RU2626080C1 - Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements - Google Patents
Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626080C1 RU2626080C1 RU2016110606A RU2016110606A RU2626080C1 RU 2626080 C1 RU2626080 C1 RU 2626080C1 RU 2016110606 A RU2016110606 A RU 2016110606A RU 2016110606 A RU2016110606 A RU 2016110606A RU 2626080 C1 RU2626080 C1 RU 2626080C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- type
- blanks
- blocks
- stage
- preforms
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 17
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 title claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000012467 final product Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002603 lanthanum Chemical class 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
- G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
- G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии изготовления пьезоэлектрических чувствительных элементов и может быть использовано при изготовлении микроминиатюрных чувствительных элементов из кристаллов группы галлогерманатов для пьезоэлектрических датчиков динамического давления, предназначенных для измерения силы давления газообразных веществ в двигателях внутреннего сгорания.The invention relates to a manufacturing technology of piezoelectric sensitive elements and can be used in the manufacture of microminiature sensitive elements from crystals of the group of gallogermanates for piezoelectric dynamic pressure sensors designed to measure the pressure force of gaseous substances in internal combustion engines.
Известно, что важнейшим функциональным узлом систем контроля, диагностики и автоматического управления являются датчики физических величин, воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта техники. Первичным узлом, регистрирующим и передающим информацию о параметрах объекта, является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы. Взаимодействие между чувствительным элементом и локальной физической окружающей средой приводит к генерации сигнала, интерпретация которого путем обработки, синтеза данных в конечном итоге обеспечивает получение нужной информации об объекте исследования (см., например, патент US, 5852793). Чувствительный элемент для датчиков динамического давления выполняется в виде конструктивно завершенного измерительного модуля.It is known that the most important functional unit of monitoring, diagnostics and automatic control systems are sensors of physical quantities that perceive information about the state of parameters of a controlled object. The primary unit that registers and transmits information about the parameters of the object is a sensitive element made of piezoelectric material, which converts non-electrical physical quantities into electrical signals. The interaction between the sensitive element and the local physical environment leads to the generation of a signal, the interpretation of which by processing, data synthesis ultimately provides the necessary information about the object of study (see, for example, US patent, 5852793). The sensitive element for dynamic pressure sensors is implemented as a structurally complete measuring module.
Принцип работы пьезоэлектрического датчика основан на использовании пьезоэлектрического эффекта: чувствительный элемент датчика давления, выполненный из пьезоэлектрического материала, преобразует изменение давления в электрический заряд так, что на противоположных гранях чувствительного элемента при его сжатии образуется разность потенциалов, пропорциональная изменению давления, которая может быть подана на вход усилителя для дальнейшего преобразования. Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерений быстро протекающих динамических процессов. Пьезоэлектрические датчики обладают следующими известными преимуществами: малыми габаритами, простотой конструкции, надежностью в работе, возможностью измерения быстропеременных нагрузок.The principle of operation of the piezoelectric sensor is based on the use of the piezoelectric effect: a pressure sensor sensitive element made of a piezoelectric material converts the pressure change into an electric charge so that a potential difference proportional to the pressure change that can be applied to amplifier input for further conversion. The direct piezoelectric effect is used to measure fast-moving dynamic processes. Piezoelectric sensors have the following well-known advantages: small size, simplicity of design, reliability in operation, the ability to measure rapidly changing loads.
В двигателях внутреннего сгорания датчики давления работают в экстремальных условиях, т.к. средняя температура в цилиндре порядка 300°С, а в момент взрыва бензино-воздушной смеси температура достигает величины порядка 3000°С. Среда, для которой предназначены такие датчики, характеризуется жесткими условиями воздействия высоких температур и давлений в диапазоне до 25 МПа, причем эти параметры среды изменяются с частотой до 100 Гц. Кроме того, датчик давления, предназначенный для двигателей внутреннего сгорания, должен быть небольших размеров и при этом высоконадежен.In internal combustion engines, pressure sensors work in extreme conditions, because the average temperature in the cylinder is about 300 ° C, and at the time of the explosion of the gasoline-air mixture, the temperature reaches a value of about 3000 ° C. The medium for which such sensors are intended is characterized by severe conditions of exposure to high temperatures and pressures in the range up to 25 MPa, and these medium parameters change with a frequency of up to 100 Hz. In addition, the pressure sensor intended for internal combustion engines should be small in size and highly reliable.
