RU218566U9

RU218566U9 - SMALL PIEZO SHOCK SENSOR

Info

Publication number: RU218566U9
Application number: RU2022128409U
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Набоков; Олег Тимофеевич Чижевский; Руслан Борисович Аношин; Павел Владимирович Трофимов; Сергей Викторович Небусев; Дмитрий Николаевич Миронов; Алексей Михайлович Храмцов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" имени С.С. Голембиовского"
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2023-11-24

Abstract

Полезная модель относится к области пьезотехники и может быть использована в качестве датчика ускорения для обнаружения ускорения и вибрации. Как частный случай может использоваться для определения уровня ударных нагрузок. Технический результат достигается тем, что малогабаритный пьезодатчик удара, состоящий из пьезокерамического элемента, закрепленного на магнитной подложке, внешние электроды которого соединены проводниками с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, представляет собой пьезокерамический многослойный элемент, пригодный для поверхностного монтажа, который изготовлен по пленочной технологии и закреплен припоем на поверхности магнитной подложки, также при изготовлении датчика учтена непропорциональная зависимость соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритных размеров, кроме того, в качестве исполнительного элемента используется твердотельная цельноспеченная многослойная пьезокерамическая структура, и конструкция датчика предусматривает возможность SMD-монтажа.

The utility model relates to the field of piezotechnics and can be used as an acceleration sensor to detect acceleration and vibration. As a special case it can be used to determine the level of shock loads. The technical result is achieved by the fact that a small-sized piezoelectric shock sensor, consisting of a piezoceramic element mounted on a magnetic substrate, the outer electrodes of which are connected by conductors with current-carrying leads connecting them to external circuits, is a piezoceramic multilayer element suitable for surface mounting, which is manufactured using film technology and is fixed with solder on the surface of the magnetic substrate, also in the manufacture of the sensor, the disproportionate dependence of the ratio of its electrophysical parameters on the ratio of its overall dimensions is taken into account, in addition, a solid-state all-sintered multilayer piezoceramic structure is used as an actuator, and the design of the sensor provides for the possibility of SMD mounting.

Description

Полезная модель относится к области пьезотехники и может быть использована в качестве датчика ускорения для обнаружения ускорения и вибрации. Как частный случай может использоваться для определения уровня ударных нагрузок.The utility model relates to the field of piezotechnics and can be used as an acceleration sensor to detect acceleration and vibration. As a special case it can be used to determine the level of shock loads.

В основу работы малогабаритного пьезодатчика удара (далее - датчика) положено явление прямого пьезоэффекта, позволяющего получить на электродах, используемого в его конструкции пьезокерамического элемента, вследствие его деформации, как реакции на внешнее воздействие, электрический сигнал, зависящий от величины этого воздействия.The operation of a small-sized piezoelectric shock sensor (hereinafter referred to as the sensor) is based on the phenomenon of the direct piezoelectric effect, which makes it possible to obtain an electrical signal on the electrodes of the piezoceramic element used in its design, due to its deformation, as a reaction to an external influence, depending on the magnitude of this influence.

Известен датчик ускорения по JP 1997127151 (аналог), который предназначен для определения ускорения транспортного средства [1]. Датчик состоит из кремниевого элемента, закрепленного на стеклянной подложке и электродов. Особенностью кремниевого элемента является наличие особой конструкции опорной балки, поддерживающей основную массовую часть элемента, что предотвращает разрушение всего элемента, повышает надежность и срок службы датчика. Указанные улучшения изобретения достигаются путем введения в конструкцию стопора для смягчения ударов и как следствие для уменьшения смещения электродов. Поскольку при прикладывании к датчику ускорения, которое вызывает значительное смещение одного электрода кремниевого элемента к стороне другого электрода, стопор позволяет компенсировать смещение одного электрода относительно другого. Однако данный датчик содержит избыточно сложные в изготовлении элементы, которые по стоимостным показателям не целесообразно применять в технике, предназначенной для измерения ускорений. Также характер монтажа составных частей и датчика в целом, не будет гарантировать точных и качественных измерений электрофизических характеристик внешних воздействий.A known acceleration sensor according to JP 1997127151 (analogue), which is designed to determine the acceleration of a vehicle [1]. The sensor consists of a silicon element mounted on a glass substrate and electrodes. A special feature of the silicon element is the presence of a special design of the support beam that supports the main mass part of the element, which prevents destruction of the entire element and increases the reliability and service life of the sensor. These improvements to the invention are achieved by introducing a stopper into the design to soften impacts and, as a consequence, to reduce the displacement of the electrodes. Because when an acceleration is applied to the sensor, which causes a significant displacement of one electrode of the silicon element to the side of the other electrode, the stopper allows you to compensate for the displacement of one electrode relative to the other. However, this sensor contains elements that are excessively complex to manufacture, which, due to cost indicators, are not advisable to use in equipment intended for measuring accelerations. Also, the nature of the installation of the components and the sensor as a whole will not guarantee accurate and high-quality measurements of the electrophysical characteristics of external influences.

