Пьезоэлектрический датчик

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва. Сущность: пьезоэлектрический датчик содержит чувствительный элемент из тонкопленочного пьезоэлектрического материала с электродами на противоположных поверхностях, вектор поляризации которого перпендикулярен электродам, и плоскопараллельные токовыводы, разделенные между собой диэлектрическим слоем и электрически соединенные с электродами. Чувствительный элемент размещен внутри симметричной полосковой линии, проводники которой служат токовыводами датчика. Электроды чувствительного элемента параллельны проводникам этой линии. По крайней мере один акустический волновод расположен вплотную к поверхности чувствительного элемента с электродом. Чувствительный элемент может быть изготовлен из ленгмюровской пьезопленки поливинилиденфторида или его сополимеров, размещенной на твердой подложке. В качестве акустического волновода может быть использована твердая подложка ленгмюровской пьезопленки. Технический результат: повышение разрешающей способности пьезоэлектрического датчика и помехозащищенности от электромагнитных наводок. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва.

Известен пьезоэлектрический датчик давления на основе пьезопленки из поливинилиденфторида (ПВДФ, PVDF) /П.А.Уртьев, Р.М.Эриксон, Б.Хейс, М.Л.Паркер. Измерение давления и массовой скорости в твердых телах при динамическом нагружении. ФГВ, 1986, №5, с.113-126 (перевод с англ.)/. Чувствительный элемент (ЧЭ) датчика изготовлен из полимерной пьезопленки PVDF толщиной приблизительно 25 мкм. Электроды ЧЭ нанесены методом вакуумного напыления и представляют собой две частично перекрещивающиеся полоски металла (золота, меди), расположенные с обеих сторон пьезопленки. Собственно чувствительная зона ЧЭ формируется в процессе электрической поляризации пьезопленки в области этого пересечения, при этом вектор поляризации направлен перпендикулярно электродам. Ширина полосок составляет 2 мм, толщина - меньше 1 мкм. Электрические токовыводы (полоски) ЧЭ вне области пересечения расположены параллельно друг другу на расстоянии нескольких миллиметров, имеют длину приблизительно 50 мм и соединены электрически с внешними токовыводами. ЧЭ изолирован с обеих сторон полиимидной или тефлоновой пленкой толщиной 12 мкм и более.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является пьезоэлектрический датчик /F.Bauer. Procedure to Polarize at least One Zone of a Foil of Ferroelectric Material to Produce a Polarized Element for Piezoelectric or Pyroelectric Tranducers. Patent US 5491879, 1996-02-20, H 04 R 17/00/ на основе полимерной сегнетоэлектрической пьезопленки. При изготовлении ЧЭ такого датчика используется оригинальная технология поляризации отдельных зон сегнетоэлектрической пьезопленки, согласно которой чувствительная зона формируется на пьезопленке с помощью накладных электродов, которые после поляризации удаляются. Затем на пьезопленку напыляются электроды и измерительные токовыводы заданной конфигурации. В результате оптимальной с точки зрения уменьшения паразитных реактивностей и соответственно повышения разрешающей способности является конфигурация токовыводов в виде двух плоскопараллельных полосок, нанесенных с противоположных сторон пьезопленки, с нулевым зазором между их проекциями на плоскость. При этом в области чувствительной зоны электроды перекрывают друг друга (их проекции совпадают), а вектор поляризации ЧЭ направлен перпендикулярно электродам. Геометрические размеры и внешняя изоляция ЧЭ такие же, как и у рассмотренного выше датчика.

Недостатками известных датчиков являются недостаточно высокая разрешающая способность и низкая помехозащищенность от электромагнитных наводок, а также зависимость их волнового сопротивления от присутствия вблизи них проводящих тел. Это снижает достоверность измерений и приводит к усложнению постановки опытов вследствие необходимости принятия мер для защиты от электромагнитных наводок.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании высокочастотного помехозащищенного пьезодатчика с разрешающей способностью на уровне 1 нс.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении разрешающей способности датчика приблизительно на порядок величины, а также увеличении отношения сигнал/шум.

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике, содержащем чувствительный элемент из тонкопленочного пьезоэлектрического материала с электродами на противоположных поверхностях, вектор поляризации которого перпендикулярен электродам, и плоскопараллельные токовыводы, разделенные между собой диэлектрическим слоем и электрически соединенные с электродами, новым является то, что чувствительный элемент размещен внутри симметричной полосковой линии, проводники которой служат токовыводами датчика, при этом электроды чувствительного элемента параллельны проводникам этой линии, дополнительно введен по крайней мере один акустический волновод, расположенный вплотную к поверхности чувствительного элемента с электродом.

