ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
НА ОСНОВЕ БЕССВИНЦОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ 

Кикот Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник центра пьезопроизводства, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), E-mail: distorsion@rambler.ru
Чебурахин Игорь Николаевич, главный технолог, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), E-mail: distorsion@rambler.ru
Кошкин Глеб Александрович, инженер-технолог, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), E-mail: distorsion@rambler.ru
Волков Вадим Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), E-mail: distorsion@rambler.ru
Андреев Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, E-mail: distorsion@rambler.ru 

621.3.032, 666.638 

DOI

10.21685/2307-5538-2019-2-7 

Актуальность и цели. Целью исследования является анализ влияния легирующих элементов на пьезоэлектрический модуль и удельное электрическое сопротивление высокотемпературной бессвинцовой керамики системы титанатаниобата висмута (ТНВ) при изготовлении чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков давления.
Материалы и методы. Изготовлены макеты пьезоэлементов, легированные хромом, гадолинием и молибденом. Определен характер зависимости электрофизических характеристик ТНВ от содержания легирующих элементов.
Результаты. Выдвинуты предположения о механизмах влияния легирующих добавок на электрофизические свойства пьезокерамики системы ТНВ. Показано, что введение хрома позволяет увеличить пьезомодуль материала, введение молибдена позволяет повысить высокотемпературное удельное электрическое сопротивление ТНВ, скомпенсировав при этом падение сопротивления, вызванное введением хрома при сохранении повышенного пьезомодуля.
Выводы. Введение хрома и молибдена позволяет вдвое увеличить коэффициент преобразования пьезоэлектрического датчика за счет увеличения пьезомодуля d33 при сохранении рабочей температуры не менее 700 °C. 

Ключевые слова

пьезоэлектрический датчик давления, чувствительный элемент, пьезоэлемент, бессвинцовая пьезокерамика, пьезоэлектрический модуль, удельное электрическое сопротивление, титанат-ниобат висмута 

 Скачать статью в формате PDF

1. Богуш, М. В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Пьезоэлектрическое приборостроение / М. В. Богуш. – Ростов-на-Дону : СКНЦ ВШ, 2006. – Т. 3. – 346 с.
2. Датчики. Преобразователи. Системы. Каталог АО «НИИФИ». – Пенза : Пензенская правда, 2011. – С. 70–98.
3. Мельников, А. А. Система контроля состояния пьезоэлектрических датчиков давления / А. А. Мельников, Б. В. Цыпин, К. И. Бастрыгин, В. В. Кикот // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 4 (10). – С. 29–34
4. Бастрыгин, К. И. К вопросу о коррекции температурной погрешности в пьезоэлектрических датчиках давления / К. И. Бастрыгин, В. В. Кикот // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 2 (8). – С. 25–30.
5. Баринов, И. Н. Компенсация дополнительной погрешности полупроводниковых датчиков давления, эксплуатирующихся при повышенной температуре / И. Н. Баринов, В. С. Волков, В. В. Кикот, С. К. Сигалаев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2015. – № 10. – С. 34–39.
6. Кикот, В. В. Коррекция температурной погрешности пьезоэлектрического датчика динамического давления в условиях термоудара / В. В. Кикот, В. П. Маланин, М. А. Щербаков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2016. – № 3 (39). – С. 105–113.
7. Чебурахин, И. Н. Коррекция температурной погрешности, аппроксимация градуировочных характеристик чувствительных элементов датчикопреобразующей аппаратуры с внутридатчиковой электроникой / И. Н. Чебурахин, Д. И. Нефедьев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2015. – № 4 (14). – С. 32–41.
8. Кучумов, Е. В. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры / Е. В. Кучумов, И. Н. Баринов, В. С. Волков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 2 (8). – С. 58–65.
9. Применение пьезоструктур для создания струнного измерительного преобразователя на основе автоколебательной системы / Е. В. Кучумов, И. Н. Баринов, В. С. Волков, С. А. Гурин, С. П. Евдокимов // Измерительная техника. – 2015. – № 6. – С. 49–52.
10. Кривцов, В. А. Высокотемпературные акустические датчики с органосиликатной изоляцией / В. А. Кривцов, Р. Ф. Масагутов. – Ленинград : Наука, 1982. – 167 с.
11. Кошкин, Г. А. Исследование влияния германия на стабильность электрофизических свойств сегнетомягкой пьезокерамики / Г. А. Кошкин // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Шляндинские чтения–2018» (Пенза, 19–21 ноября). – Пенза, 2018. – С. 144–146.
12. Pak, Ch. G. Investigation of the influence of shock activation on main properties of piezoelectric ceramics / Ch. G. Pak, A. V. Pryshchak, G. A. Koshkin // Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations : 14th International Symposium (Saint Petersburg, 14–18 may 2018). – Saint-Petersburg, 2018. – P. 162–163.
13. Исследование возможностей повышения пьезоактивности высокотемпературных пьезоэлементов / А. И. Спицин, Д. А. Добрынин, А. М. Храмцов, А. Г. Сегалла, А. А. Буш // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения : материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Москва, 2015. – Ч. 3. – С. 27–31.
14. Nanao, M. Piezoelectric Properties of Bi 3 TiNbO 9 –BaBi 2 Nb 2 O 9 Ceramics / M. Nanao, M. Hirose, T. Tsukada // Japanese Journal of Applied Physics. – 2001. – Т. 40, № 9S. – С. 5727.
15. Heywang, W. Tailoring of Piezoelectric Ceramics / W. Heywang, H. Thomann // Annual Review of Materials Science. – 1984. – Т. 14, № 1. – С. 27–47.