing with electrodes placed therein, and curing the mixture.

Известен способ изготовлени  пьезоэлектрических датчиков давлени , включающий изготовление пьезоэлектрического элемента, нанесение на боковые поверхности , не воспринимающие давление пленки, сублимирующего кле , заливку герметиком и термообработку.A known method of manufacturing piezoelectric pressure sensors, including the manufacture of a piezoelectric element, applying to the side surfaces not sensitive to the pressure of the film, sublimating adhesive, pouring with sealant and heat treatment.

К недостаткам способа можно отнести низкую технологичность изготовлени  из-за трудности нанесени  пленки и неконтролируемости ее толщины, что может привести к потере чувствительности датчика при достижении измер емой величины (давлени ) максимального значени  в результате того, что приращение поперечного размера пье- зоэлемента под действием деформации превышает зазор, полученный при испарении пленки сублимирующего кле .The disadvantages of the method include the low manufacturability due to the difficulty of applying the film and the uncontrollability of its thickness, which can lead to loss of sensitivity of the sensor when the measured value (pressure) reaches its maximum value due to the fact that the increment of the transverse size of the piezoelectric element under the action of deformation exceeds the gap obtained by evaporation of the film of sublimating glue.

Целью изобретени   вл етс  увеличение точности измерени  и повышение технологичности изготовлени .The aim of the invention is to increase the accuracy of measurement and increase the manufacturability.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в пьезоэлектрическом датчике давлени , содержащем корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, между боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор Д, корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а величина зазора Д удовлетвор ет соотношениюThis goal is achieved in that in a piezoelectric pressure sensor comprising a housing and a piezoelectric sensing element with current collectors fixed therein at its ends, a gap D is made between the side surface of the housing and the housing, the housing is made in the form of a closed shell made of piezoelectric ceramic, and the gap size D satisfies the relation

максMax

где Д- зазор;where D is the clearance;

Рмакс - максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент;Rmax - maximum force acting on the sensing element;

h; S; Е; ц - соответственно рассто ние между торцами чувствительного элемента, величина его поперечного сечени , модуль упругости материала чувствительного элемента .h; S; E; and c, respectively, the distance between the ends of the sensitive element, the value of its cross section, the elastic modulus of the material of the sensitive element.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе изготовлени  пьезоэлектрического датчика давлени , включающим заливку пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосъемниками герметизирующим материалом, термообработку и пбл риза- цию чувствительного э лемента, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают втулку из сублимирующего материала , устанавливают во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками, после заливки герметизирующим материалом производ т его опрессовку вокруг втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполн ют путем последовательного повышени  температуры до испарени  втулки, а затем до обжига пьезоэлектрического материала. причем пол ризацию чувствительного элемента производ т путем подачи высокого электрического напр жени  на токосьемники .This goal is achieved in that in a method for manufacturing a piezoelectric pressure sensor, comprising pouring a piezoelectric sensitive element with current collectors with sealing material, heat treatment and pblization of the sensitive element, before filling the sealing material, a sleeve is made of sublimating material, a piezoelectric sensor is installed in the sleeve current collectors, after filling with sealing material, it is crimped around the sleeve and of the element, and heat treatment is carried out by successively raising the temperature until the sleeve is evaporated, and then until the piezoelectric material is fired. moreover, the polarization of the sensing element is carried out by applying a high electrical voltage to the current collectors.

Реализаци  предлагаемых устройств и способа его изготовлени  схематично показана на фиг. 1 (устройство) и на фиг. 2 - фиг. 6 (способ).The implementation of the proposed devices and the method of its manufacture are shown schematically in FIG. 1 (device) and in FIG. 2 - FIG. 6 (method).

Перечень позиций: 1 - пьезоэлектрический чувствительный элемент, 2 - токосъем- ники. 3 - пьезокерамический корпус - держатель, 4 - зазор; 5 - измер ема  величина; 6 - технологическа  втулка, 7 - отверстие под токосъемники, 8 - пьезоэлемент, 9 - пьезокерамический материал, 10 - пресс- форма, 11 -уплотнитель, 12 - подпрессовоч- ное усилие, 13 - штифт, 14 пьезоэлектрический датчик давлени  передThe list of items: 1 - piezoelectric sensitive element, 2 - current collectors. 3 - piezoceramic case - holder, 4 - gap; 5 - measurable value; 6 - technological sleeve, 7 - hole for current collectors, 8 - piezoelectric element, 9 - piezoceramic material, 10 - mold, 11 -seal, 12 - prepress force, 13 - pin, 14 piezoelectric pressure sensor before

пол ризацией, 15 - нагреватель. 16 - источник высокого напр жени , 17 - электрические силовые линии пол ризующего пол .polarization, 15 - heater. 16 - source of high voltage; 17 - electric power lines of the polarizing field.