Для повышения разрешающей способности и термостабильности чувствительный элемент изготовлен из ленгмюровской пьезопленки, размещенной на твердой подложке.

Для упрощения конструкции датчика в качестве акустического волновода используется твердая подложка ленгмюровской пьезопленки.

Для улучшения метрологических характеристик ленгмюровская пьезопленка изготовлена из поливинилиденфторида или его сополимеров.

Для уменьшения искажений, вносимых датчиком в измерения, толщина l чувствительного элемента выбрана из соотношения

k×l<t×ν,

где k -эмпирический коэффициент, k>3;

t - временное разрешение датчика;

ν - скорость волны в пьезоэлектрическом материале.

Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в объединении в одном устройстве тонкопленочного пьезодатчика и симметричной полосковой линии (СПЛ) для обеспечения необходимого акустического и электрического согласования измерений в СВЧ-диапазоне и повышения разрешающей способности датчика. СПЛ представляет собой трехпроводную полосковую линию, состоящую из внутреннего проводника, расположенного симметрично между двумя экранирующими пластинами, которые являются внешним проводником линии. Пространство между проводниками заполнено однородным диэлектриком /Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л.Фельдштейна. - М.: Связь, 1979. 336 с./.

Размещение чувствительного элемента внутри СПЛ, проводники которой служат токовыводами датчика, приводит к значительному уменьшению паразитной индуктивности предлагаемого датчика и, следовательно, улучшению его частотных характеристик по сравнению с прототипом. Введение дополнительно по крайней мере одного акустического волновода, расположенного вплотную к поверхности ЧЭ с электродом, необходимо для акустического согласования с целью уменьшения влияния отраженных акустических волн на ЧЭ. Кроме того, использование волноводов позволяет, с одной стороны, варьировать толщину ЧЭ (пьезопленки), а с другой стороны, варьировать расстоянием между проводниками СПЛ, то есть изменять параметры, в том числе волновое сопротивление, последней. Это приводит к возможности электрического согласования СПЛ с ЧЭ как с источником питания, а также СПЛ с нагрузкой (измерительным шунтом). Отметим также, что расположение электродов чувствительного элемента параллельно проводникам СПЛ определяет необходимое направление вектора поляризации ЧЭ.

Разрешающая способность пьезодатчика зависит от времени установления давления в ЧЭ, времени релаксации пьезоматериала и переходной характеристики измерительного тракта, а именно от его постоянной времени (времени установления переходной характеристики). Как известно, время, необходимое для установления давления в ЧЭ практически равным давлению в падающей волне при реверберации волн из-за отсутствия акустического согласования ЧЭ и среды, определяется временем трехкратного (по крайней мере) пробега (отраженных) волн по ЧЭ /В.В.Селиванов, В.В.Соловьев, Н.Н.Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - М.: Изд. МГУ, 1990, 256 с./, поэтому в указанном выше соотношении эмпирический коэффициент k>3. Важным преимуществом предлагаемого датчика является возможность регистрации без искажения профиля давления в материалах с произвольной акустической жесткостью (образцы которых могут использоваться в качестве волновода) при условии выбора пьезопленки достаточно малой толщины, для которой время установления давления (завершения процесса реверберации волн) в ЧЭ становится меньше временного разрешения датчика, то есть при выполнении указанного выше соотношения. Отметим, что в рассматриваемом случае разрешающая способность датчика ограничена прежде всего постоянной времени измерительного тракта, поскольку время релаксации используемых пьезоматериалов пренебрежимо мало (порядка единиц пикосекунд).

Использование чувствительного элемента, изготовленного из ленгмюровской пьезопленки /Л.М.Блинов, В.М.Фридкин, С.П.Палто, А.В.Буне,. П.А.Даубен, С.Дюшарм. Двумерные сегнетоэлектрики. УФН, 2000, т.170, №3, с.247-262./, размещенной на твердой подложке, обладающей повышенной термостабильностью и минимальными толщинами, приводит к повышению разрешающей способности и термостабильности пьезодатчика.

Использование, кроме того, в качестве акустического волновода твердой подложки ленгмюровской пьезопленки приводит к упрощению конструкции пьезодатчика.

Использование также ленгмюровской пьезопленки, изготовленной из поливинилиденфторида или его сополимеров, обладающих наилучшими свойствами для изготовления ЧЭ датчиков динамического давления, приводит к улучшению метрологических характеристик пьезодатчика.

