СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H01L41/22 

Изобретение относится к технологии изготовления чувствительных элементов для оптических измерительных трансформаторов напряжения, в частности, к способам изготовления монокристаллических чувствительных элементов из пьезоэлектрических кристаллов. Более конкретно, изобретение относится к прецизионной обработке торцевых поверхностей монокристаллических пьезоэлектрических элементов методом шлифовки и полировки, пригодных для оптических измерительных трансформаторов напряжения, работающих на эффекте Поккельса.

Эффект Поккельса или линейный электрооптический эффект - это явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля. В общем случае эффект Поккельса проявляется в изменении показателей преломления собственных волн кристалла и их поляризации при приложении к кристаллу электрического поля. Изменение показателей преломления собственных волн приводит к появлению составляющей двуиреломления кристалла, пропорционально приложенному электрическому полю. Измеряя разность фаз собственных волн при прохождении через электрооптический кристалл, можно найти величину напряженности электрического поля внутри кристалла. При определенных условиях электрооптическая составляющая двупреломления кристалла может быть пропорциональна напряжению, приложенному к торцам кристалла.

Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Эффект Поккельса практически безинерционен (величина быстродействия порядка 10^-10 с). Благодаря этому он находит широкое применение в создании оптических модуляторов. Соответствующий элемент называется ячейкой Поккельса и представляет собой кристалл, помещенный между двумя скрещенными николями. Николи не пропускают свет в отсутствие электрического поля, а при наложении поля пропускание появляется.

Этот эффект широко используется для модуляции света в лазерах и волоконно-оптической связи, а также для измерения напряженности электрического поля и электрического напряжения.

Работа оптических измерительных трансформаторов напряжения основана на использовании эффекта Поккельса для измерения параметров высоковольтных объектов и оптического канала связи для передачи информации из зоны высокого потенциала.

Из уровня техники известны устройства для измерения напряжения на высоковольтных линиях электропередач, использующее в качестве датчика электрического поля оптическую ячейку Поккельса. В патентах и опубликованных патентных заявках раскрыто значительное число электрооптических сенсоров напряжения, работающих на эффекте Поккельса. Например, американские патенты US, 5731579; US, 5939711 и US, 6492800 раскрывают сенсоры напряжения на эффекте Поккельса, которые включают поляризатор на входе и сплиттер на выходе устройства, способные успешно работать при постоянной температуре. Однако в широком интервале температур известные устройства не способны контролировать напряжение с требуемой точностью. Использование эффекта Поккельса для создания оптических измерительных трансформаторов напряжения на большие (порядка 110 кВ) напряжения сопряжены с большими конструкционными и техническими трудностями, что не позволяет достичь требуемой точности оптических измерительных трансформаторов напряжения (не хуже 0,2% в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 60°С).

Точность измерения величины напряжения в широком интервале температур зависит от двух факторов - термостабильности пьезоэлектрического кристалла, а также от точности измерения разности фаз собственных волн при прохождении через электрооптический кристалл. Большую погрешность на измерения величины разности фаз в пьезоэлектрическом кристалле вносит собственное двулучепреломление, вызванное деформацией пьезокристалла при наложении электрического поля (обратный пьезоэффект). Проблема уменьшения величины погрешности, обусловленной собственным двулучепреломлением при измерении напряжения, решается в патенте RU, 2 579 54, который раскрывает способ изготовления сборного чувствительного элемента, состоящего из пары идентичных монокристаллов цилиндрической формы и соосно соединенных торцами так, что их электрические оси X антиколлинеарны, что обеспечивает компенсацию влияния обратного пьезоэффекта, изменяющего размеры пьезоэлектрического монокристалла под действием приложенного напряжения, на величину фазового набега, что повышает точность измерений величины напряжения.

Однако при сборке чувствительного элемента, состоящего из двух пьезоэлектрических элементов, между торцевыми поверхностями элементов возникает поверхность раздела, на которой происходит искажение проходящего света, что ведет за собой снижение точности измерения напряжения. Таким образом, сборная конструкция пьезокристаллического чувствительного элемента, с одной стороны, позволяет уменьшить погрешность измерения напряжения за счет подавления собственного двойного лучепреломления, возникающего за счет обратного пьезоэффекта, однако, с другой стороны, приводит к появлению погрешности, обусловленной искажением фронта проходящего света на границе раздела монокристаллов. Величина погрешности измерения напряжения, обусловленная влиянием границы раздела монокристаллов, может быть уменьшена за счет повышения качества обработки торцевых поверхностей соединяемых монокристаллов.

