RU2710103C1 - Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента - Google Patents

Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента Download PDF

Info

Publication number
RU2710103C1
RU2710103C1 RU2018142506A RU2018142506A RU2710103C1 RU 2710103 C1 RU2710103 C1 RU 2710103C1 RU 2018142506 A RU2018142506 A RU 2018142506A RU 2018142506 A RU2018142506 A RU 2018142506A RU 2710103 C1 RU2710103 C1 RU 2710103C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silver
electrodes
containing paste
piezoceramic
organic polymer
Prior art date
Application number
RU2018142506A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Константинович Доля
Светлана Николаевна Свирская
Егор Владимирович Карюков
Анатолий Юрьевич Малыхин
Александр Анатольевич Панич
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
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 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Priority to RU2018142506A priority Critical patent/RU2710103C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2710103C1 publication Critical patent/RU2710103C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Abstract

Использование: для изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента. Сущность изобретения заключается в том, что на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса, имеющего открытые поры и общую пористость 40-60%, наносят электроды путем вжигания серебросодержащей пасты, поляризуют полученную заготовку, припаивают к электродам провода и покрывают пьезоэлемент слоем эластичного полимера. Способ отличается тем, что перед нанесением серебросодержащей пасты на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса наносят равномерный слой органического полимера и сушат его до образования тонкопленочного покрытия. Технический результат: увеличение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению, а также уменьшение расхода серебросодержащей пасты при нанесении электродов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно, к технологии изготовления композитных чувствительных пьезоэлементов на основе пористой пьезокерамики со смешанной связностью 3-0 и 3-3, используемых в акустических и гидроакустических пьезопреобразователях, работающих в режиме приема.
В качестве чувствительных элементов приемников звука традиционно использовали плотную пьезокерамику, отличающуюся высокими значениями электрофизических параметров и их стабильностью в широком интервале температур. Однако плотная пьезокерамика способна фиксировать преимущественно, одноосные колебания, поскольку имеет крайне низкие объемно-чувствительные характеристики, высокие значения плотности и скорости звука и, как следствие, высокий акустический импеданс, что затрудняет согласование в воздушной и водной средах. При использовании плотной пьезокерамики для целей акустики и гидроакустики приходится трансформировать объемные колебания в одноосные путем усложнения конструкции пьезоэлектрического преобразователя.
Этих недостатков лишены преобразователи на основе пьезокомпозитов, которые благодаря высоким объемно-чувствительным характеристикам и лучшему акустическому согласованию с водой позволяют отказаться от необходимости трансформации объемного давления в одноосное и, следовательно, существенно упростить конструкцию преобразователей для целей акустики и гидроакустики и снизить их стоимость.
Частным случаем композиционных материалов является пористая пьезокерамика. Ее высокая эффективность, возможность в широких пределах варьировать свойствами материала и технологическая простота вызывают растущий интерес к пористой пьезокерамике и чувствительным пьезоэлементам на ее основе. Пористая пьезокерамика может иметь как открытые, так и закрытые поры. Чем выше общая пористость керамического каркаса чувствительного пьезоэлемента, тем выше удельная доля пористости открытого типа [1, 2]. С ростом открытой пористости возрастают объемно-чувствительные характеристики пьезокомпозита, вследствие этого наибольший практический интерес представляют пьезокомпозиты с пористостью от 40 до 60%. Пьезокомпозиты с пористостью более 65% практически не используются в связи с их низкой механической прочностью [3].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента (RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 С. 6-7) [4], принимаемый за прототип.
Согласно способу - прототипу изготовление чувствительных пьезоэлементов включает следующие операции:
- изготовление из пьезокерамического материала ЦТС-36 пористого керамического каркаса в форме диска диаметром 12 мм, высотой 5 мм с пористостью 62-63% объема;
- металлизацию торцевых поверхностей дисков;
- припаивание к электродам проводов для снятия сигналов;
- поляризацию композитного чувствительного пьезоэлемента;
- изолирование композитного чувствительного пьезоэлемента слоем эластичного полимера, такого как полиуретан, силиконовый каучук и синтетический каучук.