Пьезоэлектрический датчик давлени  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 видеThe piezoelectric pressure sensor consists of a piezoelectric sensitive element (hereinafter referred to as the piezoelectric element) 1 with current collectors attached to it at the ends 2. The piezoelectric element is surrounded on all sides by a piezoelectric housing-holder 3, made in the form

оболочки, внутренн   стенка которой отстоит от наружной поверхности пьезоэлемента на величину зазора Д- 4.shell, the inner wall of which is spaced from the outer surface of the piezoelectric element by the value of the gap D-4.

Пьезокерамический датчик давлени  функционирует следующим образом; приA piezoceramic pressure transducer operates as follows; at

воздействии на него быстропеременного или акустического давлени  деформируетс  пьезоэлемент. В результате пр мого пьезоэлектрического эффекта на токосъемниках возникает электрический зар д, которыйwhen exposed to a rapidly varying or acoustic pressure, the piezoelectric element is deformed. As a result of the direct piezoelectric effect on the current collectors, an electric charge arises, which

подаетс  на вторичную аппаратуру дл  измерени  и регистрации. Зазор Д между стенками пьезоэлемента и оболочки позвол ет свободно деформироватьс  пьезоэле- менту.fed to secondary equipment for measurement and recording. The gap D between the walls of the piezoelectric element and the shell allows the piezoelectric element to be freely deformed.

Изготовление пьезоэлектрического датчика давлени  осуществл етс  следующим образом; изготавливаетс  технологическа  пола  втулка (из сублимирующего кле  толщиной , равной зазору Д, у которой сверхуThe manufacture of a piezoelectric pressure transducer is as follows; a technological floor is made of a sleeve (from a sublimating adhesive with a thickness equal to the gap D, in which

сформированы два сквозных отверсти  7 под токосъемники. Прессуетс  пьезоэле- мент 8 из пьезокерамики и помещаетс  в технологическую втулку 6. Сверху через отверсти  на пьезоэлемент накладываютс  токосъемники 2 (в некоторых случа х пьезо- элемект может быть и с готовыми токосъемниками ). Сборка помещаетс  в разъемную пресс-форму 10, котора  заполн етс  сырой пьезокерамикой (шликкером) 9 с необходимыми добавками. Производ т подпрессовку пьезокерамики уплотнителем 11, например поршнем, с необходимым подпрессовоч- ным усилием - 12, Сборку подсушивают и подвергают ступенчатой термообработке нагревателем 15, в результате которой сначала происходит сублимаци  материала технологической втулки через поры сырой пьезокерамики или специальные технологические отверсти , а при дальнейшем повышении температуры - обжиг пьезокерамики. В результате термообработки получают непол ризованный пьезоэлектрический датчик давлени  14, в котором между пьезоэлементом и внутренней стенкой корпуса образован зазор Д. Конечной операцией способа  вл етс  операци  пол ризаци , при которой на токосъемники от источника высокого напр жени  16 на токосъемники 2 подаетс  пол ризующее напр жение; в объеме пьезоэлектрического датчика давлени  возникает сильное электрическое поле (условно показанное силовыми лини ми 17), которое ориентирует электрические домены пьезокерамики по направлению силовых линий. Пол ризаци  материала происходит как в самом пьезоэ- лементе, так и частично в боковых стенках оболочки, что приводит к повышению общей чувствительности. После сн ти  пол ризующего напр жени  в пьезомодуле пол ризаци  доменов сохран етс .two through holes 7 for current collectors are formed. The piezoelectric element 8 is pressed from piezoelectric ceramics and placed in the technological sleeve 6. Current collectors 2 are applied from above through the holes on the piezoelectric element (in some cases, the piezoelectric element can also be equipped with current collectors). The assembly is placed in a releasable mold 10, which is filled with raw piezoceramics (slip) 9 with the necessary additives. The piezoceramics are pressed with a sealant 11, for example, a piston, with the necessary prepressing force of 12, the assembly is dried and subjected to stepwise heat treatment with a heater 15, as a result of which the material of the process sleeve is sublimated through the pores of the raw piezoceramics or special technological holes, and with a further increase temperature - firing piezoceramics. As a result of heat treatment, a non-polarized piezoelectric pressure sensor 14 is obtained, in which a gap D is formed between the piezoelectric element and the inner wall of the housing. The final operation of the method is a polarization operation in which a polarizing voltage is applied to current collectors 16 from current collectors 2 ; a strong electric field (conventionally indicated by force lines 17) arises in the volume of the piezoelectric pressure sensor, which orientes the electric domains of the piezoceramics in the direction of the force lines. Polarization of the material occurs both in the piezoelectric element and partially in the side walls of the shell, which leads to an increase in the overall sensitivity. After removing the polarizing voltage in the piezoelectric module, the polarization of the domains is maintained.

