Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность
электромеханического преобразования в сочетании с
механической, электрической и температурной прочностью и
технологической отработанностью серийного изготовления
пьезокерамических материалов и преобразователей
обуславливают широкое использование пьезокерамики. Достаточно привести примеры использования пьезокерамики в гидроакустике (ультразвуковые излучатели и приемники), в приборах контроля (дефектоскопы, расходомеры, толщиномеры), в устройствах частотной селекции (резонаторы для фильтров, дискриминаторы), для различных датчиков (давления, вибрации, сейсмической активности, угловых скоростей), для пьезотрансформаторов, актюаторов и др.
Применение пьезоэлектрической керамики в новых и совершенствование потребительских свойств существующих устройств сопровождается существенными затратами на разработки конструкции и технологии пьезокерамических изделий.
Экспериментальные исследования зависимостей
потребительских свойств пьезокерамических изделий от их
конструкции, параметров пьезокерамического материала и
технологии представляют собой сложную и трудоемкую задачу,
являющуюся итерационным процессом с большими затратами
времени и ресурсов. Поэтому разработка математических
моделей, учитывающих электроупругие свойства пьезокерамики,
и их применение в специализированных системах
автоматизированного проектирования (САПР)
пьезокерамических элементов представляется весьма актуальной. Современные САПР, использующие различные математические методы, в частности метод конечных элементов (МКЭ), обладают большими возможностями для решения подобных задач.
В настоящей диссертационной работе были разработаны математические модели нескольких типов пьезокерамических элементов, которые используются: в фильтрах промежуточной
частоты (ПЧ) аппаратуры низовой радиосвязи, в ингаляторах в качестве ультразвуковых фокусирующих излучателей, в датчиках угловых скоростей, где они являются чувствительными элементами.
В результате проведенных исследований определены зависимости эксплуатационных параметров пьезоэлементов от формы, геометрических размеров и различных технологических дефектов, а также найдены новые конструктивные исполнения пьезоэлементов, которые подтверждены экспериментально и позволили повысить технический и технологический уровень изделий.
Объектом исследования диссертационной работы
являются математические модели электроупругих структур для
САПР пьезокерамических элементов: резонаторов,
использующихся в фильтрах ПЧ аппаратуры низовой радиосвязи, ультразвуковых фокусирующих пьезоэлементов, чувствительных элементов малогабаритных вибрационных датчиков угловых скоростей.
Целью диссертационной работы является:
разработка математических моделей электроупругих структур на основе трехмерной краевой задачи, решаемой методом конечных элементов, и их применение в специализированных САПР;
исследование с помощью построенных моделей зависимостей эксплуатационных параметров от изменения формы и дефектов в пьезокерамических элементах;
определение технологических допусков и выработка рекомендаций по совершенствованию технологического процесса.
Задачами диссертационной работы являются:
разработка математической модели электроупругих пьезокерамических структур произвольной формы;
создание программ расчета основных параметров пьезоэлементов прямоугольной, цилиндрической и сферической
формы;
моделирование пьезокерамических элементов в виде резонаторов для фильтров ПЧ нового поколения;
исследование характеристик ультразвуковых фокусирующих излучателей;
моделирование чувствительных элементов малогабаритных вибрационных датчиков угловых скоростей;
определение допусков к технологическим дефектам, возникающим на стадии изготовления перечисленных пьезокерамических элементов, которые не приводят к недопустимому снижению их параметров;
практическая реализация полученных результатов.
Методы исследования. Для решения основных задач по теме диссертационной работы использовался метод конечных элементов в приложении к уравнениям состояния и движения электроупругих структур, аналитические и экспериментальные методы исследования пьезоэлектрической керамики.