Металлизацию торцевых поверхностей выполняют методом нанесения и вжигания серебросодержащей пасты при температуре 800-850°С, поскольку альтернативные способы нанесения электродов - никелирование и напыление металлов неприемлемы для высокопористых чувствительных элементов. Это обусловлено тем, что при никелировании в результате погружения пьезоэлемента в раствор происходит проникновение по открытым порам растворов по всему объему керамического каркаса, что полностью исключает возможность применения такого способа нанесения электродов. Способ напыления электродов не применим к пористым композиционным материалам, так как при напылении образуется тонкий слой металлического электрода, что для пористых пьезоэлементов делает практически невозможной дальнейшую пайку электрических выводов. В способе - прототипе серебросодержащая паста при нанесении проникает вглубь керамического каркаса по открытым порам, что приводит к уменьшению эффективного (реального) расстояния между электродами пьезокомпозита, и как следствие, недостаточно высокой объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu,, а также расходу серебросодержащей пасты. При изготовлении чувствительных элементов в соответствии с технологией прототипа серебросодержащая паста, имеющая консистенцию сметаны и используемая при нанесении электродов, проникает в открытые поры вглубь керамического каркаса, а образующийся металлический электрод после спекания полностью повторяет морфологию поверхности керамического каркаса. При этом глубина проникновения серебросодержащей пасты связана с величиной общей пористости керамического каркаса: чем выше пористость, тем глубже проникает серебросодержащая паста вглубь пористого керамического каркаса элемента. При вжигании серебросодержащей пасты это приводит к уменьшению эффективного (реального) расстояния между электродами пьезокомпозита, и как следствие, недостаточно высокой объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu. Кроме этого для образования качественного электрода, пригодного для последующей поляризации и пайки, необходимо нанесение 2-3-х слоев серебросодержащей пасты на пористые каркасы с пористостью 30-40% и 3-4х слоев с пористостью более 40%, что приводит к значительному расходу драгметалла.и, следовательно, удорожанию пьезоэлемента.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента за счет увеличения эффективного (реального) расстояния между электродами, и удешевление пьезоэлемента за счет уменьшение расхода серебросодержащей пасты при нанесении электродов.
Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента заключается в нанесении электродов на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса, имеющего общую пористость 40-60% путем вжигания серебросодержащей пасты, поляризации, припаивании к электродам проводов и покрытии пьезоэлемента слоем эластичного полимера.
Согласно изобретения перед нанесением серебросодержащей пасты на торцовые поверхности пористого пьезокерамического каркаса наносят слой органического полимера и сушат его до получения тонкопленочного покрытия.
В предпочтительном варианте выполнения:
- в качестве органического полимера использован бутираль-фенольный состав марки БФ-2;
- в качестве органического полимера использован нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88.
Создание тонкопленочного слоя из органического полимера перед нанесением серебросодержащей пасты "залечивает" поверхностные открытые поры и выравнивает поверхность, что препятствует проникновению серебросодержащей пасты при ее нанесении вглубь пористого керамического каркаса. При вжигании серебросодержащей пасты уже при температуре 400°С слой из указанных органических полимеров полностью выгорает. Чтобы получить электроды, пригодные для последующей поляризации и пайки, наносят 1-2 слоя серебросодержащей пасты на пористые каркасы с пористостью 30-40% и 3-4 слоя с пористостью более 40%, что приводит к экономии драгметалла.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей и таблицами.
Фиг. 1 Фотография поверхности пористого керамического каркаса, материал ЦТС-36, пористость 40%, увеличение х 100.
Фиг. 2. Поперечное сечение композитного чувствительного пьезоэлемента -прототипа, где 1 - пористый керамический каркас, 2 - серебряный электрод на поверхности керамического каркаса, частично проникающий внутрь него, 3 - эффективное (реальное) расстояние между электродами.
Фиг. 3 Поперечное сечение композитного чувствительного пьезоэлемента, изготовленного заявляемым способом, где 1 - пористый керамический каркас, 2 - серебряный электрод на поверхности керамического каркаса, 3 - эффективное (реальное) расстояние между электродами.
Таблица 1. Сравнение значений объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ЦТС-36 диаметром 12 мм, высотой 5 мм и 9 мм, изготовленного способом - прототипом и с использованием органического полимерного слоя.
Таблица 2. Сравнение значений объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ПКП-13 диаметром 12 мм, высотой 5 мм и 9 мм, изготовленного способом - прототипом и с использованием органического полимерного слоя.
