Способ поляризации пьезоэлемента

 

Использование: при изготовлении пьезоэлементов с неоднородным распределением поляризованности и с заданным спектром АЧХ. Сущность изобретения: пьезоэлемент, имеющий сплошные электроды на противоположных гранях, поляризуют постоянным электрическим полем E . После выключения поля E воздействуют на пьезоэлемент постоянным электрическим полем E , противоположным поляризующему. 7 ил.

Изобретение относится к пьезотехнике, а именно к способам изготовления пьезоэлементов с неоднородным распределением поляризованности в объеме и с заданным спектром АЧХ, которые могут быть использованы в качестве фильтров, излучателей с заданной направленностью, координатно-чувствительных приемников излучения и т.д.

Известно, что вид спектра колебаний пьезоэлемента (наличие или отсутствие определенных гармоник и отношение их амплитуд) зависит от пространственного распределения поляризованности в пьезоэлементе [1].

Известные способы создания пространственно неоднородного распределения поляризованности в пьезоэлементах основаны либо на приложении постоянного электрического поля различной величины к различным областям пьезоэлемента [2-4] , либо на приложении постоянного электрического поля одной величины к пьезоэлементу при наличии в нем градиента температуры, что вследствие температурной зависимости параметров пьезоэлемента приводит к формированию в пьезоэлементе пространственно неоднородного распределения поляризованности [5].

В способе [2] пространственно неоднородное распределение поляризованности создается в пьезоэлементе без электродов, причем варьируемым параметром является только величина поляризованности, но не ее направление.

В способе [3] возможна вариация как величины, так и направления поляризованности, при этом электрод наносится только на одну из граней образца.

Для последующего практического использования пьезоэлементов с пространственно неоднородным распределением поляризованности, созданного по способам [2, 3], необходимо нанести электроды на противоположные грани пьезоэлемента, что в подавляющем большинстве случаев требует нагрева пьезоэлемента, а нагрев приводит к изменению созданного распределения поляризованности или к полной деполяризации пьезоэлемента. При Т_норм, что исключает деполяризацию пьезоэлемента, возможно нанесение на его грани только серебряных электродов (методом реакции серебряного зеркала), это исключает возможность вариации материала электрода и является дополнительной операцией.

В способе [4] пространственно неоднородное распределение поляризованности в пьезоэлементе создается путем нанесения на грани пьезоэлемента разрывных электродов с зазором между ними и приложения постоянных поляризующих электрических полей к каждому из разрывных электродов для получения неоднородного по диаметру диска распределения звукового давления при электрическом возбуждении диска. В результате после поляризации в пьезоэлементе предполагается формирование кусочно-разрывного распределения поляризованности, а не плавное распределение без скачков. В данном способе практически невозможно исключить и учесть взаимное влияние соседних, поляризующихся в разных режимах, подэлектродных областей пьезоэлемента (взаимное влияние возникает вследствие высоких значений диэлектрической проницаемости пьезокерамики, а также имеющихся в объеме пьезоэлемента распределения различных неоднородностей, в том числе коэрцитивных полей), что не позволяет получить необходимое распределение поляризованности.

В способе [5] создание заданного пространственного распределения поляризованности со значительным отклонением от линейного не представляется возможным, что обусловлено значительными трудностями создания TT в определенном отношении в пьезоэлементе, отличного от линейного.

Общими недостатками способов создания пространственного неоднородного распределения поляризованности в пьезоэлементе [2-5] для формирования заданного спектра электронно-механических колебаний пьезоэлемента определенной формы и размеров являются: необходимость точного предварительного расчета пространственно неоднородного распределения поляризованности в пьезоэлементе для получения заданного спектра его электромеханических колебаний, что является достаточно сложной задачей, имеющей множество возможных решений; значительные сложности практической реализации в пьезоэлементе заданного пространственно неоднородного распределения поляризованности, что обусловлено как сложностью формирования неоднородных внешних воздействий (например, электрического поля и температуры по объему пьезоэлемента), так и возможными неоднородностями материала самого пьезоэлемента (например, распределение по объему пьезоматериала коэрцитивного поля в результате закрепления доменных границ дефектами проводимости и т.д.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ поляризации пьезоэлементов со сплошными электродами на противоположных гранях, осуществляемый путем приложения к неполяризованному пьезоэлементу постоянного поляризующего электрического поля с одновременным воздействием переменного электрического поля частоты основного электромеханического резонанса пьезоэлемента, что приводит к повышению пьезоэлектрических характеристик (пьезомодуля d₃₃) пьезоэлемента [6]. Однако при использовании прототипа известного способа пространственно неоднородное распределение поляризованности не формируется, так как пьезоэлемент поляризуется однородно, поэтому нельзя управлять спектром АЧХ пьезоэлемента, что требуется при создании пьезоэлементов различного назначения.