В связи с этим к материалу для изготовления чувствительного элемента подобного типа датчиков давления предъявляются жесткие требования: отсутствие фазовых переходов в кристалле вплоть до температур порядка 1200°С, отсутствие пироэлектрического эффекта, отсутствие гистерезиса физических свойств, высокая чувствительность, определяемая высоким значением пьезомодулей материала; высокое удельное электрическое сопротивление; низкая деградация поверхности материала при контакте с электродами (см. J. Stade, et. all. "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite (La3Ga5SiO14), Langanite (La3Ga5.5Nb0.5O14) and Langataite (La3Ga5.5Ta0:5O14)ʺ. Crystall Res. Technology 37, p. 1113-1120, 2002).In this regard, strict requirements are imposed on the material for the manufacture of a sensitive element of this type of pressure sensors: the absence of phase transitions in the crystal up to temperatures of the order of 1200 ° C, the absence of the pyroelectric effect, the absence of hysteresis of physical properties, high sensitivity, determined by the high value of the piezoelectric modules of the material; high electrical resistivity; low surface degradation of the material upon contact with electrodes (see J. Stade, et. all. "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ), Langanite (La 3 Ga 5.5 Nb 0.5 O 14 ) and Langataite (La 3 Ga 5.5 Ta 0: 5 O 14 ), Crystall Res. Technology 37, p. 1113-1120, 2002).
Чувствительным элементом датчика давления являются пьезоэлектрические пластины, соединенные электрически параллельно для повышения чувствительности устройства. Обычно для увеличения чувствительности пьезоэлектрического датчика применяют две или несколько пластин, соединенных параллельно, при этом заряды одноименно заряжающихся плоскостей складываются (К. Бриндли. "Измерительные преобразователи", Справочное пособие, М., Энергоиздат, 1991). Патент US 7603906 раскрывает пьезоэлектрический датчик давления, чувствительный элемент которого состоит, по крайней мере, из двух пьезоэлектрических пластин, соединенных электрически параллельно. Измеряемое давление воспринимается мембраной, которая одновременно служит дном корпуса датчика. Пьезоэлектрические пластины закреплены в корпусе датчика между мембраной и электродами, электрически изолированными от корпуса датчика.The sensitive element of the pressure sensor are piezoelectric plates connected electrically in parallel to increase the sensitivity of the device. Usually, to increase the sensitivity of a piezoelectric sensor, two or more plates are used connected in parallel, while the charges of the same charging planes are added up (K. Brindley. "Measuring transducers", Reference manual, M., Energoizdat, 1991). US 7603906 discloses a piezoelectric pressure sensor, the sensing element of which consists of at least two piezoelectric plates connected electrically in parallel. The measured pressure is perceived by the membrane, which simultaneously serves as the bottom of the sensor housing. Piezoelectric plates are fixed in the sensor housing between the membrane and electrodes that are electrically isolated from the sensor housing.
Патент US 7622851 раскрывает высокотемпературный пьезоэлектрический материал для чувствительных элементов беспроводных пьезоэлектрических устройств, предназначенных для работы при температуре 650°С, где чувствительный элемент выполнен из редкоземельного оксибората кальция и лангасита.US 7622851 discloses a high-temperature piezoelectric material for sensitive elements of wireless piezoelectric devices designed to operate at a temperature of 650 ° C, where the sensitive element is made of rare-earth calcium oxyborate and langasite.
