7.3.2. Технологія виготовлення п’єзоелементів

П’єзокерамічні елементи для частоти понад 2 МГц зазвичай мають товщину меншу за 1 мм, а для частот, що перевищує 20 МГц, виготовити перетворювачі за звичайною технологією досить складно. Керамічні заготівки малої товщини не мають достатньої міцності і, як правило, пошкоджуються під час маніпуляцій, пов'язаних з поляризацією і виготовленням самої конструкції шукача.

Ефективним є використання розпилювання великих поляризованих заготівок п’єзокераміки на п’єзоелементи заданих розмірів. Нижче наведено технологічні схеми виготовлення керамічних п’єзоелементів з поздовжнім і поперечним ефектами і ефектом зсуву. Ці схеми дають змогу передусім краще розуміти самий принцип збудження різних типів хвиль.

Розглянемо наочну схему послідовності операцій з виготовлення п’єзоелементів з поперечним п’єзоефектом (поперечним щодо електричного збудження) (рис.7.22).

Рис. 7.22. Послідовність операцій виготовлення

п’єзоелементів з поперечним п’єзоефектом

На п’єзокерамічну заготівку із сегнетоелектрика після спікання наносяться електроди методом випалювання срібла зі срібної пасти. Потім заготівка проходить стадію поляризації. Поляризаційні властивості кераміці додає поляризація постійною напругою. Напруженість поля для поляризації п’єзокераміки з ЦТС за холодної поляризації для малої товщини п’єзоелемента досягає . Гаряча поляризація (за температури близької до точки Кюрі) ефективна і за напруженості . Оскільки міцність повітря менша за , то поляризацію проводять в рідкому діелектрику. Проте крайовий ефект, що підсилюється у загострених електродах, погіршує поляризаційні характеристики п′єзоелементів.

Поляризовану заготівку розпилюють на пластини заданої товщини вздовж напряму поляризації. Тепер на поверхні пластини наносяться нові електроди, що використовують для збудження електричного поля, а первинні електроди знімаються.

Слід зазначити, що для отримання поперечного п′єзоефекту наносять два типи електродів. Перші електроди, нанесені методом впалювання срібної пасти, необхідні для проведення поляризації. Потім срібні електроди видаляють і наносять вторинні електроди на інші дві поверхні п′єзоелемента, як показано на рис.7.22. Ці електроди необхідні для створення збуджувального поля і, крім того, для контакту з іншими поверхнями. Для їх нанесення не можна використовувати метод впалювання срібної пасти за температури 800 °С, оскільки це викличе деполяризацію п′єзоелементів.

Наносити вторинні електроди можна розпиленням металевого срібла у вакуумі, ультразвуковим лудінням і хімічним покриттям. Нанесені методом вакуумного розпилення електроди мають незначну міцність зчеплення з керамікою, і тому неможливо їх паяти. Застосовують також хімічне нікелювання, що полягає у відновленні нікелевих солей на поверхні кераміки за допомогою гіпофосфату натрію або калію, і індіювання, що полягає в гальванічному покритті кераміки індієм.

Послідовність операцій виготовлення п’єзоелементів з поздовжнім п’єзоефектом і ефектом зсуву ілюструють рис. 7.23 і .7.24. Як видно з рис.7.24 послідовність операцій виготовлення п’єзоелементів з ефектом зсуву аналогічна раніше розглянутій, окрім напрямів розпилювання (під кутом 34,5° від напряму поляризації).

У процесі виготовлення п’єзоелементів з поздовжнім п’єзоефектом поляризацію провадять на кінцевому етапі після нанесення електродів збуджувального електричного поля.

Рис. 7.23. Послідовність операцій виготовлення п’єзоелементів з п’єзоефектом зсуву

Рис. 7.24. Послідовність операцій виготовлення

п’єзоелементів з поздовжнім п’єзоефектом

До складу п′єзоперетворювачів також може бути включена синтетична плівка полівініліденфторід (ПВДФ), що займає особливе положення, оскільки його структура несумісна зі структурою кераміки або кристалів. Тому його константи, наведені в табл. 7.2, у деяких випадках мають абсолютно інші значення, ніж усі інші п′єзоматеріали. Попри дуже низький електромеханічний коефіцієнт зв'язку ( ) та з огляду на деякі інші унікальні властивості він становить інтерес для контролю матеріалів. Низькі значення звукового опору , механічної добротності і діелектричної проникності дозволяють виготовляти з нього високоякісні і добре демпфовані випромінювачі.

Проте головна його перевага в тому, що з нього можна виготовляти гнучкі плівки завтовшки декілька тисячних часток міліметра. Особливо зручні такі плівки для виготовлення ультразвукових концентраторів для акустичних мікроскопів, оскільки дозволяють уклеювати їх на внутрішню поверхню сферичного твердотільного меніска.

Інші п’єзоелектричні матеріали такої товщини взагалі не можна використовувати зважаючи на їх крихкість, тоді як ПВДФ це не стосується – з нихбез яких-небудь утруднень можна виготовити акустичні перетворювачі на частоти до сотень мегагерців. Із класичних п’єзокерамічних матеріалах це досягається в кращому разі до частоти 20 МГц.

Перетворювачі з одних речовин (наприклад, ЦТС) мають кращі показники при випромінюванні (більше значення ). Проте як приймач звукового тиску більш ефективний полівініліденфторид (більше значення ).

З міркувань механічного демпфування та забезпечення акустичного контакту бажано мати низький звуковий опір перетворювача. Оскільки в разі випромінювання в рідину (наприклад, за рідкого акустичного контакту з твердим тілом) ефективний звуковий опір складає всього декілька мільйонів , кераміка ЦТС і титанат барію виявляються недостатньо ефективними; висока їх чутливість не може бути використана. Метаніобат свинцю, сульфат літію і ПВДФ виявляються набагато ефективнішими. Це стосується й випадку, коли один і той самий перетворювач є одночасно і випромінювачем, і приймачем.