СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ Российский патент 1997 года по МПК H01L41/24 

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано при массовом изготовлении пьезоэлектрических элементов.

В процессе изготовления частотно-селективных устройств (фильтров) одной из важнейших операций является управление уровнем наполяризованности пьезокерамики (ПК). Известен способ управления поляризованностью ПК с целью доводки их частотных характеристик высокотемпературным старением (1). В этом способе пьезоэлемент нагревают до температур, не доходящих на 30 100^oC до точки Кюри, в течение времени, длительность которого определяется заданным резонансным промежутком.

Известен способ доводки частотных характеристик путем изменения уровня поляризации воздействием на пьезокерамический элемент деполяризующих импульсов электрического напряжения (2).

Общим недостатком указанных способов является то, что первоначально пьезокерамический элемент поляризуют одним из известных способов, а затем доводят уровень поляризации до нужной величины. Это обусловливает высокую трудоемкость, а следовательно, и низкую производительность известных способов.

Известен также способ поляризации сегнетокерамических элементов и устройство для его осуществления (3), в которой образец подвергается воздействию серии однополярных импульсов постоянной энергии, а степень наполяризованности контролируют по амплитуде напряжения на электродах пьезоэлемента.

Недостатком этого метода является необходимость приложения к образцу серии импульсов, что приводит к увеличению времени поляризации. Кроме того, приложение серии поляризующих импульсов приводит к изменению наполяризованности образца скачкообразно, что отразится на точности поляризации.

В качестве прототипа выбрано решение (4), где описана установка по переключению поляризации воздействием однополярного импульсного напряжения. Однако описанная установка не позволяет решить задачу достижения заданного уровня поляризации вообще и с высокой точностью тем более.

Целью изобретения является повышение эффективности и точности достижения заданного уровня поляризации.

Цель достигается тем, что в непрерывном процессе поляризации осуществляют управление формированием заднего фронта поляризующего импульса при достижении интеграла поляризационного тока заданного значения.

На фиг. 1 приведена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы работы установки; на фиг. 3 экспериментальная зависимость коэффициента электромеханической связи образцов ЦТЦ-19 (6 х 6 х 1) мм от опорного напряжения.

Основными элементами установки являются высоковольтный источник напряжения 1, первый электронный ключ 2, подключающий источник напряжения 1 к поляризуемому пьезоэлементу через индуктивность, второй электронный ключ 3, снимающий напряжение с образца к моменту перехода сигнала от компаратора 4, интегратор тока 5, подключенный к токоизмерительному резистору R.

Способ осуществляют следующим образом.

Пьезоэлектрический образец, например, из ЦТС-19 помещают в ячейку с диэлектрической жидкостью. Затем включением электронного ключа 2 формируют передний фронт высоковольтного импульса (фиг. 2а). При этом по пьезокерамическому образцу течет поляризационный ток (фиг. 2б), который создает на резисторе R падение напряжения. Сигнал с резистора R поступает на интегратор тока 5 (преобразователь напряжения-тока), на выходе которого формируется напряжение U пропорциональное интегралу поляризационного тока Sf(t)dt (фиг. 2в). Это напряжение в компараторе 4 сравнивается с опорным напряжением U_оп, соответствующим заданному уровню поляризации. При выполнении U-U_оп компаратор вырабатывает электрический сигнал (фиг. 2г), который поступает на входы электронных ключей 2 и 3. При этом ключ 2 размыкается, а ключ 3 замыкается, формируя таким образом задний фронт высоковольтного импульса (фиг. 2а). Тем самым завершается процесс поляризации.

В предлагаемом способе поляризации для каждого образца является индивидуальным. При увеличении, например, крутизны поляризационного тока для другого образца из-за технологических факторов компаратор 4 формирует электрический сигнал к моменту времени t-t₂, как показано на фиг. 2 пунктирными линиями, вследствие чего процесс поляризации завершается раньше.

Таким образом, для каждого конкретного образца формируется вполне определенной длительности высоковольтный импульс, обеспечивающий достижение заданного уровня поляризации с высокой точностью.

Индуктивность L включена в цепь поляризуемого образца для предотвращения скачкообразного нарастания поляризационного тока в момент подачи высоковольтного импульса. Изменение величины индуктивности приводит к изменению времени поляризации, что позволяет подборам величины L регулировать временной интервал поляризации. Например, для пьезокерамического образца ЦТС-19 (10х1 мм) изменение L в пределах (0,05 50) мгн позволяет регулировать диапазон времени поляризации в пределах 1 50 мкс.

На фиг. 3 приведена экспериментальная зависимость коэффициента электромеханической K_p связи промышленных образцов ЦТС-19 (6 х 6 х 1) от опорного напряжения.

Параметры образцов пьезокерамики ЦТС-19 (10 х 1 мм), поляризованных предлагаемым способом: амплитуда высоковольтного поляризующего импульса 3 кВ, длительность импульса около 30 мкс. При этом коэффициент электромеханической связи K_p составил 0,413±0,008.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает эффективную поляризацию пьезокерамических образцов до заданного уровня с высокой степенью точности.

Использование: при массовом изготовлении пьезоэлектрических элементов. Сущность изобретения: на сегнетокерамический образец, помещенный в диэлектрическую среду, подают одиночный импульс электрического напряжения через индуктивность. Ток, проходящий через образец, интегрируют и напряжение с образца снимают до достижении заданного значения интеграла. 3 ил.

Способ поляризации сегнетокерамики, заключающийся в приложении к образцу единичного однополярного импульса напряжения через индуктивность, интегрирование тока, проходящего через образец в процессе поляризации, отличающийся тем, что напряжение с образца снимают по достижении заданного значения интеграла тока.