Для пьезоэлектрических датчиков динамического давления используются различные конструкции чувствительных элементов. В силу того, что величина электрического заряда, возникающего в чувствительном элементе при воздействии на него динамического давления, пропорциональна площади поверхности, перпендикулярной к его пьезоэлектрической оси, то для увеличения величины заряда (повышения чувствительности) необходимо увеличивать геометрические размеры этих элементов. Однако увеличение геометрических размеров чувствительных элементов приводит к увеличению габаритов самих датчиков, тогда как одним из современных требований к конструкции датчиков является миниатюризация их исполнения. Миниатюризация датчиков позволяет расширять области их применения за счет снижения затрат на их инсталляцию в испытуемое оборудование. Кроме того, уменьшение геометрических размеров датчиков повышает частоту механического резонанса, что позволяет использовать датчики для контроля высокоскоростных процессов (частотой до 10000 Гц).For piezoelectric dynamic pressure sensors, various designs of sensitive elements are used. Due to the fact that the magnitude of the electric charge that arises in a sensitive element when exposed to dynamic pressure is proportional to the surface area perpendicular to its piezoelectric axis, it is necessary to increase the geometric dimensions of these elements to increase the magnitude of the charge (increase sensitivity). However, an increase in the geometric dimensions of the sensitive elements leads to an increase in the dimensions of the sensors themselves, while one of the modern requirements for the design of sensors is miniaturization of their performance. The miniaturization of sensors allows you to expand their field of application by reducing the cost of their installation in the equipment under test. In addition, reducing the geometric dimensions of the sensors increases the frequency of mechanical resonance, which allows the use of sensors to control high-speed processes (frequencies up to 10,000 Hz).
Для решения задачи по уменьшению геометрических размеров датчиков, первоначально требуется уменьшить размеры чувствительных элементов при сохранении их основных характеристик таких, как чувствительность к механическому воздействию. Для решения этой проблемы разработчики датчиков прибегают к усложнению конструкции чувствительных элементов и повышению требований по точности их изготовления.To solve the problem of reducing the geometric dimensions of sensors, it is initially required to reduce the size of sensitive elements while maintaining their basic characteristics, such as sensitivity to mechanical stress. To solve this problem, sensor developers resort to complicating the design of sensitive elements and increasing requirements for the accuracy of their manufacture.
В состав чувствительного элемента датчика давления для двигателей внутреннего сгорания входят три чувствительных элемента, каждый из которых выполнен в форме прямоугольного бруска, длина которого совпадает с направлением, отвечающим на воздействие динамического давления. Конструктивно указанные чувствительные элементы устанавливаются вертикально по отношению к мембранам датчиков, а при виде сверху образуют треугольник, при этом внутрь этого треугольника обращены стороны компонент с положительным направлением полярной кристаллографической оси X, а наружу - с отрицательным направлением оси X. Кроме того, к этим трем компонентам предъявляется очень жесткое требование по идентичности их по высоте: допуск на разброс по высоте компонент должен составлять не более ±0,5 мкм. При этом для контроля геометрического размера с точностью ±0,5 мкм требуется специальное измерительное оборудование класса точности измерения ±0,1 мкм. Это очень дорогостоящее оборудование, которое в основном используется только в исследовательских целях.The sensitive element of the pressure sensor for internal combustion engines includes three sensitive elements, each of which is made in the form of a rectangular bar, the length of which coincides with the direction corresponding to the influence of dynamic pressure. Structurally, these sensitive elements are mounted vertically with respect to the membranes of the sensors, and when viewed from above, they form a triangle, while the sides of the component with the positive direction of the polar crystallographic axis X and the outward direction with the negative direction of the X axis are turned inside this triangle. In addition, to these three the components have a very strict requirement for their identical height: the tolerance for the spread in height of the component should be no more than ± 0.5 microns. At the same time, to control the geometric size with an accuracy of ± 0.5 μm, special measuring equipment of the accuracy class ± 0.1 μm is required. This is a very expensive equipment, which is mainly used only for research purposes.
Более того, возникают сложности при измерениях длины чувствительного элемента из-за малой площади их торцовых сторон и наличия фасок по обеим сторонам торцевой поверхности. Все эти проблемы увеличивают себестоимость изготовления чувствительного элемента.Moreover, difficulties arise when measuring the length of the sensitive element due to the small area of their end faces and the presence of chamfers on both sides of the end surface. All these problems increase the cost of manufacturing a sensitive element.