Технический результат от реализации изобретения состоит в получении неоднородного распределения поляризованности и подавлении резонансных свойств пьезоэлемента на частоте, равной, либо кратной частоте основного электромеханического резонанса.

Этот результат достигается тем, что в способе поляризации пьезоэлемента, заключающемся в одновременном приложении к неполяризованному пьезоэлементу со сплошными электродами на противоположных гранях постоянного поляризующего поля и переменного электрического поля с частотой основного электромеханического резонанса, пьезоэлемент предварительно поляризуют постоянным электрическим полем, затем одновременно воздействуют на пьезоэлемент постоянным электрическим полем, противоположным поляризующему, и переменным электрическим полем с частотой основного электромеханического резонанса или кратной ей, до подавления резонансных свойств пьезоэлемента на частоте воздействующего электрического поля.

Создание неоднородной поляризованности в пьезоэлементе со сплошными электродами, приводящей к подавлению резонансных свойств пьезоэлемента в окрестности частоты, равной либо кратной частоте основного электромеханического резонанса, - новый эффект, достигнутый неизвестными ранее средствами: одновременным приложением встречного постоянного и переменного (с частотой, равной либо кратной частоте основного электромеханического резонанса пьезоэлемента) электрических полей к предварительно поляризованному постоянным полем к пьезоэлементу до появления резонансных свойств на выбранной частоте, что позволяет сделать вывод о новизне и существенности отличий заявляемого способа формирования неоднородной поляризованности в пьезоэлементе.

Физика данного явления состоит в формировании в однородно поляризованном пьезоэлементе по одному из его размеров стоячей волны механических напряжений сжатия-растяжения при действии переменного электрического поля. Это вызывает колебания не 180-градусных доменных стенок, активируя доменную структуру, причем степень активации является координатно-зависимой по данному распределению в соответствии с распределением механических напряжений в стоячей волне. Постоянное электрическое поле осуществляет ориентирование "возбужденных" таким образом доменов, что позволяет получить координатно-зависимое распределение поляризованности. Прекращение воздействия полей в момент подавления резонансных свойств пьезоэлемента в окрестности выбранной частоты позволяет получить неоднородное распределение поляризованности, приводящее к подавлению резонансных свойств, причем такое распределение получается без предварительных расчетов, без сложной практической последовательности его реализации, без учета возможных неоднородностей материала пьезоэлемента. Экспериментальное исследование поляризации по заявляемому способу проведено на пьезоэлементах в форме пластин размерами 76 х 12х 0,5 мм³ и дисков диаметром 30 мм толщины и 0,5 мм, изготовленных из сегнетоэлектрических керамик ЦТНС-3, ПКР-1, ПКР-8, ПКР-7М со сплошными электродами из вожженного серебра на больших поверхностях.

На фиг. 1 приведена блок-схема для осуществления заявляемого способа. Переменное напряжение от генератора 1 качающейся частоты (типа X1-36) усиливается до необходимой амплитуды усилителем 2 мощности (БАР) и через разделительный конденсатор C1 и ключ К1 подается на поляризуемый пьезоэлемент Z. Частотомер 3 (Ч3-64) и осциллограф 4 (С1-69) регистрируют частоту и амплитуду напряжения. Постоянное поляризующее напряжение подается от высоковольтного источника 7 (ВС-22) через развязывающий резистор R₁ и ключ К₁. Для регистрации амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) сигнал с резистора R₂ подается на вход индикатора 5 (Х1-36) частотных характеристик, а от него - на самописец 6 (Н-306). Усилитель базовый 8 (УПИ-1) и двухкоординатный самописец 9 (Н-306) подключаются к пьезоэлементу ключом К₂ и служат для усиления и регистрации пироэлектрического сигнала пьезоэлемента при его импульсном облучении сфокусированным до 100 мкм лучом лазера 12 (ЛГ-126; λ=0,63 мкм), модулированным по интенсивности модулятором 11 (частота модуляции 30 Гц) и сканирующим поверхность пьезоэлемента с помощью системы 10 перемещения луча.