Пьезокерамический композитный материал изготавливают по известной технологии [2]. Пьезокерамический состав смешивают с порообразователем в требуемом соотношении, формуют заготовку и подвергают термической обработке в процессе которой порообразователь удаляется в виде газообразных соединений и происходит спекание керамического каркаса заданной пористости 40-60% (фиг. 1), затем на поверхности керамического каркаса, подлежащие металлизации, наносят равномерно слой органического полимера- бутираль-фенольный состав марки БФ-2 или нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88, сушат при температуре 60°С. Далее наносят последовательно два слоя серебросодержащей пасты и помещают заготовку в печь и нагревают до температуры 800-850°С в результате чего происходит вжигание серебросодержащей пасты и выгорание органического полимерного слоя. В качестве органического полимера может любой органический полимер, который полностью выгорает при температуре вжигания серебросодержащей пасты. Полученную заготовку поляризуют при напряженности поля 0,9-1,5 кВ/мм, припаивают электроды и герметизируют слоем эластичного полимера, такого как полиуретан, силиконовый каучук и синтетический каучук. Измерения объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu композитного чувствительного пьезоэлемента из материала ЦТС-36 диаметром 12 мм выполнены на установке контроля параметров пьезоэлементов «Паскаль-4» (изготовитель НКТБ Пьезоприбор, Ростов-на-Дону).
Так как объемная чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu прямо пропорциональна расстоянию между электродами:
Mu=gv⋅h,
gv - удельная объемная чувствительность;
h - расстояние (реальное) между электродами.
За расстояние между электродами на практике принимается геометрический размер между поверхностями элемента, которые подвергаются металлизации. В способе-прототипе, эффективное (реальное) расстояние между электродами уменьшается вследствие проникновения серебросодержащей пасты в открытые поры керамического каркаса (Фиг. 2), что и приводит уменьшению объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu.
В заявляемом способе эффективное (реальное) расстояние между электродами соответствует геометрическому расстоянию между металлизированными поверхностями элемента, что и сопровождается более высокими значениями объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu по сравнению с прототипом.
Повышение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu по сравнению с прототипом поясняется следующими примерами.
Пример 1.
Из пьезокерамического материала ЦТС-36 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 и 9 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Бутираль-фенольный состав марки БФ-2 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки и герметизации, измерялась объемная чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Пример 2.
Из пьезокерамического материала ЦТС-36 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 и 9 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Далее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки и герметизации, измерялась объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Пример 3.
Из пьезокерамического материала ПКП-13 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Бутираль-фенольный состав марки БФ-2 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С.После поляризации, пайки и герметизации измерялась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Пример 4.
Из пьезокерамического материала ПКП-13 были изготовлены чувствительные элементы диаметром 12 мм и толщиной 5 мм и пористостью 40, 50, 60 об. %. Нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88 наносился на поверхность, подлежащую металлизации, просушивался в течение 1 часа при температуре 60°С. Долее на поверхность наносилась серебросодержащая паста, которая вжигалась при температуре 800°С. После поляризации, пайки проводов и герметизации пьезоэлемента измерялась чувствительность к звуковому давлению по напряжению Mu. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Для сравнения на части образцов металлизация осуществлялась без нанесения органического полимерного слоя. Эти образцы являлись контрольными. Полученные на них значения объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению также представлены в таблицах 1 и 2.
Как следует из таблиц 1 и 2 композитные чувствительные пьезоэлементы, изготовленные заявляемым способом, превосходят по объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu контрольные образцы на 8% при пористости керамического каркаса 40% и на 15-20% при пористости керамического каркаса 60%, что позволяет повысить отношение сигнал/шум в акустических и гидроакустических пьезопреобразователях, работающих в режиме приема. Повышение объемной чувствительности к звуковому давлению по напряжению Mu достигается для пьезоматериала ЦТС-36 и ПКП-13 и нет препятствий для достижения данного эффекта при использования других пьезоматериалов.
Источники информации:
1. А.А. Нестеров, А.А. Панич, С.Н. Свирская, А.Ю.Малыхин, А.В. Скрылев, Е.А. Панич - Способы формирования микроструктуры пористых пьезокерамических каркасов, Инженерный вестник Дона №3 (2012).
2. Е.В. Карюков, А.А. Панич, В.К. Доля, А.Ю. Малыхин, В.В. Немыкин, В.В. Бостанджиян - Пористые пьезокомпозиционные материалы на основе пьезокерамики ПКП-12, Инженерный вестник Дона 47 (4 (47)).
3. Тополов В.Ю. Пьезокомпозиты: получение, свойства, применение (учебное пособие) [Текст] / В.Ю. Тополов, А.Е. Панич. - Ростов н/Д, 2009. - 51 с.: ил.
4. RU 2298300, МПК H04R 17/00, H01L 41/08, G01L 21/10, опубл. 21.04.2007 С. 6-7 - прототип.
Figure 00000001
Figure 00000002

