СОСТАВ ДЛЯ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1994 года по МПК C08L61/10 C08K5/13 H01L41/18 

Изобретение относится к электронике, в частности к материалам для использования в устройствах, преобразующих давление в электрический сигнал: датчики давления, тензометрические элементы, элементы коммутации электрических сигналов и т. п.

Известны металлы, обладающие способностью изменять сопротивление при приложении давления, в них при увеличении давления до 10000 МПа электрическое сопротивление уменьшается в 2 раза (1).

Недостатком таких металлов является низкая пъезочувствительность, т. е. малое изменение удельного сопротивления при большом изменении давления. Кроме того, известны полимерные материалы на основе антрацена, трифенилхлорметана, пирена, 1-гидроксиантрахинона и кислотного компонента - пиромелитового диангидрида или 1,8-нафталинангидрида, сопротивление которых при нагрузке не более чем 10000 МПа уменьшается не менее чем в 100 раз (2). Применение этих материалов целесообразно только в области высоких давлений, в области низких давлений их использование требует значительных затрат и сложно в техническом исполнении.

Известен также материал, содержащий полимер и мелкодисперсную добавку, в качестве полимера использовались полиэтилен или виливиниленфторид, в качестве добавки - халькогениды редкоземельных элементов (3). Наибольшая чувствительность α = 5/α = lg ρ_o/lg ρ₁, где ρ_o- удельное сопротивление при атмосферном давлении, ρ₁- удельное сопротивление при давлении Р наблюдалось при содержании добавки 40% при давлении 4 МПа. Практическое применение таких материалов осложнено низкой чувствительностью, что сопряжено с необходимостью значительного усиления электрического сигнала и относительно высокими рабочими давлениями. Кроме того, данные материалы могут быть получены только методом прессования, что ухудшает воспроизводимость параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав для пьезорезистивного материала, содержащий полидифениленфталид, полифлуорениленфталид или изопреновый каучук, модифицирующую добавку - порошок пьезоэлектрика (германат или селенит висмута или кварца) (4). Применение таких порошков в количестве 11-20 мас. % пьезоэлектрика позволило снизить рабочее давление до 1,0 МПа и повысить чувствительность до 10. Данный материал может изготовляться из растворов с образованием прочных пленок. В то же время повышения чувствительности и снижения рабочего давления можно достичь только увеличением содержания порошка пьезоэлектрика, но повышение содержания порошка свыше 20 мас. % приводит к получению хрупких пленок или же, вообще к потере пленкообразующих свойств. Кроме того, при приготовлении материала для создания образцов с воспроизводимыми электрофизическими свойствами необходимо применять мелкодисперсную добавку с узким гранулометрическим составом и вполне определенными размерами гранул. Необходимо также использование специального технологического оборудования для гомогенизации исходного состава. Все это существенно усложняет процесс получения пленок.

Целью изобретения является повышение чувствительности пьезорезистивного материала при малых давлениях, улучшение воспроизводимости электрофизических свойств и упрощение технологии получения пленок материала.

Поставленная цель достигается тем, что состав для пьезорезистивного материала, включающий полидифениленфталид или полифлуоренилфталид и модифицирующую добавку, в качестве последней содержит молекулярный пьезоэлектрик, выбранный из группы, включающей фенолфталеин, флуоресцеин, тетрабромфлуоресцеин (эозин), при следующем соотношении компонентов состава, мас. % :
Полидифениленфталид или
полифлуоренилфталид 80-95
Модифицирующая добавка 5-20
Ввиду того, что молекулярный пьезоэлектрик растворяется в тех же растворителях, что и полимерная матрица, а также имеет аналогичную ей молекулярную структуру, удается получить гомогенные, термодинамически совместимые системы. Возможность достижения положительного эффекта обусловлена тем, что неионные кристаллы проявляют достаточно сильный пьезоэффект при низких давлениях. В этой связи введение в полидифениленфталиды, полифлуорениленфталиды таких добавок в количестве до 20 мас. % позволяет снизить область рабочих давлений до 0,05 МПа и повысить чувствительность до 14. Выбор пределов концентраций компонентов обусловлен тем, что при содержании добавки менее 5% положительный эффект не наблюдается, а при содержании выше 20% удельное изменение чувствительности незначительно.

П р и м е р. Материал получают следующим образом.

Полимер в виде порошка в количестве 0,1 г и порошкообразную пьезоэлектрическую добавку, например эозин, в количестве 0,02 г смешивают и растворяют в 10 мл хлороформа или циклогексана. Раствор выливают на стеклянную подложку и удаляют растворитель испарением. После чего получают прозрачную однородную пленку пьезорезистивного материала, которая в дальнейшем используется в различных электротехнических изделиях.

Состав и свойства пьезорезистивного материала приведены в табл. 1-7.

Испытания проводят по следующей методике.

Исследуемые образцы представляют собой сэндвич структуру металл - пьезорезистивный материал - металл с размерами в плане 10 мм х 10 мм. Толщина пленки пьезорезистивного материала равна 5-0,2 мкм.

Нагружение структур производится на установке М-1000Е в диапазоне 0,1-100 кг, что обеспечивало удельное давление 0,01-10 МПа при площади образца 1 см².

Для измерения сопротивления сэндвич структур используют вольтметр электрометрический В7Э-42 и усилитель постоянного тока У5-9. Сопротивление рассчитывают по формуле
R_cc = (U - R_L x I)/I , (1) где R_cс - сопротивление сэндвич структуры;
R_L - нагрузочное сопротивление.

Чувствительность пьезорезистивного материала определяется как
α= lgR^*/lgR_o (2) где R_o - удельное сопротивление при атмосферном давлении;
R * - удельное сопротивление при давлении Р.

В процессе испытания получают данные по воспроизводимости параметров. Воспроизводимость определяется для серии образцов, изготовленных в одних и тех же технологических условиях как средне-квадратичное отклонение (3) от среднего значения чувствительности (4).

σ_n-1= (3)
= (4)
Как видно из приведенных данных изобретение позволяет повысить пьезочувствительность до 14 при малых делениях 0,05 МПа, улучшить воспроизводимость параметров пьезорезистивного материала
.

Кроме того, использование заявляемого технического решения позволит повысить технологичность пьезорезистивного материала.

Использование: в электронике в качестве пьезорезистивного материала, используемого в устройствах, преобразующих давление в электрический сигнал - датчики давления, тензометрические элементы и т. п. Сущность: состав для пьезорезистивного материала включает 80 - 95% полидифениленфталида или полифлуоренфталида и 5 - 20 мас. % молекулярного пьезоэлектрика (модифицирующая добавка), выбранного из группы, включающей фенофталеин, флуоресцеин, тетрабромфлуоресцеин. Полимер в виде порошка и порошкообразную модифицирующую добавку растворяют в хлороформе или циклогексаноне, выливают на стеклянную подложку и удаляют растворитель испарением; получают прозрачную, однородную пленку пьезорезистивного материала. 7 табл.

СОСТАВ ДЛЯ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНОГО МАТЕРИАЛА, включающий полидифениленфталид или полифлуоренилфталид и модифицирующую добавку, отличающийся тем, что в качестве модифицирующей добавки он содержит молекулярный пьезоэлектрик, выбранный из группы, включающей фенолфталеин, флуоресцеин, тетрабромфлуоресцеин, при следующем соотношении компонентов состава, мас. % :
Полидифениленфталид или полифлуоренилфталид 80 - 95
Модифицирующая добавка 5 - 20