Известен также датчик ускорения по JP 2011117919 (аналог), который используется для обнаружения ускорений, действующих на электронные устройства, такие как жесткие диски [2]. В соответствии с изобретением, датчик ускорения, включает в себя пьезоэлектрическую керамическую пластину, в которой электроды сформированы на обеих основных поверхностях, а одна торцевая сторона в продольном направлении элемента неподвижно закреплена. Цель изобретения, заключающаяся в повышении чувствительности к напряжению, была достигнута путем уменьшения емкости между электродами элемента, посредством удаления электрода на стороне свободного конца. К недостаткам данного изобретения можно отнести трудность изготовления, сложность конструкции и небольшие показатели надежности.An acceleration sensor according to JP 2011117919 (analogue) is also known, which is used to detect accelerations acting on electronic devices such as hard drives [2]. According to the invention, an acceleration sensor includes a piezoelectric ceramic plate in which electrodes are formed on both main surfaces and one end side in the longitudinal direction of the element is fixedly fixed. The purpose of the invention, which is to increase voltage sensitivity, was achieved by reducing the capacitance between the cell electrodes by removing the electrode on the free end side. The disadvantages of this invention include the difficulty of manufacturing, the complexity of the design and low reliability indicators.

В качестве прототипа выбран малогабаритный датчик удара RU 2621467, который состоит из консольно закрепленного биморфного пьезокерамического элемента и металлокерамического корпуса [3]. Особенностью данного изобретения является то, что при изготовлении датчика учтена непропорциональная зависимость соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритных размеров и возможность осуществления поверхностного монтажа.The prototype chosen is a small-sized shock sensor RU 2621467, which consists of a cantilever-mounted bimorph piezoceramic element and a metal-ceramic housing [3]. A feature of this invention is that in the manufacture of the sensor, the disproportionate dependence of the ratio of its electrophysical parameters on the ratio of its overall dimensions and the possibility of surface mounting are taken into account.

Недостатком прототипа является сложная конструкция, увеличивающая трудоемкость при изготовлении изделия, тем самым, приводя к его удорожанию. Также консольная конструкция биморфного элемента не гарантирует высоких надежностных характеристик датчика при воздействии больших нагрузок.The disadvantage of the prototype is its complex design, which increases the complexity of manufacturing the product, thereby making it more expensive. Also, the cantilever design of the bimorph element does not guarantee high reliability characteristics of the sensor when exposed to heavy loads.

Для обеспечения высокой надежности и одновременно не трудного монтажа и высоких параметрических показателей требуется не сложная конструкция с отработанной технологией изготовления. В виду указанных факторов, предложено следующее техническое решение.To ensure high reliability and at the same time not difficult installation and high parametric performance, a simple design with proven manufacturing technology is required. In view of these factors, the following technical solution is proposed.

Технический результат изобретения заключается в применении в качестве датчика детонации в оружейных снарядах датчика, изготовленного по пленочной пьезокерамической технологии, что обеспечивает высокие надежностные характеристики, и который пригоден для поверхностного SMD-монтажа.The technical result of the invention consists in the use of a sensor made using piezoceramic film technology as a detonation sensor in weapon projectiles, which provides high reliability characteristics and is suitable for surface SMD mounting.