Claims (3)

1. Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента, заключающийся в том, что на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса, имеющего открытые поры и общую пористость 40-60%, наносят электроды путем вжигания серебросодержащей пасты, поляризуют полученную заготовку, припаивают к электродам провода и покрывают пьезоэлемент слоем эластичного полимера, отличающийся тем, что перед нанесением серебросодержащей пасты на торцевые поверхности пьезокерамического каркаса наносят равномерный слой органического полимера и сушат его до образования тонкопленочного покрытия.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического полимера использован бутираль-фенольный состав марки БФ-2.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического полимера использован нитроцеллюлозный состав марки НЦ-88.
RU2018142506A 2018-11-30 2018-11-30 Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента RU2710103C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142506A RU2710103C1 (ru) 2018-11-30 2018-11-30 Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018142506A RU2710103C1 (ru) 2018-11-30 2018-11-30 Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710103C1 true RU2710103C1 (ru) 2019-12-24

Family

ID=69022830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018142506A RU2710103C1 (ru) 2018-11-30 2018-11-30 Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710103C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4514247A (en) * 1983-08-15 1985-04-30 North American Philips Corporation Method for fabricating composite transducers
SU1738376A1 (ru) * 1989-09-13 1992-06-07 Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" Ультразвуковой пьезопреобразователь Марьина
RU1793367C (ru) * 1990-08-27 1993-02-07 Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" Пьезоэлектрический преобразователь
US6225728B1 (en) * 1994-08-18 2001-05-01 Agilent Technologies, Inc. Composite piezoelectric transducer arrays with improved acoustical and electrical impedance
RU2298300C2 (ru) * 2001-07-27 2007-04-27 Хольмберг Гмбх Унд Ко. Кг Пьезоэлектрический элемент и преобразователь колебаний с пьезоэлектрическим элементом

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4514247A (en) * 1983-08-15 1985-04-30 North American Philips Corporation Method for fabricating composite transducers
SU1738376A1 (ru) * 1989-09-13 1992-06-07 Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" Ультразвуковой пьезопреобразователь Марьина
RU1793367C (ru) * 1990-08-27 1993-02-07 Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтехимавтоматика" Пьезоэлектрический преобразователь
US6225728B1 (en) * 1994-08-18 2001-05-01 Agilent Technologies, Inc. Composite piezoelectric transducer arrays with improved acoustical and electrical impedance
RU2298300C2 (ru) * 2001-07-27 2007-04-27 Хольмберг Гмбх Унд Ко. Кг Пьезоэлектрический элемент и преобразователь колебаний с пьезоэлектрическим элементом

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2012517184A (ja) Memsマイクロホンパッケージ及びパッケージング方法
US5230921A (en) Flexible piezo-electric membrane
Mercadelli et al. Porous piezoelectric ceramics
RU2710103C1 (ru) Способ изготовления композитного чувствительного пьезоэлемента
US10801906B2 (en) Hydrogel microphone
RU2713835C1 (ru) Способ получения композиционного пьезоматериала
CN106571423A (zh) 一种针状水声换能器中的新型压电复合薄膜的制备方法
JP2005013853A (ja) 水素分離体及びその製造方法
CN111044618B (zh) 一种声发射信号检测的压电传感器及压电薄膜的制备方法
JP7092277B2 (ja) 膜基板生産方法及び基板
WO2010061726A1 (ja) 有機圧電材料、超音波振動子および超音波探触子
US20100283355A1 (en) Method for changing ultrasound wave frequency by using the acoustic matching layer
KR100671419B1 (ko) 고주파 초음파 센서용 음향 정합층 및 그를 이용한 초음파센서의 제조 방법
JPS5923612A (ja) 圧電共振子の製造方法
CN111348612B (zh) 一种换能器及其制备方法和应用
RU197428U1 (ru) Пьезоэлектрический гидроакустический преобразователь
JPS61254848A (ja) 電極形成方法
Moffett et al. Ultrasonic microprobe hydrophones
JP2006078179A (ja) マイクロ質量センサとその発振子の保持機構
KR960012730B1 (ko) 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체 제조 방법
Ross et al. Experimental determination of acoustic properties using a two‐microphone random‐excitation technique
RU2561240C2 (ru) Способ изготовления корпуса микросхемы
Brown et al. A single-crystal acoustic hydrophone for increased sensitivity
JP2700787B2 (ja) 電気音響変換器用振動板
Kuchiji et al. Dependence of sensitivity loss on organic film thickness and influence of cantilever warpage in a piezoelectric wideband acoustic sensor coated with an organic film