Совершенствование конструктивно-технологических параметров многослойных пьезоэлектрических пьезоактюаторов

• Автор: Чернов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.11.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 213 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Общая характеристика работы
1. Аналитический обзор
2. Физические основы проектирования многослойных пьезоэлектрических
актюаторов
3. Разработка конструкций и технологий изготовления многослойных
пьезоэлектрических актюаторов
3.1. Выбор пьезокерамического материала
3.2. Конструкция и технология изготовления дисковых пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа I и II
3.3. Исследование параметров пьезоэлементов
3.4. Конструкция и технология изготовления многослойных пьезоэлементов для пьезоактюаторов типа III. Предельные параметры
3.5. Технология изготовления многослойного пьезоэлемента
3.6. Конструкции пьезоактюаторов
3.7. Герметизация пьезоактюаторов
3.8. Технология изготовления многослойного пьезоактюатора типа
3.9. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа II
ЗЛО. Технология изготовления многослойных пьезоактюаторов типа III
4. Электрофизические и эксплуатационные параметры многослойных
пьезоэлектрических актюаторов
4.1. Разработка методик измерений и испытаний многослойных пьезоэлектрических актюаторов
4.2. Исследование электрофизических и эксплутационных параметров многослойных пьезоэлектрических актюаторов
4.3. Твердотельные многослойные пьезоэлектрические генераторы — перспективные пьезоактюаторы
Заключение
Литература
Приложение 1. Список основных публикаций автора по теме диссертации
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее, время осуществляется широкое внедрение пьезоактюаторов в различные области науки и техники, диапазон применения которых варьируется от создания микромеханических устройств и систем адаптивной оптики до устройств снижения уровня шума и вибраций различных технических конструкций.
В России исследования в данной области проводятся с 1980 года. Особенно интенсивно велись работы в период создания мощных лазеров, когда были разработаны и внедрены в производство ряд пьезоактюаторов для адаптивной оптики. Сегодня выдвигаются новые требования к пьезоактюагорам: снижение массогабаритных показателей, повышение
быстродействия и надежности, ужесточение требований к механикоклиматическим воздействиям. Все это требует развития новых направлений в пьезоэлектрическом приборостроении, таких как разработка высокоэффективных пьезокерамических материалов, совершенствование конструкций пьезопреобразователей, создание принципиально новых технологий изготовления пьезоэлектрических актюаторов. Наиболее широко анализ различных типов пьезоактюаторов освещен в работе под редакцией А.Е. Панича «Пьезокерамические актюаторы», где дано определение пьезоактюатора как пьезомеханического устройства, предназначенного для приведения в действие механизмов, систем или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта.
Рядом зарубежных фирм: Morgan Е. С, Ceram Tec. AG, Piesomechanik GmbH, Physik Inst. GmbH, Pieso Kinetic TRS Cer., Noliac, APC Inter btd, Pieso System, NEK TOKIN, Noliac и т.д., ведутся исследования и разработки, направленные на создание нового поколения пьезоактюаторов многослойной конструкции с применением последних достижений науки и техники, обеспечивающие их широкое применение. Наиболее востребованы многослойные пьезоактюаторы для изготовления быстродействующих

клапанов и устройств впрыска топлива в современных двигателях, узлов точного позиционирования технологического оборудования и адаптивной оптики, систем автоюстировки, подстройки лазерных зеркал и оптиковолоконных линий связи, интеллектуальных устройств компенсации вибраций летательных аппаратов, станков, оборудования и транспортных средств, пьезоприводов зеркал, фар и регулировки сидений современных автомобилей.
Созданы и реализуются в различных устройствах науки и техники пьезоактюаторы общего назначения: в туннельной микроскопии, нано- и микросистемной технике и нанотехнологиях. Применение же пьезоактюаторов в специальной технике становится возможным только при детальном исследовании их параметров в жестких условиях эксплуатации с обязательной оптимизацией конструкций и разработкой технологий создания многослойных пьезоактюаторов.
Таким образом, представляется перспективной и актуальной задача создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов двойного применения: как для спецтехники, так и для народного хозяйства.
Объектом исследования диссертационной работы является совершенствование конструкции и инновационные технологии создания многослойных пьезоэлектрических актюаторов.
Предмет исследования: решение научной задачи по совершенствованию конструкций и развитию инновационных технологий создания пьезоэлектрических актюаторов многослойных конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Проведение анализа характеристик пьезокерамических материалов, используемых в России и за рубежом для изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов и разработка требований к этим материалам, которые должны обладать высокой эффективностью и технологичностью в производстве;

Существенным недостатком пакетных пьезоактюаторов является сложность технологии сборки модульных элементов в пакет, механизировать же процесс сборки весьма затратно при мелкосерийном производстве. Для удовлетворения запросов промышленности необходимо разработать конструкцию пьезоактюатора, обеспечивающего работу при напряжении менее 100 В и технологию литьевого производства - технологию изготовления электронных компонентов. Уникальное сочетание пьезокерамической и многослойной технологии (технологии создания многослойных конденсаторов) позволяют создавать многослойные (толщина слоя 25 — 100 мкм) монолитные конструкции пьезоэлектрических актюаторов, обладающих рядом преимуществ по сравнению с пакетными пьезоактюаторами:
- очень тонкие керамические слои позволяют создавать большие перемещения при низких напряжениях возбуждения (10-60 В);
- высокая интенсивность электрического поля (до 3000 В/мм) позволяет получить большую величину перемещения на единицу объема;
- малая мощность потребления;
- надежная работа в жестких условиях благодаря использованию встроенных электродов;
- высокое быстродействие (типовое значение 10 мсек);
-гибкий дизайн рисунка внутренних электродов и положения внешних выводов;
- отсутствие электромагнитных шумов;
- низкая себестоимость.
Кроме того, использование в многослойной технологии последних достижений, таких как масочная печать и прецизионная резка, позволяет изготавливать пьезоактюаторы любой формы и размера с учетом требований наиболее жестких случаев применения.
Малая потребляемая мощность и малые размеры делают их особенно привлекательными в области МЭМС-технологий, так как технологический процесс близок к технологии изготовления изделий микроэлектроники.