По этой причине имеется потребность в промышленном производстве экономически эффективных миниатюрных чувствительных элементов, которые могли бы обеспечить работу датчиков давления при температурах не ниже 350°С и давлениях из диапазона от 0,1 МПа до 25 МПа, при этом допуск на разброс по высоте чувствительного элемента должен составлять не более ±0,5 мкм с возможностью его контроля измерительным оборудованием с ценой деления 0,001 мм.For this reason, there is a need for the industrial production of cost-effective miniature sensitive elements, which could ensure the operation of pressure sensors at temperatures not lower than 350 ° C and pressures from the range from 0.1 MPa to 25 MPa, with a tolerance on the spread in height of the sensitive element shall be not more than ± 0.5 μm with the possibility of its control by measuring equipment with a division price of 0.001 mm.
В рамках данного изобретения решается задача разработки такого способа изготовления чувствительных элементов для высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков динамического давления, который позволит получать в промышленных масштабах идентичные по геометрическим размерам микроминиатюрные чувствительные элементы, так что разброс по линейным размерам элементов составит величину не более ±0,5 мкм, без увеличения себестоимости чувствительного элемента. Решается также проблема по измерению линейных размеров элементов с указанной выше точностью без использования дорогостоящего оборудования класса точности ±0,1 мкм. Кроме того, решается также задача разработки такого способа изготовления чувствительных элементов, который позволит обеспечить высокую чувствительность датчиков динамического давления в условиях воздействия температур из диапазона от минус 60°С до плюс 650°С и давлениях из диапазона от 0,1 МПа до 25 МПа.In the framework of the present invention, the task of developing such a method for manufacturing sensitive elements for high-temperature piezoelectric dynamic pressure sensors is solved, which will make it possible to obtain on an industrial scale microminiature sensitive elements identical in geometric dimensions, so that the scatter in the linear dimensions of the elements will be no more than ± 0.5 μm, without increasing the cost of the sensitive element. The problem of measuring the linear dimensions of the elements with the above accuracy is also solved without the use of expensive equipment of accuracy class ± 0.1 μm. In addition, the task of developing such a method for manufacturing sensitive elements is also solved, which will ensure high sensitivity of dynamic pressure sensors under the influence of temperatures from the range from minus 60 ° С to plus 650 ° С and pressures from the range from 0.1 MPa to 25 MPa.
Поставленная задача решается тем, что в способе промышленного производства прецизионных пьезоэлектрических чувствительных элементов для датчиков динамического давления, работающих при температуре из диапазона от минус 60°С до плюс 650°С и давлениях из диапазона от 0,1 МПа до 25 МПа, изменяющихся с частотой не менее 10 кГц, каждый датчик формируют из трех чувствительных элементов идентичной длины, при этом каждый чувствительный элемент вырезают в форме прямоугольного бруска из термически обработанных монокристаллов галлотанталата лантана, имеющих химический состав, который может быть представлен формулой La3Ga5,5Ta0,5O14, каждый чувствительный элемент имеет кристаллографическую ориентацию (22.0), при этом длина чувствительного элемента совпадает с направлением, отвечающим на воздействие динамического давления, указанные чувствительные элементы изготавливают в едином технологическом цикле в три этапа, где на первом этапе объемный кристалл галлотанталата лантана режут вдоль кристаллографического полярного направления X с шагом, задающим толщину чувствительного элемента, на заготовки первого типа, имеющие плоскости реза кристаллографической ориентации (22.0), и шлифуют до заданной толщины и шероховатости; на втором этапе полученные заготовки первого типа с плоскостями реза X режут вдоль направления Y с шагом, задающим длину компонента вдоль оси <0.10>, на заготовки второго типа, а на третьем этапе полученные заготовки второго типа с плоскостями реза Y режут вдоль направления Z с шагом, определяющим ширину чувствительного элемента вдоль направления <00.1>, на заготовки третьего типа, при этом перед выполнением второго и третьего этапов предварительно полученные заготовки первого типа и второго типа, соответственно, склеивают в блоки и подвергают полученные блоки, состоящие, соответственно, из заготовок первого и второго типов, двухсторонней шлифовке и полировке до достижения заданного размера чувствительного элемента вдоль направления <01.0> и направления <00.1>, а после выполнения второго и третьего этапов резки указанные блоки из промежуточных заготовок первого и второго типов расклеивают и отмывают в органическом растворителе, при этом на третьем этапе получают конечный продукт в виде серии чувствительных элементов идентичной длины, каждый из которых имеет кристаллографическую ориентацию (22.0).The problem is solved in that