Состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя Советский патент 1992 года по МПК C08L29/04 

Изобретение относится к составу связующего слоя и может быть использовано в акустоэлектронике и акустооптике при изготовлении акустических линий задержки, акустооптических модуляторов.акустоопти- ческих дефлекторов, преимущественно в дипазонах дециметровых и сантиметровых волн в многоканальных системах.

Одним из важнейших узлов указанных устройств является пьезоэлектрический преобразователь, осуществляющий преобразование электромагнитного сигнала в акустические волны.

В общем виде пьезоэлектрический преобразователь состоит из узла возбуждения, включающего элементы согласующей цепи

и элементы подвода электрического сигнала к пьезопреобразователю, а также акустооп- тического узла, включающего звукопровод, соединенный с.пьезоэлементом.

Важной задачей при разработке и изготовлении пьезопреобразователя является выбор и изготовление связующего слоя с заданными электрическими и физико-техническими характеристиками для соединения отдельных конструктивных элементов и узлов, например звукопровода с пьезоэлемен- том. пьезоэлемента с элементами (электродами) узла возбуждения. Связующие слои играютгпределяющую роль в формировании технических характеристик акустооптических и акустоэлектронных устХ|

00 OJ

ь.

Јь

ройств, поскольку являются основными источниками диссипативных потерь при передаче энергии от узла возбуждения к пьезоэлементу. Величина потерь электромагнитной энергии в значительной степени определяется контактной емкостью, образующейся при соединении пьезоэлемента с электродами узла возбуждения. Для уменьшения влияния связующего слоя, а следова- тельно, и контактной емкости на характеристики пьезоэлектрического преобразователя диэлектрическая проницаемость связующего слоя должна быть как можно больше или по крайней мере не меньше диэлектрической проницаемости материала пьезоэлемента в соответствующем частотном диапазоне работы пьезоп- реобразователя.

Кроме того, слой должен обладать хорошими связующими свойствами, которые не должны меняться в процессе эксплуатации пьезопреобразователя.

В настоящее время проблема выбора связующего слоя для соединения пьезоэлектрического преобразователя с узлом возбуждения в акустооптике достаточно актуальна, так как на современном этапе активно осваивается дециметровый диапазон, в котором в значительной степени проявляются частотные факторы различной физической природы, приводящие к диссипации энергии. Кроме того, анализ развития акустооптических и акустоэлект- ронных устройств показывает, что основные перспективы применения подобных устройств связаны с микроминиатюризацией и многоканальностыо, а также возможностью использования пьезоэлементов сложной формы. Все это требует создания такого связующего слоя, который обладал бы высокими электрическими характеристиками, был бы жидким и мог бы заполнять контактный промежуток, а также микротрещины и расколы в пьезоэлементе.

Известен связующий слой на основе диэлектрической пленки (наносимый с помощью вакуумной технологии), например, на основе SiOa. Недостатки этого связующего слоя в основном связаны с технологией напыления, в частности, с необходимостью использования дорогостоящего вакуумного оборудования, строгого соблюдения режимов технологических операций, выбора материалов с одинаковыми или близкими коэффициентами линейного расширения, Кроме того , существуют технические препятствия для нанесения однородной пленки на криволинейные поверхности пьезоэлементов. Указанные недостатки, а также невысокое качество пленки (пористость.

неоднородность, сравнительно низкие значения диэлектрической проницаемости) не позволяют использовать их при изготовлении высокочастотных акустоэлектронных пьезопреобразователей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является состав связующего слоя на основе глицерина. Сборку пьезоэлектрического преобразователя со

связующим слоем производят таким образом: на поверхность пьезоэлемента наносят слой глицерина, затем устанавливают электроды узла возбуждения соответственно с пьезоэлементом, прижимают и фиксируют

это положение с помощью прижимных винтов. В результате глицерин заполняет контактный промежуток и значительно увеличивает контактную емкость. Связующий слой на основе глицерина не требует

сложного оборудования для нанесения его на поверхность, Кроме того, глицерин в отличие от пленки SiOz жидкий и заполняет контактный промежуток и имеет значительно большую величину диэлектрической проницаемости ЈGe 43,ЈsiO2 - 10), которая практически не изменяется до частоты 500 МГц, и остается близкой по величине к диэлектрической проницаемости наиболее распространенных материалов для пьезоэлементов, таких как LiNBOa, LiTaOs, Ba2NaNBsOi5, BiGeOao, у которых е близка к 40. В связи с этим величина контактной емкости связующего слоя велика, и потери энергии в нем малы, что косвенно подтверждается характеристиками пьезоэлектрического преобразователя.

