CC BY
7ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 681.586.325
Применение технологии литья при изготовлении пьезокерамических балок для гироскопа
1 2 Т.В. Щёголева , А.В. Добрынин
1ОАО «НИИ «Элпа» с опытным производством» (г. Москва) Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Рассмотрен чувствительный элемент пьезокерамического гироскопа. Проведен анализ электрофизических параметров чувствительного элемента в форме биморфной балки, изготовленной по традиционной монолитной и новой технологии литья. Показано, что по новой технологии заготовки получаются менее искривленными, что способствует снижению количества технологических операций и повышению термостабильности чувствительного элемента.
Ключевые слова: гироскоп, пьезокерамика, биморфная балка.
Пьезокерамические гироскопы относятся к наиболее дешевым и компактным. Пье-зокерамические гироскопы балочного типа производят фирмы «Murata», «Tokin», «Fujitsu», «Futaba» (Япония), в России гироскопы такого типа разрабатываются на предприятии ОАО «НИИ «Элпа».
Гироскопы применяются как в военной технике, так и в быту. Например, в вертолетах «GYRO» используется встроенный гироскоп, благодаря которому достигается высокая стабильность полета. Гироскоп корректирует скорость оборотов боковых винтов, останавливая самопроизвольное вращение корпуса вертолета. В подобные вертолеты обычно устанавливают гироскопы производства фирмы «Murata» либо «Epson» в зависимости от ценовой категории. Компания «Murata» известна на рынке биморфными пьезоэлектрическими гироскопами ENV-05, ENC-03R с размерами 20x20x1 мм и менее.
Основной недостаток пьезокерамических гироскопов - температурная нестабильность параметров, обусловленная свойствами пьезокерамики в диапазоне от -5 до +75 °С. В большинстве случаев этот недостаток производители пьезокерамических гироскопов устраняют при помощи дополнительных систем термокомпенсации и терморегуляции. На точность гироскопов влияют факторы, связанные с технологическими несовершенствами, внешние и внутренние температурные воздействия, а также взаимодействие этих факторов.
Для того чтобы повысить конкурентоспособность российских гироскопов на мировом рынке, необходимо разработать конструктивные и технологические решения, которые позволят при миниатюрных размерах изделия получить параметры, отвечающие техническим требованиям при минимальной цене. Также гироскопы должны быть адаптированы к современным технологиям монтажа.
© Т.В. Щёголева, А.В. Добрынин, 2014
Пьезокерамический гироскоп, разработанный ОАО «НИИ «Элпа», состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), который крепится на плату, электрической схемы и корпуса. ЧЭ - это биморфная балка, представляющая собой две соединенные поляризованные во встречном направлении пьезокерамические пластины. Балка закреплена с целью уменьшения потерь в поддерживающие конструкции (подвесы), изготовленные из бериллиевой бронзы [1].
Биморфные пластины для балок изготавливаются из материала группы цирконата-титаната свинца (ЦТС), так как этот материал обладает относительно большой добротностью, высокими рабочими температурами, имеет высокий коэффициент электромеханической связи кр, который характеризует эффективность преобразования пьезоэлектрическим материалом электрической энергии в механическую энергию. Так, например, кр =0,55-0,58 для ЦТС (Россия), кр = 0,47 для PZT-2 (США), кр = 0,28 для Тибалит-12 (Франция) и кр = 0,27 для BZ (Великобритания) [2, 3].
В настоящей работе для изготовления чувствительных элементов использовалась керамика ЦТС-47, которая имеет высокое значение механической добротности Qм = 900.
Для соединения пьезокерамических пластин или заготовок размером 24*24*0,5 мм в биморф использовался клеевой слой. Исследовались образцы пластин, соединенные разными типами клея. Результат показал, что такое соединение недостаточно прочно и в биморфах добротность снижалась, особенно при изменении температуры в диапазоне от -60 до +90 °С. Вероятнее всего, это следствие деформаций в клеевом слое, плохой очистки поверхностей пластин, неравномерного распределения клея по поверхности или других технологических погрешностей. Поэтому от клеевого соединения пластин отказались в пользу высокотемпературного спекания. В этом случае пластины собирались в пакеты и спекались в специальной установке при температуре порядка 750 °С и при постоянном давлении в камере. При этом к пакету прикладывалось определенное усилие, которое зависело от размеров пластин. Отметим, что при нагреве и охлаждении пакета неконтролируемое изменение температуры могло привести к образованию как внешних, так и внутренних трещин в биморфах, которые, в свою очередь, приводят к снижению добротности. Появление внутренних трещин является более критичным фактором, так как заметить их возможно только на этапе контроля электрофизических параметров биморфов.