in a method for the industrial production of precision piezoelectric sensitive elements for dynamic pressure sensors operating at temperatures from a range from minus 60 ° C to plus 650 ° C and pressures from a range from 0.1 MPa to 25 MPa, varying with frequency not less than 10 kHz, each sensor is formed of three sensitive elements of identical length, while each sensitive element is cut out in the form of a rectangular bar from heat-treated single crystals of lanthanum gallotantalate, having a chemical composition that can be represented by the formula La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 , each sensitive element has a crystallographic orientation (22.0), while the length of the sensitive element coincides with the direction corresponding to the influence of dynamic pressure, these sensitive elements They are made in a single technological cycle in three stages, where at the first stage a bulk crystal of lanthanum gallotantalate is cut along the crystallographic polar direction X with a step specifying the thickness of the sensitive element, n the first type of preform having a plane crystal orientation of the cut (22.0), and polished to a predetermined thickness and surface roughness; at the second stage, the obtained blanks of the first type with cut planes X are cut along the Y direction with a step that sets the length of the component along the axis <0.10>, into blanks of the second type, and at the third stage, the obtained blanks of the second type with cut planes Y are cut along the Z direction in increments determining the width of the sensitive element along the direction <00.1>, on the blanks of the third type, while before performing the second and third stages, the preformed blanks of the first type and second type, respectively, are glued into blocks and subjected to blocks obtained, respectively, consisting of workpieces of the first and second types, double-sided grinding and polishing until the specified size of the sensing element is reached along the direction <01.0> and direction <00.1>, and after the second and third stages of cutting, these blocks are made of intermediate blanks of the first and of the second type are glued and washed in an organic solvent, while in the third stage the final product is obtained in the form of a series of sensitive elements of identical length, each of which has a crystallographic orientation (22.0).
Монокристаллы галлотанталата лантана La3Ga5,5Ta0,5O14 имеют точечную группу симметрии 32. Целесообразно, что термически модифицированные кристаллы галлотанталата лантана имеют величину пьезоэлектрического модуля d12 равную 6,5 пКл/Н с отклонением не более ±5% в диапазоне рабочих температур от минус 200°С до 450°С. Предпочтительно, что удельное сопротивление термически модифицированных кристаллов галлотанталата лантана при температуре 250°С составляет величину не менее 1011 Ом*см, а при температуре 600°С удельное сопротивление указанных кристаллов составляет величину менее 107 Ом*см.Lanthanum gallotantalate single crystals of La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 have a point symmetry group of 32. It is advisable that thermally modified lanthanum gallotantalate crystals have a piezoelectric modulus d 12 of 6.5 pC / N with a deviation of not more than ± 5% in operating temperature range from minus 200 ° С to 450 ° С. It is preferable that the resistivity of thermally modified crystals of lanthanum gallotantalate at a temperature of 250 ° C is not less than 10 11 Ohm * cm, and at a temperature of 600 ° C the resistivity of these crystals is less than 10 7 Ohm * cm.
Кроме того, датчики динамического давления являются пьезоэлектрическими датчиками, работающими на прямом пьезоэлектрическом эффекте и выдающими электрический сигнал в ответ на динамическое давление, действующее в направлении длины чувствительного элемента. При этом чувствительность датчика, изготовленного с применением данного способа производства прецизионных чувствительных элементов из монокристаллов галлотанталата лантана La3Ga5,5Ta0,5O14, составляет величину не менее 200 пКл/МПа, температурный дрейф чувствительности при температурах работы двигателей внутреннего сгорания - не более ±5%, наработка на отказ - не менее 2,5×108 циклов, нелинейность чувствительности в диапазоне измеряемых давлений от 0,1 МПа до 25 МПа не более ±3%.In addition, dynamic pressure sensors are piezoelectric sensors that operate on the direct piezoelectric effect and produce an electrical signal in response to dynamic pressure acting in the direction of the length of the sensing element. In this case, the sensitivity of the sensor manufactured using this method for the production of precision sensitive elements from single crystals of lanthanum gallotantalate La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 is at least 200 pC / MPa, the temperature drift of sensitivity at temperatures of operation of internal combustion engines is not more than ± 5%, MTBF - not less than 2.5 × 10 8 cycles, non-linearity of sensitivity in the range of measured pressures from 0.1 MPa to 25 MPa not more than ± 3%.