Основным недостатком глицерина в качестве связующего слоя является уменьшение диэлектрической проницаемости с

увеличением частоты приложенного напряжения, что связанос ниличием дипольно-ре- лаксационной поляризации. Проведенные исследования показывают, что на частотах свыше 500 МГц глицерин имеет диэлектрическую проницаемость порядка 10, что более чем в четыре раза меньше диэлектрической проницаемости применяемых пьезоматериалов,

Кроме того, глицерин не является химическими нейтральным по отношению к электродам узла возбуждения и пьезоэлектрического преобразователя и с течением времени образует продукты взаимодействия с ними (глицераты), более того,

глицерин обладает значительной гидро- фильностью, которая приводит к образованию пленки влаги на контактируемых поверхностях и протеканию электрохимической коррозии. В результате изменяются во

времени электрические и физические свойства связующего слоя и металлических сло- ев, которые являются элементами акустической и электрической связи между пьезоэлементом и звукопроводом. Это приводит к ухудшению технических характеристик акустооптическихи акустоэлектронных устройств, и в конечном счете выходу их из строя. Таким образом, снижение надежности изготовленного устройства с использованием глицерина в качестве связующего слоя является серьезным препятствием к его применению не только в промышленности, но и в лабораторных условиях.

Целью изобретения является увеличение времени работоспособности состава и повышение его диэлектрической проницаемости.

Указанная цель достигается тем, что состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя, включающий глицерин, дополнительно содержит 15-20 мас.%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС) в соотношении компонентов, об.%: 15-20%-ный водный раствор ПВС 50-87,5; глицерин 50-12.5.

Предлагаемый состав связующего слоя обеспечивает жидкую фазу слоя в конкретной разработке пьезоэлектрического преобразователя и гарантированное время эксплуатации.

Особо важным свойством предлагаемого состава является величина диэлектрической проницаемости, превышающая значения диэлектрической проницаемости компонентов, его составляющих. Таким образом, предлагаемый состав связующего слоя не является обычной механической смесью известных компонентов.

Определение пределов концентрации ПВС в растворе зависит от величины диэлектрической проницаемости. Определение проводят на частоте 100 Гц, Характер этой зависимости таков, что повышение концентрации ПВС приводит к росту диэлектрической проницаемости, 20-35 для концентрации 10-20%, верхний предел - 20 мас.% ПВС, Это объясняется тем, что растворы, содержащие более 20% ПВС очень вязки (более 1200 сСт), быстро загустевают на поверхности, не могут быть рав- номерно нанесены на поверхность пьезоэлемента и заполнить контактный промежуток. Нижний предел концентрации ПВС выбран из следующих соображений: при концентрации менее 10% значение диэлектрической проницаемости менее Ј 15, кроме того, вязкость раствора (менее 400 сСт) низка. При нанесении таких растворов на пьезоэлемент происходит вытекание раствора из контактного промежутка и образование воздушных раковин. Таким образом, наиболее оптимальными являются

10-20 мас.%-ные водные растворы ПВС.

Пример 1. Исследовано влияние различных соотношений компонентов в составе связующего слоя на величину диэлектрической проницаемости на частоте

1000 Гц(см.табл. 1).

Анализ этих данных показывает, что связующий слой на основе глицерина с дополнительным содержанием 10-30 мас,% водного раствора ПВС в соотношении компонентов, об.%: 10-30 мас.%-ный водный раствор ПВС 50-97,5; глицерин 10,1-50,0, имеет диэлектрическую проницаемость, превышающую диэлектрическую проницаемость глицерина (е 43) на частоте 1000 Гц.

П р и м е р 2, Исследованы частотные

зависимости диэлектрической проницаемости связующего слоя на основе глицерина с дополнительным содержанием 10-30 мас.% водного раствора ПВС в соотношениях 1+8

об. на 1 об. глицерина. Результаты представлены в табл. 2, Для сравнения частотная зависимость глицерина (прототипа) снижается с Ј 43 до е 10 в диапазоне 0-1000 МГц. Анализ этих данных показывает, что использование связующего слоя на основе глицерина для пьезопреобразовате- лей, выполненных из монокристаллов LiNBOs, LiTaOa и др (диэлектрическая проницаемость которых превышает Ј 40), является неэффективным на частотах выше 250 МГц, так как снижение диэлектрической проницаемости связующего слоя приводит к перераспределению энергии в системе узел электрического возбуждения - пьезоэ-лемент на границе двух сред с различной диэлектрической проницаемостью. В результате сигнал почти полностью приложен к слою с меньшей диэлектрической проницаемостью, т.е. к глицерину, и не доходит до пьезоэлемента. Анализ частотных зависимостей диэлектрической проницаемости исследуемого состава показывает, что их характер не отличается от прототипа. Однако при концентрациях водного раствора ПВС 15-20 мас.% и соотношениях компонентов, об.%; 15-20 мас.%-ный водный раствор ПВС 66,7-85,7, глицерин 14,3-33,3, диэлектрическая проницаемость связующего слоя на высоких частотах (500-1250 мГц)

не снижается ниже, чем значение диэлектрической проницаемости глицерина на низкой частоте (100 Гц), а зачастую гораздо выше. Исходя из результатов, выбраны количественные характеристики состава связующего слоя, а именно: 15-20 мас.%-ный водный раствор ПВС 50-87,5, глицерин 50- 12,5.