Известны различные способы механической обработки пластин из керамики, стекла, полупроводниковых материалов, сапфира, кварца (см., например, международную публикацию патентной заявки WO 94/17956, а также патенты US, 5110428, патент RU, 2172235). Патент RU, 2301141 раскрывает способ механической обработки подложек из монокристаллов лангасита.

Недостаток известных способов механической обработки пластин состоит в том, что известные способы пригодны только для кристаллов, площадь обрабатываемых поверхностей которых превышает 45 см².

Однако при изготовлении кристаллических чувствительных элементов для оптических измерительных трансформаторов напряжения имеется потребность в обработке торцевых поверхностей соединяемых кристаллов площадью не более 3 см², что является сложной технологической задачей, направленной на выполнение необходимых требований к форме и параллельности торцевых поверхностей протяженных чувствительных элементов.

Известен способ обработки торцевых поверхностей чувствительных элементов площадью не более 3 см², описанный в патенте RU, 2626080, который включает предварительную резку объемного пьезокристаллического кристалла на идентичные по размерам и ориентации заготовки и последующее склеивание заготовок в так называемый пакет, что позволяет увеличить общую площадь обрабатываемой поверхности. Затем торцевые резанные поверхности полученных пакетов подвергают двухсторонней шлифовке и полировке до достижения заданного размера длины заготовок, определяющего длину чувствительного элемента. Следует отметить, что известный способ позволяет уменьшить вероятность образования сколов кристаллов, однако в известном способе отсутствуют требования к плоскостности и параллельности торцевых поверхностей чувствительных элементов.

Описанный выше известный способ обработки поверхностей чувствительных элементов, имеющих площадь обрабатываемых поверхностей не более 3 см², имеет ряд недостатков. Так, для достижения требуемой площади обрабатываемых поверхностей необходимо склеить в пакет 9 заготовок, 8 из которых будут краевыми, что увеличивает вероятность появления сколов на кромках заготовок в процессе обработки.

В уровне техники имеется потребность в разработке способа механической обработки торцевых поверхностей заготовок для чувствительных элементов длиной не менее 40 мм и площадью обрабатываемых торцевых поверхностей не более 3 см², позволяющего получать поверхности без сколов, шероховатостью поверхности Ra не более 0,01 мкм, отклонением от параллельности не более 3 мкм и отклонением от плоскостности не более 20 мкм.

В рамках данной заявки решается задача разработки такого способа изготовления пьезоэлектрических чувствительных элементов для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, который позволил бы повысить точность измерения напряжения за счет выполнения чувствительного элемента в виде сборной конструкции, состоящей из серии соединенных между собой торцевыми поверхностями пьезокристаллов. Решается также задача разработки прецизионно точного способа обработки торцевых поверхностей каждого из серии пьезокристаллов длиной не менее 40 мм и площадью торцевых поверхностей не более 3 см².

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления монокристаллических чувствительных элементов для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, включающем резку объемного пьезоэлектрического кристалла на серию идентичных по форме, длине и кристаллографической ориентации заготовок, где каждая из заготовок имеет цилиндрическую форму, а также длину не менее 40 мм, площадь торцевых поверхностей не более 3 см² и кристаллографическую ориентацию вдоль оси X, совпадающую с длиной заготовки, последующие шлифовку и химико-механическую полировку торцевых резанных поверхностей заготовок, шлифовку и химико-механическую полировку торцевых поверхностей каждой из заготовок производят с использованием приспособления, представляющего собой цилиндр с соосным центральным отверстием, а перед проведением шлифовки и химико-механической полировки торцевых поверхностей заготовки ее предварительно устанавливают в центральное отверстие приспособления и склеивают с приспособлением, затем совместно шлифуют и полируют, а по достижении предварительно заданной величины плоскостности, параллельности и шероховатости торцевых поверхностей приспособление и полученный чувствительный элемент расклеивают.