Предпочтительно, что шлифованные поверхности блоков промежуточных заготовок первого и второго типов полируют алмазным абразивом с размером зерна 5-3 мкм при давлении полировальника на поверхность блоков из диапазона от 0,6 до 0,7*10-3 Па до достижения шероховатости поверхности менее 0,05 мкм.It is preferable that the polished surfaces of the blocks of intermediate blanks of the first and second types are polished with a diamond abrasive with a grain size of 5-3 microns with a polisher pressure on the surface of the blocks from a range of 0.6 to 0.7 * 10 -3 Pa until a surface roughness of less than 0 is reached. 05 microns.
Измерение геометрических размеров чувствительных элементов осуществляют в блоках микрометром МЗЦ 0-25 с ценой деления 0,001 мм.The geometric dimensions of the sensitive elements are measured in blocks with an MZC 0-25 micrometer with a division price of 0.001 mm.
Сущность данного способа производства прецизионных пьезоэлектрических чувствительных элементов для датчиков динамического давления поясняется неограниченным примером его реализации.The essence of this method of manufacturing precision piezoelectric sensitive elements for dynamic pressure sensors is illustrated by an unlimited example of its implementation.
ПримерExample
Выращенный методом Чохральского объемный монокристалл галлотантала лантана, имеющий химический состав La3Ga5,5Ta0,5O14, подвергают термической обработке. Затем режут обработанный объемный монокристалл на заготовки заданной для чувствительного элемента кристаллографической ориентации (22.0). При этом длина каждого чувствительного элемента совпадает с направлением, отвечающим на воздействие динамического давления. Указанные чувствительные элементы изготавливают в едином технологическом цикле в три этапа, где на первом этапе выращенный объемный кристалл галлотанталата лантана режут вдоль кристаллографического полярного направления X с шагом, задающим толщину чувствительного элемента 0,84 ± 0,04 мм, на заготовки первого типа. Полученные заготовки первого типа имеют плоскости реза кристаллографической ориентации (22.0). Плоскости реза заготовок первого типа шлифуют до заданной толщины и шероховатости. Затем на втором этапе полученные заготовки первого типа с плоскостями реза X режут вдоль направления Y с шагом, задающим длину чувствительного элемента вдоль кристаллографической оси <0.10>, на заготовки второго типа. На третьем этапе полученные заготовки второго типа с плоскостями реза Y режут вдоль направления Z с шагом, определяющим ширину чувствительного элемента вдоль направления <00.1> на заготовки третьего типа. Перед выполнением второго и третьего этапов предварительно полученные заготовки первого типа и второго типа, соответственно, склеивают в блоки и подвергают полученные блоки, состоящие, соответственно, из заготовок первого и второго типов, двухсторонней шлифовке и полировке до достижения заданного размера чувствительного элемента вдоль направления <01.0> и <00.1>. После выполнения второго и третьего этапов резки указанные блоки из промежуточных заготовок первого и второго типов расклеивают и отмывают в органическом растворителе, при этом на третьем этапе получают конечный продукт в виде серии чувствительных элементов идентичной длины, каждый из которых имеет кристаллографическую ориентацию (22.0).Grown by the Czochralski method, a bulk single crystal of lanthanum gallotantal having the chemical composition La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 is subjected to heat treatment. Then, the processed bulk single crystal is cut into blanks of the crystallographic orientation specified for the sensitive element (22.0). In this case, the length of each sensitive element coincides with the direction corresponding to the effect of dynamic pressure. These sensitive elements are made in a single technological cycle in three stages, where at the first stage the grown bulk crystal of lanthanum gallotantalate is cut along the crystallographic polar direction X with a step specifying the thickness of the sensitive element 0.84 ± 0.04 mm, into blanks of the first type. The obtained blanks of the first type have cut planes of crystallographic orientation (22.0). The cutting planes of the blanks of the first type are ground to a predetermined thickness and roughness. Then, at the second stage, the obtained blanks of the first type with cut planes X are cut along the Y direction with a step specifying the length of the sensitive element along the crystallographic axis <0.10>, into blanks of the second type. At the third stage, the obtained blanks of the second type with cut planes Y are cut along the Z direction with a step that determines the width of the sensing element along the direction <00.1> into blanks of the third type. Before performing the second and third stages, the preliminarily obtained blanks of the first type and the second type, respectively, are glued into blocks and subjected to the obtained blocks, consisting, respectively, of blanks of the first and second types, double-sided grinding and polishing until the specified size of the sensitive element is reached along the direction <01.0 > and <00.1>. After the second and third stages of cutting are completed, these blocks from intermediate blanks of the first and second types are glued and washed in an organic solvent, and in the third stage, the final product is obtained in the form of a series of sensitive elements of identical length, each of which has a crystallographic orientation (22.0).