Достоверность исследований, теоретических и
экспериментальных результатов, полученных математических
моделей обусловлена корректностью исходных положений,
обоснованным выбором методов исследования и подтверждается
положительными технологическими испытаниями и
экспериментальными образцами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны математические модели электроупругих структур из пьезокерамики прямоугольной, цилиндрической и сферической формы, позволяющие учитывать дефекты их формы, вызванные технологическими факторами на этапе изготовления;
повышение эффективности САПР устройств на основе пьезокерамических элементов благодаря использованию более точных моделей этих элементов;
исследование с помощью полученных моделей
электроупругих структур новых конструкций пьезокерамических элементов (резонаторов в виде квадратных пластин с пропилами для фильтров ПЧ поверхностного монтажа, ультразвуковых фокусирующих излучателей сферической формы с плоским участком в середине);
- разработка методики балансировки малогабаритных
вибраторов датчиков угловых скоростей.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в выработке и реализации технических решений:
уменьшение массогабаритных показателей резонаторов для пьезокерамических фильтров поверхностного монтажа; указанные фильтры обладают приблизительно в 2,5 раза меньшими размерами по сравнению с традиционными и нашли применение в тракте ПЧ радиостанций низовой радиосвязи.
разработка способа подстройки частоты резонаторов, что позволило усовершенствовать технологический процесс, увеличив в 2 раза процент выхода годных;
повышение эффективности работы ингаляторов за счет использования ультразвукового фокусирующего элемента в виде части сферической оболочки с плоским участком в середине; объем испаряющейся жидкости при использовании такого пьезоэлемента увеличивается в 1,3 раза (заявка на изобретение № 2006124170/14, на которую получено уведомление о положительном результате проведения формальной экспертизы);
разработка принципов автоматизированной балансировки чувствительного элемента для серийного производства пьезокерамических вибрационных датчиков угловых скоростей.
Внедрение результатов работы. Результаты
диссертационной работы использованы при выполнении опытно-конструкторских работ:
"Разработка серии пьезокерамических фильтров для навесного и поверхностного монтажа", "Разработка сферических ультразвуковых излучателей", "Разработка пьезокерамического гироскопа с разрешающей способностью не хуже 0,1град/с и
угловой скоростью до 200 град/с", "Разработка базовых конструкций и технологий малогабаритных пьезокерамических биморфных гироскопов" и внедрены в производство ОАО «Элпа».
На защиту выносятся следующие положения, полученные лично автором:
математическая модель электроупругих пьезокерамических структур произвольной формы;
результаты моделирования пьезокерамических элементов различной формы;
результаты исследования характеристик ультразвуковых фокусирующих излучателей и чувствительных элементов малогабаритных вибрационных датчиков угловых скоростей;
новые конструктивно-технологические решения в виде резонаторов, применяемых в фильтрах ПЧ, в виде пьезокерамических квадратных пластин с пропилами;
результаты моделирования пьезоэлементов для фокусирующего ультразвукового излучателя, выполненные в виде части сферической оболочки с плоским участком в вершине;
методика балансировки чувствительных элементов в виде биморфных вибраторов для датчиков угловых скоростей;
результаты математического моделирования и исследования влияния технологических дефектов, возникающих при производстве пьезокерамических элементов, на эксплуатационные характеристики фильтров, ультразвуковых излучателей и чувствительных элементов датчиков угловых скоростей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на специализированных конференциях:
1. 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2005» - г. Зеленоград, МИЭТ, 2005 г.
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2006" - г. Зеленоград, МИЭТ, 2006 г.
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» («Пьезотехника-2005»), г. Ростов-на-Дону, Азов, 2005 г.
Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», г. Ростов-на-Дону, 2006 г.
5. Материалы диссертационной работы докладывались в
рамках проводимых ОАО «Элпа» научно-технических советов и
защит ОКР.
Публикации. Материалы, отражающие результаты исследований по теме работы, опубликованы в 3-х научно-технических отчетах по опытно-конструкторским работам в ОАО «Элпа», в трех статьях и пяти научных докладах в трудах Всероссийских и Международных конференций. Публикации выполнены в соавторстве с Гуреевым А.В., Головниным В.А., Черных Г.Г., Сафроновым А.Я., Никифоровым В.Г. Без соавторов опубликованы две работы. Список публикаций приведен в конце работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 93 страницы основного текста, 39 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 94 наименований и 3 приложений.