Пример выполнени  способа. Расплавл ют при температуре 65...70°С исходный материал - сублимирующий клей КС-1 и заливают расплав в форму, в результате чего получают технологическую полую втулку. Дл  удобства установки пьезоэлемента в ней делаетс  разрез. Прессуетс  пьезоэлемент из керамики типа ЦТС и подсушиваетс . Может быть использован также готовый серийно изготавливаемый пьезоэлемент, например ПМ-8, ПМ-7. Пьезоэлемент вкладываетс  в технологическую втулку, и сборка помещаетс  в разъемную пресс-форму, которую заполн ют пьезокерамическим шликкером, состо щим из пьезокерамики ЦТС-19, перемешанной с растворителем - олеиновой кислотой и пластификатором- парафином. Подпрессовывают пьезокера-.An example of the method. The starting material, KS-1 sublimating glue, is melted at a temperature of 65 ... 70 ° C and the melt is poured into a mold, as a result of which a technological hollow sleeve is obtained. For ease of installation of the piezoelectric element, a cut is made in it. A PZ type ceramic piezoelectric element is pressed and dried. A ready-made mass-produced piezoelectric element, for example, PM-8, PM-7, can also be used. The piezoelectric element is inserted into the process sleeve, and the assembly is placed in a releasable mold, which is filled with a piezoceramic slip material consisting of TsTS-19 piezoceramic mixed with oleic acid solvent and paraffin plasticizer. Piezokera is pressed.

мику с удельным усилием F «0,3-0.5 кг/см2 и просушивают ее на воздухе при комнатной температуре в течение 10-12 ч. Далее сборка помещалась в вакуумную печь СВНMiku with a specific force F 0.3-0.5 kg / cm2 and dried in air at room temperature for 10-12 hours. Next, the assembly was placed in a vacuum microwave oven

и проводилась ступенчата  термообработка - сначала при температуре 110-125°С в течение 10-15 мин дл  удалени  клеевой втулки , з затем температура поднималась до 700-100°С и производилс  обжиг керамики вand heat treatment was performed in stages - first, at a temperature of 110-125 ° C for 10-15 minutes to remove the adhesive sleeve, then the temperature rose to 700-100 ° C and the ceramics were fired in

течение 4-5 ч. Вакуум при этом поддерживалс  не хуже мм рт.ст. Пьезокерамиче- ский датчик давлени  помещали в специальное приспособление и на него подавали напр жение 1200 В в течение 10 мин,for 4-5 hours. The vacuum was maintained at the same time as mmHg. The piezoceramic pressure sensor was placed in a special device and a voltage of 1200 V was applied to it for 10 minutes,

после чего провер лись его электрофизические характеристики:пьезочувствительность, температурна  и временна  стабильность, сопротивление изол ции и т.д.after which its electrophysical characteristics were checked: piezoelectric sensitivity, temperature and temporal stability, insulation resistance, etc.

20twenty

Claims (2)