Предпочтительно, что шлифованные поверхности заготовок полируют алмазным абразивом с размером зерна 5-3 мкм при давлении полировальника на поверхность блоков из диапазона (0,6-0,7)⋅10^-3 Па до достижения шероховатости поверхности менее 0,01 мкм.

Целесообразно, что приспособление изготавливают из идентичного пьезоэлектрического материала, что и заготовка, имеющего идентичную кристаллографическую ориентацию X. Кроме того, диаметр цилиндрической поверхности приспособления составляет величину не менее половины длины и не более двух длин заготовки.

Предпочтительно, что толщина приспособления составляет величину не менее половины диаметра торца чувствительного элемента, а чувствительный элемент имеет цилиндрическую форму.

Сущность изобретения, согласно данной заявке, поясняется графическим материалом, где:

фиг. 1 иллюстрирует сборку чувствительного элемента и приспособления для проведения шлифовки и полировки.

Для пояснения сущности изобретения на чертежах введены следующие обозначения: 1 - чувствительный элемент; 2 - приспособление для шлифовки и полировки чувствительного элемента.

Чувствительный элемент 1 цилиндрической формы, выполненный из пьезоэлектрического материала с двумя противолежащими торцевыми поверхностями, имеет длину не менее 40 мм и диаметр торца не более 15 мм.

Приспособление 2 выполнено в форме цилиндра из того же материала, что и чувствительный элемент и имеет соосное центральное отверстие. Приспособление цилиндрической формы изготовлено из идентичного материала, что и чувствительный элемент, и имеет идентичную кристаллографическую ориентацию X, что и чувствительный элемент, а также имеет диаметр, равный не менее половины длины и не более двух длин чувствительного элемента 1 и толщину, равную не менее половины диаметра торца чувствительного элемента 1.

Перед выполнением шлифовки и полировки торцевых поверхностей заготовок для получения чувствительного элемента требуемого качества производится установка заготовки в центральное отверстие приспособления и последующее ее закрепление в приспособлении путем склеивания заготовки для чувствительного элемента и приспособления. После этого проводят совместную шлифовку и полировку приспособления и закрепленной в нем заготовки до получения требуемых характеристик торцевых поверхностей чувствительного элемента.

После достижения требуемых величин плоскостности, параллельности и шероховатости торцевых поверхностей чувствительного элемента проводится расклейка чувствительного элемента и приспособления.

Сущность изобретения поясняется неисключающим примером реализации.

Пример.

Примером реализации способа обработки чувствительных элементов из монокристаллов, согласно изобретению, является изготовление чувствительного элемента 1 из монокристалла лангасита для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения.

Предварительно из объемного монокристалла лангасита кристаллографической ориентации X изготавливают приспособление 2 для шлифовки и полировки, которое представляет собой цилиндр диаметром 60 мм, толщиной 15 мм и центральным соосным отверстием диаметром 20 мм.

Кроме этого из объемного монокристалла лангасита кристаллографической ориентации X вырезают серию идентичных по форме и размерам заготовок цилиндрической формы длиной 60 мм, ориентированной вдоль кристаллографической оси X и диаметром торцов 20 мм.

Затем заготовку для чувствительного элемента, имеющую резанные торцевые поверхности, устанавливают в центральное соосное отверстие приспособления, выполненное из лангасита кристаллографической ориентации X, и склеивают с приспособлением 2.

После этого заготовку, закрепленную в приспособлении 2, шлифуют на чугунных полировальниках с использованием смазочно-охлаждающих суспензий (СОЖ) на основе ККЗ (карбида кремния зеленого) зернистостью (F800) и на основе электрокорунда белого зернистостью (F800). Контроль геометрических размеров заготовки со шлифованными торцами выполняют с помощью микрометра МЗЦ 0-25 с ценой деления 0,001 мм.

Затем заготовку для чувствительного элемента, имеющую шлифованные торцы и закрепленную в приспособлении 2, полируют на суспензии, состоящей из АСМ 5/3 (алмаз синтетический нормальной абразивной способности с размером зерна основной фракции 5-3 мкм) и деионизованной воды. Давление, создаваемое полировальником на торцевую поверхность чувствительного элемента, задается из диапазона (0,6-0,7)⋅10^-3 Па.