Другим не менее важным преимуществом предлагаемого датчика является отсутствие необходимости использовать внешнюю изоляцию, что позволяет размещать его непосредственно в проводящей среде, например в металлах или взрывчатом веществе (продуктах детонации), и упрощает проведение измерений.

Помехозащищенность датчика от электромагнитных наводок обеспечивается при этом за счет размещения ЧЭ в практически полностью экранированную симметричную полосковую линию. Последняя является практически закрытой передающей линией, волновое сопротивление которой не зависит от присутствия вблизи нее проводящих тел, что важно для электрического согласования ЧЭ датчика с измерительным трактом и, следовательно, уменьшения искажения регистрируемого сигнала.

На фиг.1 и фиг.2 представлен вариант конструкции заявляемого пьезоэлектрического датчика с двумя акустическими волноводами, на фиг.3 - с одним акустическим волноводом.

Пьезоэлектрический датчик содержит чувствительный элемент 1 из тонкопленочного пьезоэлектрического материала 2 с электродами 3 на противоположных поверхностях; симметричную полосковую линию 4, плоскопараллельные проводники 5 которой служат токовыводами датчика; равнотолщинные диэлектрические слои 6, разделяющие проводники 5; акустические волноводы 7, расположенные вплотную к поверхности ЧЭ с электродами.

Пьезоэлектрический датчик функционирует следующим образом. В исследуемой конденсированной среде размещают пьезоэлектрический датчик так, чтобы вектор поляризации (показан маленькой стрелкой) ЧЭ был параллелен, а электроды ЧЭ соответственно перпендикулярны направлению распространения в этой среде механического импульса (плоской упругой или ударной волны), указанному на фиг.1-3 большими стрелками. С момента времени прихода плоской волны к ЧЭ датчик генерирует электрический сигнал за счет прямого пьезоэффекта. При этом заряд, генерируемый на электродах ЧЭ, прямо пропорционален давлению (механическому напряжению в указанном направлении) именно в пьезопленке. Характер изменения давления в последней зависит от степени акустического согласования датчика со средой. В случае идеального согласования, т.е. при равенстве акустических импедансов среды, пьезоматериала и волноводов, а также при условии, что влиянием электродов и проводников можно пренебречь ввиду малости их толщин, форма и амплитуда импульса давления в падающей волне в среде и в проходящей волне в ЧЭ практически одинаковы. В случае равенства только акустических импедансов ЧЭ и волноводов форма импульса давления одинакова только до момента прихода к ЧЭ отраженных с торцов волноводов волн. Амплитудные значения при этом связаны законами сохранения и рассчитываются методом P,U- диаграмм. Наконец, в случае равенства акустических импедансов среды и волноводов форма и амплитуда импульса давления в падающей волне в среде и в проходящей волне в ЧЭ становятся одинаковыми только после завершения процесса реверберации волн в ЧЭ. Тем не менее при выполнении указанного выше соотношения (относительно выбора толщины пьезопленки) этот процесс не вносит искажений в электрический полезный сигнал пьезодатчика, поскольку оказывается вне "зоны видимости" (полосы пропускания) последнего.

Таким образом, выполнение пьезодатчика в соответствии с предлагаемым изобретением приводит к повышению его разрешающей способности и помехозащищенности.

Ожидаемая погрешность измерения давления с помощью заявляемого датчика составляет 5-10%.

1. Пьезоэлектрический датчик, содержащий чувствительный элемент из тонкопленочного пьезоэлектрического материала с электродами на противоположных поверхностях, вектор поляризации которого перпендикулярен электродам, и плоскопараллельные токовыводы, разделенные между собой диэлектрическим слоем и электрически соединенные с электродами, отличающийся тем, что чувствительный элемент размещен внутри симметричной полосковой линии, проводники которой служат токовыводами датчика, при этом электроды чувствительного элемента параллельны проводникам этой линии, дополнительно введен по крайней мере один акустический волновод, расположенный вплотную к поверхности чувствительного элемента с электродом.

2. Пьезоэлектрический датчик по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент изготовлен из ленгмюровской пьезопленки, размещенной на твердой подложке.

3. Пьезоэлектрический датчик по п.2, отличающийся тем, что в качестве акустического волновода используется твердая подложка ленгмюровской пьезопленки.

4. Пьезоэлектрический датчик по п.2, отличающийся тем, что ленгмюровская пьезопленка изготовлена из поливинилиденфторида или его сополимеров.

5. Пьезоэлектрический датчик по п.1, отличающийся тем, что толщина l чувствительного элемента выбрана из соотношения

k·l<t·ν,

где k - эмпирический коэффициент, k>3;

t - временное разрешение датчика;

ν - скорость волны в пьезоэлектрическом материале.