Формула изобретени The claims 1 .Пьезоэлектрический датчик давлени , содержащий корпус и закрепленный в нем по своим торцам пьезоэлектрический чувствительный элемент с токосъемниками между боковой поверхностью которого и корпусом выполнен зазор А,отличающий с   тем, что, с целью увеличени  точности измерени  и повышени  технологичности , в нем корпус выполнен в виде замкнутой оболочки из пьезоэлектрической керамики, а размер зазора удовлетвор ет соотношению:1. A piezoelectric pressure sensor comprising a housing and a piezoelectric sensing element fixed to it at its ends with current collectors between the side surface of which and the housing have a clearance A, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurement and improve manufacturability, the housing is made in it a closed shell made of piezoelectric ceramics, and the gap size satisfies the ratio: максMax . S Е. S E где Рмакс - максимальное усилие, действующее на чувствительный элемент при воздействии давлени  на оболочку;where Pmax is the maximum force acting on the sensing element when pressure is applied to the shell; h, S, Е, /г - соответственно рассто ние между торцами чувствительного элемента, его поперечное сечение, модуль упругости и коэффициент Пуанссонз материала чувствительного элемента.h, S, E, / g are, respectively, the distance between the ends of the sensitive element, its cross section, the elastic modulus, and the Poinson's ratio of the material of the sensitive element. 2. Способ изготовлени  пьезоэлектрического датчика давлени  включающий заливку пьезоэлектрического чувствительного элемента с токосъемниками герметизирующим материалом, термообработку и пол ризацию чувствительного элемента, отличающийс  тем, что, с целью повышени  технологичности, перед заливкой герметизирующим материалом изготавливают2. A method of manufacturing a piezoelectric pressure sensor comprising pouring a piezoelectric sensitive element with current collectors with sealing material, heat treatment and polarization of the sensitive element, characterized in that, in order to improve manufacturability, they are made before filling with sealing material втулку из сублимирующего материала, устанавливают во втулку пьезоэлектрический чувствительный элемент, с токосъемниками , после заливки герметизирующим материалом производ т его опрессовку вокругa sleeve of sublimating material, a piezoelectric sensitive element is installed in the sleeve, with current collectors, after filling with sealing material, it is crimped around втулки и чувствительного элемента, а термообработку выполн ют путем последовательного повышени  температуры до испарени  втулки, а затем - до обжига пьезоэлектрического материала, причем пол ризацию чувствительного элемента производ т путем подачи высокого электрического напр жени  на токосъемники.the sleeve and the sensor, and heat treatment is carried out by successively raising the temperature until the sleeve is evaporated and then firing the piezoelectric material, and the sensor is polarized by applying a high electrical voltage to the current collectors. ЛL х/x / Ф«е. /F e / 7 67 6 Р. 2R. 2 ъ.4ъ.4 & &
SU904839738A 1990-06-25 1990-06-25 Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same RU1770794C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904839738A RU1770794C (en) 1990-06-25 1990-06-25 Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904839738A RU1770794C (en) 1990-06-25 1990-06-25 Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1770794C true RU1770794C (en) 1992-10-23

Family

ID=21521223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904839738A RU1770794C (en) 1990-06-25 1990-06-25 Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1770794C (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Проектирование датчиков дл измерени механических величин. Под, ред. Е.П, Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. с. 203, рис. 8.19. Авторское свидетельство СССР N 1647311,кл. G 01 L 23/10, 1989. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6617764B2 (en) High temperature piezoelectric sensor
US3673442A (en) Temperature compensated piezoelectric accelerometer
Mueller et al. Shear response of lead zirconate titanate piezoceramics
RU2007135333A (en) COATING FOR GRAVES AND SENSORS WITH SUCH COATING
US2808524A (en) Inertia responsive electro-mechanical transducer
RU1770794C (en) Piezoelectric pressure pickup and method of manufacturing the same
KR100308834B1 (en) Fabrication of pressure type accelerometer
Obara et al. The construction and calibration of an inexpensive PVDF stress gauge for fast pressure measurements
Bauer Ferroelectric properties of PVDF polymer and VF2/C2F3H copolymers: high pressure and shock response of PVDF gauges
JPS63274206A (en) Chip type piezoelectric element
Bauer Behavior of ferroelectric ceramics and PVF2 polymers under shock loading
JPH0323550Y2 (en)
JPS6358384B2 (en)
SU1647311A1 (en) Method of manufacturing piezoelectric pressure sensors
JPH0147909B2 (en)
JPH0295232A (en) Piezoelectric pressure sensor
Satpathi et al. Development of a PVDF film sensor for infrastructure monitoring
KR0129958Y1 (en) Piezo-electric vibration sensor
SU1642266A1 (en) Temperature-sensitive element
JPH02236431A (en) Piezoelectric pressure sensor
Thakre et al. Experimental non resonant piezoelectric transformer for high voltage measurement
JPH03198500A (en) Piezoelectric protect film
JP3006861U (en) Ultrasonic probe
JP2004093197A (en) Non-resonant knocking sensor
SU883681A1 (en) Pressure transducer with frequency output