После достижения требуемых характеристик полированных торцевых поверхностей чувствительного элемента расклеивают чувствительный элемент и приспособление.

Торцевые поверхности чувствительного элемента, выполненного из монокристаллов лангасита, обработанные данным способом с использованием приспособления, имеют следующие характеристики:

- отклонение от плоскостности не более 20 мкм;

- чистота PIII по ГОСТ 11141-84 для светового диаметра 10 мм;

- шероховатость Ra не более 0,01 мкм;

- точность ориентации перпендикулярно оси X не более ±10 угловых минут;

- отклонение от параллельности торцевых поверхностей чувствительного элемента не более 3 мкм.

Изобретение может быть использовано при изготовлении монокристаллических чувствительных элементов для высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения, работающих на эффекте Поккельса для контроля напряжений величиной свыше 110 кВ с точностью не хуже 0,2% в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 60°С.

Изобретение относится к способам изготовления чувствительных элементов датчиков физических величин, в частности к способам механической обработки чувствительных пьезоэлектрических элементов для оптических измерительных трансформаторов напряжения. Технический результат: достижение высокой плоско-параллельности торцевых поверхностей заготовок. Сущность: способ включает резку объемного пьезоэлектрического кристалла на серию идентичных по форме, длине и кристаллографической ориентации заготовок, где каждая из заготовок имеет цилиндрическую форму, а также длину не менее 40 мм, площадь торцевых поверхностей не более 3 см² и кристаллографическую ориентацию вдоль оси X, совпадающую с длиной заготовки, последующие шлифовку и химико-механическую полировку торцевых резаных поверхностей заготовок. Шлифовку и химико-механическую полировку торцевых поверхностей каждой из заготовок производят с использованием приспособления, представляющего собой цилиндр с соосным центральным отверстием. Перед проведением шлифовки и химико-механической полировки заготовку предварительно устанавливают в центральное отверстие приспособления и склеивают с приспособлением. Затем совместно шлифуют и полируют, а по достижении предварительно заданной величины плоскостности, параллельности и шероховатости торцевых поверхностей получаемого чувствительного элемента приспособление и заготовку расклеивают. Приспособление изготавливают из идентичного пьезоэлектрического материала, что и заготовка, имеющего идентичную кристаллографическую ориентацию X. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления монокристаллических чувствительных элементов для высоковольтных оптических измерительных трансформаторов напряжения, включающий резку объемного пьезоэлектрического кристалла на серию идентичных по форме, длине и кристаллографической ориентации заготовок, где каждая из заготовок имеет цилиндрическую форму, а также длину не менее 40 мм, площадь торцевых поверхностей не более 3 см² и кристаллографическую ориентацию вдоль оси X, совпадающую с длиной заготовки, последующие шлифовку и химико-механическую полировку торцевых резаных поверхностей заготовок, при этом шлифовку и химико-механическую полировку торцевых поверхностей каждой из заготовок производят с использованием приспособления, представляющего собой цилиндр с соосным центральным отверстием, а перед проведением шлифовки и химико-механической полировки торцевых поверхностей заготовки ее предварительно устанавливают в центральное отверстие приспособления и склеивают с приспособлением, затем совместно шлифуют и полируют, а по достижении предварительно заданной величины плоскостности, параллельности и шероховатости торцевых поверхностей получаемого чувствительного элемента приспособление и заготовку расклеивают.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что шлифованные поверхности заготовок полируют алмазным абразивом с размером зерна 5-3 мкм при давлении полировальника на поверхность блоков из диапазона (0,6-0,7)⋅10^-3 Па до достижения шероховатости поверхности менее 0,01 мкм.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что приспособление изготавливают из идентичного пьезоэлектрического материала, что и заготовка, имеющего идентичную кристаллографическую ориентацию X.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что диаметр цилиндрической поверхности приспособления составляет величину не менее половины длины и не более двух длин заготовки.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что толщина приспособления составляет величину не менее половины диаметра торца чувствительного элемента.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что чувствительный элемент имеет цилиндрическую форму.