Пример 3, Исследовано качество соединения деталей узла электрического возбуждения с высокочастотным пьезопре- образователем на основании сравнения технических характеристик двух каналов многоканального акустооптического модулятора (АОМ) и проверки их временной ста- бильности. В качестве пьезоэлемента испытывался ниобат лития (LiNBosV+SS0), в звукопроводе (LiNB03V+245°), измерения проводились на контрольной частоте рабочего диапазона f0 1000 МГц. Испытания включали сравнение основных технических характеристик АОМ (электрооптическая эф- фективность-3; ширина полосы рабочих частот по уровню Зд (5 A f; максимальный коэффициент стоячей волны (КСВ) в полосе рабочих частот - КСтитах) и проверки стабильности во времени этих характеристик двух каналов пятиканального АОМ, причем один из каналов соединен с деталями узла электрического возбуждения путем нанесения на поверхность пьезоэлемента связующего слоя на основе глицерина, а другой соединен с деталями узла электрического возбуждения путем нанесения на поверхность пьезоэлемента связующего слоя, в состав которого входит 18 мас.% водного раствора ПВС и глицерин, взятые в соотношении компонентов в объемных %. Измерение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), а также измерение электрооптической эффективности КСВ производились по известной методике.

Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Испытания показали следующее.

Глицерин, являясь вязкой маслянистой жидкостью, плохо смачивает поверхность металлических электродов узла электрического возбуждения и пьезоэлементов, не растекаются по поверхности, что затрудняет равномерное распределение связующего слоя по всей поверхности; у предлагаемого состава связующего слоя вязкость находится в пределах 400-1200 сСт, что позволяет наносить связующий слой более равномерно. Это обстоятельство, а также разница в значениях диэлектрической проницаемости в диапазоне рабочих частот прототипа и состава, содержащего 10 мас.%-ный водный раствор ПВС и глицерин в соотношениях 3:1, приводит к более высоким параметрам изготовленных устройств с использованием предложенного состава.

Время наработки на отказ у АОМ, изготовленного с применением в качестве связующего слоя глицерина, составило 400 ч. После разборки АОМ обнаружено отслоение пьезоэлемента от звукопровода. Это объясняется тем, что глицерин не является химически нейтральным по отношению к электродам узла электрического возбуждения и высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя и с течением времени образует продукты взаимодействия с ними (глицераты). Кроме того, глицерин обладает значительной гидрофильностью, которая приводит к образованию пленки влаги на

контактируемых поверхностях и протеканию электрохимической коррозии. Время нормальной эксплуатации АОМ с применением связующего слоя, состоящего из глицерина с дополнительным содержанием

18% мае. водного раствора ПВС в соотношении компонентов, об.%: 18 мас.%-ный водный раствор ПВС 75; глицерин 25, составляет не менее 1000 ч,

Таким образом, техническим преимуществом предложенного состава связующего слоя является улучшение качества соединения при изготовлении акустоопти- ческих и акустоэлектронных устройств за счет уЕ1влмчения времени работоспособности. В диапазоне высоких частот ( 500-1250 МГц) диэлектрическая проницаемость состава намного превышает едля глицерина 6 (30-60 - для денного состава и е 10 для глицерина), В области частот до 500 МГц е

либо на уровне глицерина, либо выше. Превышение значений диэлектрической проницаемости 43 в диапазоне до 500 МГц (по целому ряду частот) также представляет интерес.

Формула изобретения

Состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрическою преобразо- вателя, включающий глицерин, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью увеличения времени работоспособности состава и повышения его динамической проницаемости в области высоких частот, состав дополни- тельчо содержит 15-20 %-ный водный раствор поливинилового спирта при следующем соотношении компонентов, об.%:

15-20%-ный водный раствор поливинилового

спирта50,0-87,5

Глицерин50,0-12,5

Таблица 1

Использование: акустические линии задержки, акустооптические модуляторы, аку- стооптическиедефлекторы, преимущественно в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в многоканальных системах. Сущность изобретения: состав связующего слоя содержит глицерин и 15-20 мас.% водный раствор поливинилового спирта при следующем соотношении компонентов, об.%: глицерин 12,5-50; 15- 20 %-ный водный раствор поливинилового спирта 50-87,5. Состав остается жидким и обеспечивает время работоспособности при высоких частотах по меньшей мере 1000ч, кроме того обеспечивает более высокую диэлектрическую проницаемость при высоких частотах ( 500-1250 МГц), где известный состав неработоспособен. 3 табл. /

Таблица 2

Таблица 3