Указанный технический результат достигается тем, что малогабаритный пьезодатчик удара, состоящий из пьезокерамического элемента 1, закрепленного на магнитной подложке 2, внешние электроды 3 которого соединены проводниками 4 с токоподводящими выводами, соединяющими их с внешними цепями, представляет собой пьезокерамический многослойный элемент, пригодный для поверхностного монтажа, который изготовлен по пленочной технологии и закреплен припоем на поверхности магнитной подложки, также при изготовлении датчика учтена непропорциональная зависимость соотношения его электрофизических параметров от соотношения его габаритных размеров, кроме того, в качестве исполнительного элемента используется твердотельная цельноспеченная многослойная пьезокерамическая структура, а также конструкция датчика предусматривает возможность SMD-монтажа.This technical result is achieved by the fact that a small-sized piezoelectric shock sensor, consisting of a piezoceramic element 1 mounted on a magnetic substrate 2, the external electrodes 3 of which are connected by conductors 4 with current-carrying terminals connecting them to external circuits, is a piezoceramic multilayer element suitable for surface mounting , which is manufactured using film technology and fixed with solder on the surface of a magnetic substrate, also in the manufacture of the sensor, the disproportionate dependence of the ratio of its electrical parameters on the ratio of its overall dimensions is taken into account, in addition, a solid-state all-sintered multilayer piezoceramic structure is used as an actuator, and the design of the sensor provides possibility of SMD mounting.

Указанная пленочная технология позволяет достичь высоких показателей чувствительности датчика [4].This film technology makes it possible to achieve high sensor sensitivity [4].

Конструкция многослойного пьезоэлемента с выведенными по бокам электродами позволяет без затруднений проводить SMD-монтаж и замену вышедших из строя датчиков.The design of a multilayer piezoelectric element with electrodes located on the sides allows for easy SMD installation and replacement of failed sensors.

Использованная технология изготовления позволяет при небольших габаритах датчика получать высокие значения электрофизических параметров.The manufacturing technology used makes it possible to obtain high values of electrophysical parameters with small dimensions of the sensor.

Использование твердотельной цельноспеченной многослойной пьезокерамической структуры позволяет обеспечить высокие характеристики надежности.The use of a solid-state all-sintered multilayer piezoceramic structure allows for high reliability characteristics.

На фигуре приведен внешний вид датчика, где многослойный пьезоэлемент 1 закреплен на магнитной подложке 2, а проводники 4 обеспечивают электрическое соединение между боковыми электродами многослойного пьезоэлемента и внешними токоподводами. Крепление датчика к подложке 2, может осуществляться как путем SMD-монтажа при помощи пайки, так и любыми допустимыми клеевыми составами. Применение магнитной подложки обеспечивает беспрепятственное крепление всей конструкции на поверхность оружейного снаряда или другой аппаратуры.The figure shows the appearance of the sensor, where the multilayer piezoelement 1 is fixed to the magnetic substrate 2, and the conductors 4 provide an electrical connection between the side electrodes of the multilayer piezoelement and external current leads. The sensor can be attached to substrate 2 either by SMD mounting using soldering or by any acceptable adhesive composition. The use of a magnetic substrate ensures unhindered attachment of the entire structure to the surface of a weapon projectile or other equipment.

Для подтверждения результатов на предприятии АО «НИИ «Элпа» была изготовлена партия датчиков. При габаритных размерах 3,1×1,6×1,0 мм датчики имели значения коэффициента преобразования в диапазоне от 2 до 4 пКл/g, что в сравнении с прототипом больше в 2 раза. Кроме того, испытания датчиков на воздействие нагрузки 80000 g показали положительные результаты, что превышает значения допустимой нагрузки у прототипа в 7 раз.To confirm the results, a batch of sensors was manufactured at the Elpa Research Institute JSC. With overall dimensions of 3.1×1.6×1.0 mm, the sensors had conversion coefficient values in the range from 2 to 4 pC/g, which is 2 times more in comparison with the prototype. In addition, tests of the sensors under a load of 80,000 g showed positive results, which exceeds the permissible load of the prototype by 7 times.

Литература:Literature:

1. Заявка JP 1997127151.1. Application JP 1997127151.

2. Заявка JP 2011117919.2. Application JP 2011117919.

3. Патент RU 2621467.3. Patent RU 2621467.

4. Патент RU 2540440.4. Patent RU 2540440.

Claims

1. A small-sized piezoelectric shock sensor, consisting of a piezoceramic element mounted on a magnetic substrate, the external electrodes of which are connected by conductors with current-carrying terminals connecting them to external circuits, characterized in that a multilayer piezoceramic element for surface mounting, made using film, is used as a piezoceramic element technology, fixed with solder on the surface of a magnetic substrate.

2. The piezoelectric sensor according to claim 1, characterized in that during its manufacture the disproportionate dependence of the ratio of its electrical parameters on the ratio of its overall dimensions is taken into account.

3. Piezoelectric sensor according to claim 1, characterized in that a solid-state all-sintered multilayer piezoceramic structure is used as an actuating element.

4. Piezo sensor according to claim 1, characterized in that the actuator is suitable for SMD mounting.