Композиционный перфорированный пьезоэлемент В.М.Петрова Советский патент 1986 года по МПК H01L41/08 

Изобретение относится к пьезотехнйке и касается приемных пьезоэлементов для использования их в качестве датчиков давления, силы, ускорений, сейсмических колебаний, для приемников гидролокаторов, ульт развуковых дефектоскопов, томографов и т.п. Цель изобретения - повьшение пье зочувствительности и технологичности изготовления. На чертеже показан пьезоэлемент разрез. Пьезоэлемент содержит основание 1 из пьезокерамики например, ЦТС) электроды 2 и 3. Керамическому осно ванию 1 придана форма пьезоэлемента диска, пластины, полого цилиндра Отрубы) сферы. Одна рабочая поверхность основания 1 гладкая, на нее нанесен электрод 2, а вторая - рифленая, на ней образованы выступы 4 и углубления 5. Последние заполнены упругоподатливым диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью. Механическая нагруж а, перпендикулярная электродам пьезоэлемента, полностью прикладьгоается к керамиче кой основе, вследствии чего пьезомо дуль d, пьезоэлемента близок к пьезомодулю d монолитной керамики. Ем кость пьезоэлемента в результате ри ления уменьшается в К раз, где 1 мо жет достигать 10 - 100. Это обеспечивает повьшение пьезочувствительности по напряжению в К раз по срав нению с монолитным пьезоэлементом с гладкими рабочими поверхностями у керамики h а„/с где С - емкость на единицу площади рифленого пьезоэлемента. Пьезоэлемент работает следующим образом. При приложении вдоль оси Z, перпендикулярной электроду 3, давления р ввиду малой упругости диэлектрика, заполняющего углубления 5, вся нагрузка оказывается приложенной к керамическому основанию .1. Механическое напряжение в произволь ном сечении Z равно . d,, (Z). p/S(Z) , где S(Z) - площадь сечения керамики приходящаяся на единицу площади пьезоэлемента. 82 В нерифленой части основания (OeZ ) S(Z) 1 , а в рифленой (ct , где h - расстояние между электродами) S(Z) x(Z)/a, если сечение выступов 4 имеет форму квадрата со стороной X равной у основания а . За счет прямого пьезоэффекта в пьезокерамике основания 1 генерируется электрическое поле, .напряженность которого в сечении Z равно на (Z) g.d,,(Z), где - пьезомодуль керамики. Напряжение между электродами, возникающее при действии давления Р, равно hh (Z).4dVpJ --% °с Напряжение с электродов подается на усилитель с высоким входным сопротивлением и малой емкостью, обеспечивающий режим холостого хода работы пьезоэлемента. В этом случае величина пьезочувствительности равна h „ , к ,; г Г dZ f + „ J -i-(z) Коэффициент увеличения пьезочувствительности за счет применения рифления X составляет if-i--s-|;€) с и показывает, во сколько раз пьезочувствительность J данного пьезоэлемента больше пьезочувствительности пьезоэлемента толщины h с гладкой рабочей поверхностью,изготовленного на базе пьезокерамики. Численные значения коэффициента К зависят от формы и размеров выступов 4 на рифленой поверхности пьезокерамики, а главным образом от отношения а/Ь, при котором еще выполняется сформулированное условие на модуль ЮнГа и диэлектрическую прони15аемость диэлектрика, заполняющего углубления 5, составляет 10 - 30 (тиловые значения Е 1800, 2, . С 1Ш ГПа, а для эластомеров ГПа), Если ширина выступов изменяется по линейному закону с высотой Z, т.е.х b + (а-Ь) -(h -Z)/(h -с), то коэффициент увеличения пьезочувствительности