Разделение биморфной пластины на отдельные балки осуществляется вращающимся стальным диском с напыленной алмазной крошкой толщиной от 70 до 300 мкм. На верхней поверхности биморфного элемента формировались электроды 1 и 2, на нижней - электрод 3 . На верхней стороне балки имеется пропил, разделяющий электроды 1 и 2, на нижнюю сторону нанесены дополнительные подгоночные пропилы (рис.1,а).
При подаче переменного напряжения на электроды 1 и 2 относительно 3 -го балка изгибается вдоль оси 2 [4]. При вращении балки вокруг оси X возникает сила Кориоли-са, которая приводит к изгибным колебаниям балки вдоль оси У с той же частотой, что и возбуждение балки. При вращении вокруг оси Х на электродах 1 и 2 появляется разность фаз, с помощью которой после схемотехнических преобразований можно получить информацию об измеряемой угловой скорости гироскопа.
Незакрепленная биморфная балка имеет собственные резонансные частоты в двух взаимно ортогональных направлениях ОУ и 02: /г и . Значения этих частот обычно находятся в диапазоне 8,3-8,6 кГц. Для нормального рабочего функционирования гироскопа разность /г и должна быть не более 30-50 Гц. На практике возникают погрешности, которые вызывают отклонение геометрических размеров электродов балки,
2
Дополнительные пропилы
3
/
а
б
Рис.1. Биморфная балка: а - верхняя сторона; б - нижняя
ширины и глубины пропила от задаваемых (в идеальном случае ширина каждого электрода 450 мкм, ширина пропила 100 мкм, глубина пропила 100 мкм). При этом разность частот /г и может достигать несколько сотен герц. Поэтому необходимо проведение дополнительных и достаточно трудоемких операций по настройке электрофизических параметров биморфной балки. Для настройки на электродах балки с помощью лазерного луча формируют дополнительные пропилы (рис.1,б).
Некачественное спекание пластин может привести к ухудшению амплитудно-частотных характеристик биморфного элемента, например к расхождению резонансных частот /г и . После спекания внутренних и металлизации верхних электродов наблюдается искривление поверхности биморфной пластины, а в некоторых случаях и отслоение электродов от керамики. Это может происходить по нескольким причинам: некорректно выбраны параметры процесса спекания; неидеальный керамический материал; загрязненность спекаемых поверхностей пластин; трещины по краям и другие дефекты, которые могут возникать при резке пластины. Для того чтобы избежать этих проблем при изготовлении пластин выбрана технология литья пьезокерамических пленок, используемая в ОАО «НИИ «Элпа». По данной технологии [5, 6] каждая из двух пластин биморфа формируется из 19 пленок толщиной около 29 мкм, которые после прессования и обжига образуют изделие толщиной 500 мкм.
Для исследования отобрано пять образцов биморфных спеченых пластин и пять образцов пластин, изготовленных по технологии литья пленки (монолитные и пленочные образцы соответственно) размером 20*20*1 мм. Для измерения искривления пластин определялась плоскостность поверхности заготовок - пленочных и спеченных пластин. Образцы размещали на плоском основании и измеряли толщину пластин со стороны верхнего электрода и нижнего электрода с помощью механического индикатора в пяти точках (по углам - точки 1, 2, 3, 4 и по центру - точка 5). Очевидно, что разброс измеренной по такой методике толщины определяется изгибом образцов. Результат измерения показал, что разброс измеряемой толщины в монолитных пластинах больше, чем в пластинах, изготовленных по пленочной технологии (рис.2). Анализ этих измерений выявил, что искривление монолитных ЧЭ составляет 10-20 мкм, а пленочных ЧЭ - менее 1 мкм. Измерения электрофизических параметров монолитных ЧЭ показали, что разность резонансных частот А/ достигает в некоторых случаях значений от -300 до +500 Гц, а А/ в пленочных ЧЭ -от -30 до +30 Гц ( рис.3).
Рис.2. Распределение измеряемой толщины по поверхности пластин (■ - пленочные; □ - монолитные)
Рис. 3. Разность резонансных частот для десяти пленочных образцов
Значение разности А/ в пленочных элементах меньше в 10 раз по сравнению с монолитными ЧЭ. Это объясняется тем, что при распиливании приклеенная пленочная заготовка прилегает к держателю более плотно, что позволяет осуществить операцию точнее и исключить дополнительную настройку электрофизических параметров.
В монолитных и пленочных ЧЭ значения А/ при температуре от -60 до +90 °С измерялись по следующей методике. Образцы помещались в термокамеру, охлаждаемую жидким азотом или подогреваемую резистивным нагревателем. При этом каждый образец помещался в приспособление с выходящими наружу измерительными выводами. Замеры проводились каждые 10 °С с выдержкой 30 мин. Погрешность измерений составила 2-4%. В диапазоне температур от -30 до +70 °С разность резонансных частот практически не менялась, но при понижении температуры до -60 °С и повышении до +90 °С увеличивалась, а точность гироскопа снижалась (рис.4). Такой вид характеристики может быть обусловлен внутренним нагревом балки, влиянием подвесов на балку, а также нестабильностью керамического материала. Сравнение экспериментальных данных показало, что у пленочных ЧЭ уход параметров в температурном диапазоне меньше, чем у монолитных.
При исследовании использовалась циклическая операция лазерной настройки. После лазерного скрайбирования ЧЭ помещались в термокамеру для термотренировки в течение нескольких часов при постоянной температуре 100-120 °С, а затем измерялись электрофизические параметры. При каждом последующем цикле значение А/ пленочных элементов уменьшалось в отличие от монолитных. Через несколько циклов параметры пленочного ЧЭ стабилизировались, а изменение А/ во всем температурном диапазоне не превышало 5-8%, что удовлетворяет требованиям к данному типу гироскопов. Таким образом, их можно считать термостабильными.
Проведенное исследование показало, что уход рабочей частоты чувствительного элемента происходит в результате некачественного соединения заготовок в биморфную структуру, например отслаивание возле
Температура,
Рис.4. Зависимость разности резонансных температуры для пленочного и монолитного ЧЭ
частот от
внутренного электрода (рис.5). Это, в свою очередь, обуславливается неплоскостностью поверхности монолитных пластин. Так как заготовки, изготовленные по пленочной технологии, более плоские и пластичные, они лучше прилегают друг к другу в составе биморфной структуры. В итоге такие бимор-фы имеют меньшее значение разности резонансных частот Af.
Переход на пленочную технологию позволит сократить количество технологических операций и увеличить выход годных при производстве гироскопов по сравнению с монолитной.
Литература
1. Глозман И.А. Пьезокерамика. - М.: «Энергия», 1972. - С. 122-125.
2. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение: пер. с англ. - Минск: ООО «ФУАин-форм», 2003. - С. 10-12.
3. Таблицы основных свойств пьезокерамических материалов ПКР, изготовляемых Отделением сегнетопьезоэлектрических материалов, приборов и устройств НИИ физики ЮФУ. -URL: http://www.piezotech.ru/PKR.htm
4. Щёголева Т.В., Образцов Р.М., Добрынин А.В. Частотные характеристики поддерживающих конструкций биморфного пьезокерамического элемента балочного гироскопа. // Изв. вузов. Электроника. - 2010. -№ 3(83). - С. 84, 85.
5. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики. - СПб: Изд-во. ОАО НИИ «Гири-конд», 2000. - С. 199-206.
6. Pritchacl J., Bowen C.R., Lowrie F. Multilaer actuator: review // British Ceramic Transactions. - 2001. -Vol. 100. - № 6 - P. 1-9.
Статья поступила после доработки 27 ноября 2013 г.
Добрынин Андрей Витальевич - доктор технических наук, профессор кафедры материалов функциональной электроники МИЭТ. Область научных интересов: физика и химия полупроводниковых соединений и устройств на их основе. E-mail: Dobrynin_a_v@mail.ru
Щёголева Татьяна Валерьевна - начальник отдела ОАО «Научно-исследовательский институт «Элпа» с опытным производством». (г. Москва). Область научных интересов: пьезокерамические элементы, пьезоэлектроника.
Рис. 5. Фрагмент разреза ЧЭ, изготовленного по монолитной технологии (толщина электрода 14 мкм)