Пакеты заготовок шлифуются на чугунных полировальниках с использованием смазочно-охлаждающих суспензий (СОЖ) на основе ККЗ (карбида кремния зеленого) зернистостью Ml0 или F800 и на основе электрокорунда белого зернистостью Ml0 или F800. Контроль геометрических размеров блоков выполняют микрометром МЗЦ 0-25 с ценой деления 0,001 мм. Пакеты заготовок 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 поверхности блоков заготовок, задают из диапазона 0,6-0,7*10-3 Па. Шероховатость поверхности Ra получают менее 0,05 мкм. Шероховатость поверхности измеряют прибором для контроля геометрии поверхности Форм Талисерф Инфра компании Taylor Hobson.Packages of blanks are ground on cast iron polishers using cutting lubricants (coolant) based on KKZ (green silicon carbide) with Ml0 or F800 grit and based on white electrocorundum with Ml0 or F800 grit. The control of the geometric dimensions of the blocks is performed with an MZC 0-25 micrometer with a division price of 0.001 mm. Packages of blanks are polished on a suspension consisting of AFM 5/3 (synthetic normal abrasive diamond with a grain size of the main fraction of 5-3 microns) and deionized water. The pressure created by the polishing pad on the surface of the blocks of the workpieces is set from the range of 0.6-0.7 * 10 -3 Pa. The surface roughness Ra receive less than 0.05 microns. Surface roughness is measured with a Taylor Hobson Form Taliserf Infra Surface Geometry Instrument.
Каждый датчик давления формируют из трех чувствительных элементов идентичной длины, при этом чувствительные элементы электрически связывают между собой параллельно и устанавливают в корпусе датчика вертикально относительно его мембран.Each pressure sensor is formed of three sensitive elements of identical length, while the sensitive elements are electrically connected together in parallel and mounted vertically relative to its membranes in the housing of the sensor.
Ранее функции контроля геометрических размеров микроминиатюрных пьезоэлектрических элементов были доступны только дорогому измерительному оборудованию класса точности измерения ±0,1 мкм. Данный способ позволяет отказаться от дорогого измерительного оборудования. Благодаря данному способу стало возможным осуществлять контроль геометрических размеров микроминиатюрных чувствительных элементов в блоках с использованием микрометров с ценой деления 0.001 мм.Previously, the functions of controlling the geometric dimensions of microminiature piezoelectric elements were available only to expensive measuring equipment with a measurement accuracy class of ± 0.1 μm. This method allows you to abandon expensive measuring equipment. Thanks to this method, it became possible to control the geometric dimensions of microminiature sensitive elements in blocks using micrometers with a division value of 0.001 mm.
