История развития пьезоэлектрического приборостроения

Развития пьезоэлектрического приборостроения тесно связано со становлением функциональной электроники и многочисленных приборов, систем и технологий, связанных с ультразвуком.

Пьезоэлектричество (ПЭ) сразу же после его открытия привлекло к себе внимание многих исследователей. Примерно к 1910г. немецким ученым Фогтом уже была разработана феноменологическая теория ПЭ, не потерявшая, в определенной степени, свое значение и до сих пор.

Начало практического использования ПЭ связывают с именем П. Кюри, который впервые использовал пластинку кварца в качестве датчика радиоактивного излучения. Одним из первых практических приборов, основанных на использовании ПЭ, был сейсмограф, созданный в России Б. Б. Голицыным в 1915г. В военных целях для обнаружения подводных лодок П. Ланжевен разработал ультразвуковой прибор (эхолот), ставший впоследствии прообразом различных гидроакустических систем. Основу прибора составляли кварцевые пластинки.

Далее последовали на основе ПЭ разработки для телефонов, стабилизаторов и кварцевых генераторов частоты. Впервые, такой базовый элемент функциональной пьзоэлектроники, как пьезотрансформатор, был предложен У. Кэди в 30-х годах XX века.

В России родиной ПЭ становится Санкт-Петербург. Именно там, в 1927 году состоялась первая Всесоюзная конференция по использованию ПЭ колебаний. Основой промышленного производства пьезоэлектриков (в те годы - кварца) стал трест № 13, на базе которого в 1941г. был организован завод. Этот завод после войны был преобразован в Центральную Научно-исследовательскую Лабораторию Пьезотехники (НИИЛП), а в 1960г. в Научно-исследовательский Институт Пьезотехники (НИИП), в последующем Научно Производственное Объединение "Фонон", предприятие "ЭЛПА".

Конец 40-х годов ознаменовался открытием ПЭ-свойств у поляризованной керамики титаната бария и последующим бурным открытием целого ряда новых материалов класса сегнетоэлектриков. Одним из ведущих центров по исследованию и открытию новых сегнетоэлектриков был Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе.

Крупные научные исследования в эти и последующие годы проводились в различных отраслевых НИИ и крупнейших вузах страны в Ленинграде, Москве, Киеве, Ростове-на-Дону, Томске и других городах.

С 70-х годов ХХ века основу большинства приборов, устройств и систем с использованием ПЭ-явлений и эффектов составляют пьезокерамические материалы (ПКМ), а именно твердые растворы цирконата-титаната свинца (ЦТС, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками.

Был разработан ряд групп, включающих "сегнетомягкие", "сегнетосредние" и "сегнетожесткие" ПКМ и группы ПКМ по их преимущественному признаку применения (например, для частотно-селективных устройств и т. п.), а также высокотемпературные ПКМ, электрооптические и пироэлектрические материалы. Номенклатура изделий, изготавливаемых только, например, предприятием "ЭЛПА", насчитывала 9 групп — это элементы из ПКМ, фильтры, резонаторы и генераторы, частотно-избирательные микроблоки, усилители, электроакустические преобразователи и датчики, устройства микроперемещений, источники питания, медицинские приборы и другие традиционные направления в электронике.

Ультразвуковые (УЗК) технологии, в основном, использовались по трем направлениям: 1 — воздействие УЗК на жидкие среды и интенсификация различных процессов на этой основе; 2 — воздействие УЗК на твердые тела (ТТ) непосредственно с целью их разрушения (обработка материалов — сверление, гравировка и т.п.) или на ТТ в жидких средах (процессы мойки изделий, стирки, измельчения и т. п.); 3 - воздействие УЗК на границы раздела сред (сварка, склеивание, уменьшение трения, вулканизация и т.п.).

Кроме активных, в информационно-измерительной технике широко использовались и традиционные пассивные УЗК-технологии — расходомеры, теплосчетчики, разнообразные датчики и т.п.

Одним из ведущих вузовских центров с начала 70-х годов по изучению, исследованию и созданию новых ПКМ являлся Ростовский государственный университет.

На основе пьезоэлектроники был создан целый комплекс современных средств автоматики, радиоэлектроники, вычислительной и измерительной техники. Технология производства пьезокерамики и пьезоэлементов (ПЭ) позволяла получать в больших количествах дешевые высокоэффективные ПЭ с предписанными заранее свойствами и разнообразной конфигурацией.

К концу ХХ века в Японии, США, ФРГ, Англии, Франции, Дании, России и других странах номенклатура ПЭ насчитывала сотни наименований. Это многочисленные пъезодатчики, осуществляющие преобразование различных физических величин электрической и неэлектрической природы; пьезогенераторы, пьезотрансформаторы, пьезофильтры; микросенсорные и сигнальные устройства; пьезо- и сегнетоэлектрические репрограммируемые запоминающие устройства; пьезодвигатели линейного, вращательного и сложного видов движения; микроманипуляторы и микророботы; ультразвуковые генераторы, излучатели, приемники; пьезомикрофоны, звукосниматели, громкоговори­тели, зуммеры; устройства для медицинской и бытовой техники (коагуляторы, счетчики Гейгера, фены, микровентиляторы, клапаны, насосы, реле, зажигалки, озонаторы, ингаляторы, шокеры, ножи-инструменты, звуковые индикаторы и охранные устройства) и т. д.

В настоящее время ведущие позиции в выпуске пьезокерамических элементов (около 80% мирового рынка) занимают Япония и США. Увеличение потребностей в ПЭ и рост объемов их производства обусловлены расширением областей их применения не только в военной и космической технике, но и широким внедрением их в промышленную технологию, метрологию, медицину, в оборудование для научных исследований, в бытовые устройства самого разнообразного функционального назначения.

Такие фирмы как «Piezosystems», «Burleigh», «General Electric» (США), «Ferroperm» (Дания), «Shinsei», «Matsushiha», (Япония), «Morgan Matroc» (Великобритания) и др., интенсивно ведут исследования и выпускают широкую номенклатуру разнообразных пьезоизделий. Стоимость выпускаемых пьезоматериалов, элементов, приборов и устройств в настоящее время составляет сотни млн. долл. в год.

Необходимо отметить, что потребительский рынок приборов на основе функциональной пьезокерамики чрезвычайно широк. Например, только источники питания на базе высоковольтных пьезотрансформаторов (ПТ) сегодня получили применение для внедрения различных промышленных электростатических технологий, в телевидении, осциллографии, для мониторов ЭВМ, для ламп дневного света и рекламных неоновых ламп, для различных индикаторных устройств, лазеров, в медицине, в бытовых приборах и т. д. (Япония, США, Южная Корея, ФРГ, Франция, Дания, РФ и др.). Общая потребность только в ПТ для разнообразных применений составляет до сотни миллионов в год. Адекватно можно оценить потребность в ПЭ для датчиков, различных пьезопреобразователей сигналов, для фильтров. Пьезодвигатели (ПД), активаторы, микроманипуляторы, имеют большое разнообразие конструкций и достаточно широкий диапазон параметров, интенсивно внедряются в различные сферы, особенно различные волновые ПД, обычно в комплексе с микроконтроллерной системой управле­ния. Традиционно значительный спрос имеют излучатели и приемники ультразвука (звука) и приборы на их основе.

Поиск по сайту: