RU2092934C1 - Ferroelectric ceramic polarizing technique - Google Patents

Abstract

FIELD: mass production of piezoids. SUBSTANCE: single voltage pulse is applied to ferroelectric ceramic specimen placed in insulating medium through inductance coil. Current passed through specimen is integrated and voltage is picked off specimen as soon as desired integral value is attained. EFFECT: facilitated procedure. 3 dwg

Description

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано при массовом изготовлении пьезоэлектрических элементов. The invention relates to piezoelectric technology and can be used in the mass production of piezoelectric elements.

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.In the process of manufacturing frequency-selective devices (filters), one of the most important operations is to control the level of polarization of piezoceramics (PC). A known method of controlling the polarization of PCs in order to fine-tune their frequency characteristics by high-temperature aging (1). In this method, the piezoelectric element is heated to temperatures not reaching 30 100 ^o C to the Curie point, over a period of time, the duration of which is determined by the given resonance interval.

Известен способ доводки частотных характеристик путем изменения уровня поляризации воздействием на пьезокерамический элемент деполяризующих импульсов электрического напряжения (2). A known method of fine-tuning the frequency characteristics by changing the level of polarization by the action of depolarizing pulses of electric voltage on a piezoceramic element (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. A common drawback of these methods is that initially the piezoceramic element is polarized by one of the known methods, and then the polarization level is adjusted to the desired value. This leads to high complexity and, consequently, low productivity of known methods.

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. There is also a method of polarizing ferroceramic elements and a device for its implementation (3), in which the sample is exposed to a series of unipolar pulses of constant energy, and the degree of polarization is controlled by the amplitude of the voltage on the electrodes of the piezoelectric element.

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. The disadvantage of this method is the need to apply a series of pulses to the sample, which leads to an increase in polarization time. In addition, the application of a series of polarizing pulses leads to a change in the polarization of the sample stepwise, which will affect the accuracy of polarization.

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. As a prototype, the solution (4) was selected, which describes the installation for switching polarization by the action of a unipolar pulse voltage. However, the described setup does not allow us to solve the problem of achieving a given level of polarization in general and all the more with high accuracy.

Целью изобретения является повышение эффективности и точности достижения заданного уровня поляризации. The aim of the invention is to increase the efficiency and accuracy of achieving a given level of polarization.

Цель достигается тем, что в непрерывном процессе поляризации осуществляют управление формированием заднего фронта поляризующего импульса при достижении интеграла поляризационного тока заданного значения. The goal is achieved by the fact that in the continuous process of polarization control the formation of the trailing edge of the polarizing pulse upon reaching the integral of the polarization current of a given value.

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. In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the proposed method; in FIG. 2 - timing diagrams of the installation; in FIG. Figure 3 shows the experimental dependence of the electromechanical coupling coefficient of the CTTs-19 samples (6 x 6 x 1) mm on the reference voltage.

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. The main elements of the installation are a high-voltage voltage source 1, the first electronic switch 2, which connects the voltage source 1 to the polarizable piezoelectric element through inductance, the second electronic switch 3, which removes voltage from the sample by the moment the signal passes from the comparator 4, the current integrator 5, connected to the current-measuring resistor R .

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

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.A piezoelectric sample, for example, from TsTS-19 is placed in a cell with a dielectric fluid. Then, by switching on the electronic switch 2, the leading edge of the high-voltage pulse is formed (Fig. 2a). In this case, a polarization current flows along the piezoceramic sample (Fig. 2b), which creates a voltage drop across the resistor R. The signal from the resistor R is fed to a current integrator 5 (voltage-current converter), the output of which is formed by a voltage U proportional to the polarization current integral Sf (t) dt (Fig. 2c). This voltage in the comparator 4 is compared with the reference voltage U _op corresponding to a given level of polarization. When performing UU _{op, the} comparator generates an electric signal (Fig. 2d), which is fed to the inputs of electronic keys 2 and 3. In this case, the key 2 is opened, and the key 3 is closed, thus forming the trailing edge of the high-voltage pulse (Fig. 2a). This completes the polarization process.

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.In the proposed method, the polarization for each sample is individual. By increasing, for example, the steepness of the polarization current for another sample due to technological factors, the comparator 4 generates an electrical signal at time tt ₂ , as shown in FIG. 2 by dashed lines, as a result of which the polarization process is completed earlier.

Таким образом, для каждого конкретного образца формируется вполне определенной длительности высоковольтный импульс, обеспечивающий достижение заданного уровня поляризации с высокой точностью. Thus, for each specific sample, a well-defined duration of high-voltage pulse is formed, ensuring the achievement of a given level of polarization with high accuracy.

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. Inductance L is included in the circuit of a polarizable sample to prevent an abrupt increase in the polarization current at the time of supply of the high-voltage pulse. A change in the inductance leads to a change in the polarization time, which allows the selection of the value of L to adjust the polarization time interval. For example, for a PZT-19 piezoceramic sample (10x1 mm), a change in L within (0.05 50) mg allows you to adjust the polarization time range in the range of 1 50 μs.

На фиг. 3 приведена экспериментальная зависимость коэффициента электромеханической K_p связи промышленных образцов ЦТС-19 (6 х 6 х 1) от опорного напряжения.In FIG. Figure 3 shows the experimental dependence of the electromechanical coefficient K _{p of the} connection of industrial samples TsTS-19 (6 x 6 x 1) from the reference voltage.

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.The parameters of the TsTS-19 piezoceramic samples (10 x 1 mm) polarized by the proposed method: the amplitude of the high-voltage polarizing pulse 3 kV, the pulse duration of about 30 μs. In this case, the electromechanical coupling coefficient K _p amounted to 0.413 ± 0.008.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает эффективную поляризацию пьезокерамических образцов до заданного уровня с высокой степенью точности. Thus, the proposed method provides effective polarization of piezoceramic samples to a given level with a high degree of accuracy.

Claims (1)

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. The polarization method of ferroceramics, which consists in applying a single unipolar voltage pulse to the sample through the inductance, integrating the current passing through the sample during the polarization process, characterized in that the voltage is removed from the sample upon reaching the specified value of the current integral.

Images