Коммерческое преимущество данного способа состоит в том, что отсутствует необходимость использовать дорогое прецизионное измерительное оборудование, кроме того данный способ позволяет получать в промышленных масштабах идентичные по геометрическим размерам микроминиатюрные чувствительные элементы, так что разброс по линейным размерам чувствительных элементов составляет величину не более ±0,5 мкм.The commercial advantage of this method is that there is no need to use expensive precision measuring equipment, in addition, this method allows to obtain on an industrial scale identical microminiature sensitive elements, so that the spread in linear dimensions of the sensitive elements is not more than ± 0.5 microns.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110606A RU2626080C1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110606A RU2626080C1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2626080C1 true RU2626080C1 (en) | 2017-07-21 |
Family
ID=59495713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016110606A RU2626080C1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626080C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748973C1 (en) * | 2020-11-18 | 2021-06-02 | Акционерное Общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛЫ" | Method for manufacturing single-crystal sensing elements for high-voltage optical measuring voltage transformers |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070277618A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-06 | Dietmar Kroeger | Piezoelectric sensor |
| US7622851B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-11-24 | The Penn State Research Foundation | High temperature piezoelectric material |
| WO2010112992A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-07 | Schlumberger Technology B.V. | Pressure transducer with piezoelectric resonator |
| JP4794185B2 (en) * | 2005-03-10 | 2011-10-19 | シチズンファインテックミヨタ株式会社 | Pressure sensor |
| RU2475892C2 (en) * | 2007-07-03 | 2013-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Thin-film detector for presence detection |
-
2016
- 2016-03-23 RU RU2016110606A patent/RU2626080C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4794185B2 (en) * | 2005-03-10 | 2011-10-19 | シチズンファインテックミヨタ株式会社 | Pressure sensor |
| US7622851B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-11-24 | The Penn State Research Foundation | High temperature piezoelectric material |
| US20070277618A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-06 | Dietmar Kroeger | Piezoelectric sensor |
| RU2475892C2 (en) * | 2007-07-03 | 2013-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Thin-film detector for presence detection |
| WO2010112992A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-07 | Schlumberger Technology B.V. | Pressure transducer with piezoelectric resonator |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2748973C1 (en) * | 2020-11-18 | 2021-06-02 | Акционерное Общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛЫ" | Method for manufacturing single-crystal sensing elements for high-voltage optical measuring voltage transformers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gautschi et al. | Piezoelectric sensors | |
| Narasimhan et al. | Micromachined high-g accelerometers: A review | |
| CN110501098B (en) | A Highly Sensitive Micro-Pressure Sensor Based on Dual Pressure Films and Weakly Coupled Resonant System | |
| CN111289156A (en) | Differential silicon micro-resonance type pressure sensor based on electrostatic excitation piezoresistive detection | |
| CN107873081A (en) | Method and device for electrical force measurement by means of insulating thin layers | |
| CN102288354A (en) | Piezo-resistive pressure sensor | |
| CN106644195A (en) | High-temperature and large-range silicon-sapphire pressure sensor structure | |
| Zhang et al. | A film bulk acoustic resonator-based high-performance pressure sensor integrated with temperature control system | |
| RU2626080C1 (en) | Method of industrial production of precision piezoelectric sensing elements | |
| Madhavi et al. | Design of a piezoresistive micropressure sensor using finite element analysis | |
| US7658111B2 (en) | Sensors with high temperature piezoelectric ceramics | |
| Paliwal et al. | Fabrication and testing of a Hall effect based pressure sensor | |
| CN101694409A (en) | Method for manufacturing all-silica pressure chips of SOI oil pressure sensor | |
| RU190637U1 (en) | High-temperature thermostable accelerometer sensitive element | |
| RU136189U1 (en) | MAGNETIC FIELD SENSOR | |
| CN114485908B (en) | Vibration measurement IC chip based on micro-electromechanical system | |
| Sandrimani et al. | Design and simulation of silicon on insulator based piezoresistive pressure sensor | |
| CN111595511B (en) | Full-range vacuum gauge and testing method thereof | |
| CN213023334U (en) | Polysilicon piezoresistive coefficient test structure | |
| CN201772965U (en) | Soi engine oil pressure sensor | |
| CN102507979A (en) | Micro acceleration sensor of contact type capacitance | |
| Li et al. | Design and Prototyping of a Combined Sensor for Vibration and Temperature Measurement in High-Temperature Environments | |
| Hong et al. | Capacitive sensor fusion: Co-fabricated X/Y and Z-axis accelerometers, pressure sensor, thermometer | |
| Dong et al. | A Novel Self-Sensing Stacking Piezoelectric Actuator Based on Structural Integration | |
| Du et al. | A polycrystalline SiC-on-Si architecture for capacitive pressure sensing applications beyond 400 C: Process development and device performance |