Для поляризации пьезоэлементов осуществляются следующие операции.

Ключ К₁ замкнут, ключ К₂ разомкнут. Пьезоэлемент Z через развязывающий резистор R₁ поляризуется постоянным электрическим полем с напряженностью 2 ˙ 10⁶В ˙ м^-1 при комнатной температуре в течение 10-20 мин. При помощи генератора 1 качающейся частоты и индикатора 5 частотных характеристик исследуется амплитудно-частотная характеристика тока через однородно поляризованный пьезоэлемент и записывается самописцем 6. По частотомеру 3 определяются частоты гармоник спектра АЧХ. Свипирование выключается, устанавливается частота переменного напряжения, равная или кратная частоте электромеханического резона пьезоэлемента.

Ключ К₁ размыкают, ключ К₂ замыкают. Пространственное распределение поляризованности по длине пластин и диаметру дисков контролируется методом локальной динамической пироактивности путем сканирования по пьезоэлементу при помощи системы перемещения теплового зонда диаметром 100 мкм, создаваемого модулированным по интенсивности лучом лазера, и измерения базовым усилителем 8 с записью на самописец 9 величины пирокоэффициента Р_д, пропорционального поляризованности; ключ К₂размыкают, ключ К₁ замыкают. На пьезоэлемент от высоковольтного источника 7 подается постоянное электрическое поле с направлением, противоположным поляризующему, одновременно от генератора 1 через усилитель 2 мощности на пьезоэлемент подается переменное напряжение с частотой, равной или кратной частоте электромеханического резонанса. Воздействие полей проводится до подавления резонансных свойств на частоте, что регистрируется на экране индикатора 5 частотных характеристик.

Ключ К₂ включают, ключ К₁ выключают. Контролируется пространственное распределение поляризованности по пьезоэлементу после проведения воздействия согласно способу поляризации пьезоэлемента и контроль проводится аналогично пункту 2.

На фиг. 2 приведено распределение динамической пироактивности Р_д, пропорциональной поляризованности пьезоэлемента в форме пластины, по длине пьезоэлемента; на фиг. 3 - амплитудно-частотные характеристики тока через пьезоэлемент. Кривые 1, 1' получены после первоначальной поляризации (в соответствии с операцией 2 настоящего описания), кривая 2, 2' - после окончания поляризации согласно заявляемому способу в соответствии с операцией 4. Частота переменного напряжения соответствовала частоте основного резонанса пьезоэлемента (21,69 кГц). На фиг. 4, 5 приведены аналогичные кривые, но частота переменного напряжения соответствовала частоте третьей гармоники колебаний (63,75 кГц). Форма и размеры пьезоэлемента аналогичны тактовым, как и для фиг. 2, 3, цифру у кривых имеют тот же смысл. На фиг. 6 приведено распределение динамической пироактивности, а на фиг. 7 - АЧХ пьезоэлемента в форме диска. Частота переменного напряжения равна частоте основного резонанса пьезоэлемента (74 кГц), обозначения у кривых те же.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, заключающийся в одновременном воздействии на пьезоэлемент со сплошными электродами на противоположных гранях постоянного электрического поля и переменного электрического поля с частотой, равной частоте основного электромеханического резонанса пьезоэлемента, отличающийся тем, что предварительно поляризуют пьезоэлемент постоянным электрическим полем, затем одновременно воздействуют на пьезоэлемент постоянным электрическим полем, противоположным поляризующему, и переменным электрическим полем с частотой, равной частоте основного электромеханического резонанса или кратной ей, до подавления резонансных свойств пьезоэлемента на частоте воздействующего электрического поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7