Пироэлектрический элемент

Полезная модель относится к относится к электронным пиро-пьезокерамическим элементам с высокой обнаружительной способностью по отношению к источникам светового и теплового излучения и устойчивостью к вибропомехам и может быть использована в производстве датчиков пожарной и охранной сигнализации. Пироэлектрический элемент содержит слой пироэлектрического материала с нанесенными на него с обеих сторон электродами в виде слоев электропроводящего материала, при этом материал выполнен из оксидной керамики, содержащей свинец, кальций, кадмий, неодим титан и вольфрам в соотношениях, описываемых формулой Pb_{(1-)(1-X-Y-Z)}Ca_XCd _YNd_ZTi_0,98W _0,02О₃, где =0,02-0,05, Х=0,20-0,24, Y=0,01-0,03 и Z=0,04-0,05. Техническим результатом является повышение электросопротивления и виброустойчивости пироэлектрического элемента.

Область техники.

Полезная модель относится к относится к электронным пиро-пьезокерамическим элементам с высокой обнаружительной способностью по отношению к источникам светового и теплового излучения и устойчивостью к вибропомехам и может быть использована в производстве датчиков пожарной и охранной сигнализации.

Свето-теплочувствительные элементы являются ответственной функциональной частью пироэлектрических датчиков пожарной и охранной сигнализации, обеспечивающие их высокую чувствительность в инфракрасном диапазоне длин волн и оптимальное время срабатывания. Предлагаемый пиро-пьезокерамический элемент эффективен в качестве преобразователя в электрические сигналы от перемещающихся в помещении источников световых и тепловых воздействий.

Предшествующий уровень техники.

В ведущих в научно-техническом отношении странах пироэлектрики интенсивно разрабатывают в качестве чувствительных элементов тепловизоров в технике специального назначения, где они заменяют более громоздкие и дорогие полупроводниковые устройства на квантовых эффектах. С использованием пироэлектриков за рубежом разработаны также охранные системы с датчиками, реагирующими на перемещение в помещениях источников тепла (людей), а также пожарной сигнализации и систем температурного контроля офисных и жилых помещений. Все эти датчики используют пироэлектрические элементы в виде монокристалла или тонких пленок в многокомпонентных оксидных системах, обладающие относительно слабыми пироэлектрическими свойствами, дорогостоящие и требующие для своего применения сложного электронно-вычислительного оборудования.

Пироэлектрические элементы на основе монокристаллов танталата лития производятся германской компанией Infra Тес и используются в датчиках серии LIE 5 OX, сегнето-электрическая керамика цирконата-титаната свинца предлагается в элементах английской компания Gec-Marconi Infra-Red Ltd и датчиках LHi 802...1058 фирмы Heimann-Siemens и других (Данцигер А.Я., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А., Дудкина С.И. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Ростов н/Д.; Изд-во «Пайк», 1994, 96).

Наиболее близкий пироэлектрический элемент раскрывается в патенте RU 2092823, в соответствии с которым пироэлектрический элемент (детектор) выполнен из слоя пиро-

электрического материала с нанесенными на него с обеих сторон пленочными электродами (см описание к патенту).

Общим недостатком всех известных технических решения является недостаточно высокое электросопротивление (р<10^-12 Ом см) пироэлектрических материалов, что затрудняет их использование в системах пожарной сигнализации, а также низкая виброустойчивость из-за высокого поперечного пьезоэффекта, пьезокоэффициент d₃₁ которого обычно превышает 50 пКл/Н.

Раскрытие полезной модели.

Задачей полезной модели является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.

Поставленная задача решается пироэлектрическим элементом, содержащим слой пироэлектрического материала с нанесенными на него с обеих сторон электродами в виде слоев электропроводящего материала, в соответствии с которым материал выполнен из оксидной керамики, содержащей свинец, кальций, кадмий, неодим титан и вольфрам в соотношениях, описываемых формулой

Pb _{(1-)(1-X-Y-Z)}Ca_XCd _YNd_ZTi_0,98W _0,02O₃,

где 5=0,02-0,05,

Х=0,20-0,24

Y=0,01-0,03

Z=0,04-0,05

В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается тем, что пленочные электроды выполнены из серебра.

В предлагаемом элементе в виде покрытого металлическими электродами керамического диска высокая обнаружительная способность по отношению к источникам инфракрасного излучения достигнута за счет большой пироэлектрической активности при сравнительно низких величинах диэлектрической проницаемости Е^T₃₃ /Е₀ и механической добротности Qm керамического материала диска. Такое сочетание электрических и механических свойств материала дополняется анизотропией пьезоэлектрических характеристик радиальной и поперечной мод колебаний элемента в целом, что обеспечивает повышенную устойчивость пироприемника к вибропомехам (которая пропорциональна отношению пирокоэффициента у к пьезомодулю d₃₁).

Состав керамического материала пироэлектрического элемента основан на известном сегнетоэлектрическом кристалле РbТiO₃ и содержит компоненты Pb, Ca, Nd, Ti, W и О, атомное соотношение которых отвечает формуле Pb_{(1-)(1-X-Y-Z)}Ca_xCd _YNd_zTi_0,98W _0,02О₃,

где - коэффициент улета свинца при спекании, принимающий значения от 0,02 до 0,05, Х-0,20-0,24, Y=0,01-0,03 и Z-0,004-0,05.

Пример осуществления полезной модели.

Получали материал методом твердофазного синтеза из исходных реагентов: РbО; TiO ₂; CaCO₃;Nd₂ O₃; WO₃; CdO

Полученный спеченный керамический диск диаметром 5-10 мм и толщиной 0.3-04 мм подвергали двусторонней шлифовке и металлизации путем вжигания коллоидного серебра.

В табл.1 приведены составы керамического материала пироэлектрического элемента.

В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики пироэлектрического элемента в зависимости от состава керамического пиролитического материала.

Таблица 1
№ состава		Состав керамики							X		Y		Z
1		Pb0,71 Ca0,20Cd0,03Nd 0,05Ti0,98W0,02 O3					0,02		0,2		0,03		0,05
2		Pb0,68 Ca0,22Cd0,02Nd 0,04Ti0,98W0,02 O3					0,05		0,22		0,02		0,04
3		Pb0,69 Ca0,24Cd0,001Nd 0,04Ti0,98W0,02 O3					0,03		0,24		0,01		0,04
4		Pb0,70 Ca0,22Cd0,02Nd 0,045Ti0,98W0,02 O3					0,02		0,022		0,02		0,045
Таблица 2
Номер состава	Тк°С		Диэлектрическая проницаемость, ЕТ33 /Е0	Пьезокоэффициент, d31 пКл/Н	Механическая добротность, Qm	Пироркоэффициент, 104 Кл/m2K		Электросопротивление 1012, Ом·см		Пирочувствительность (Е0Ет 33)106 Кл/(m2 K)		Виброустойчивость, (/d31)10-6H(m 2K)
1	280		350	37	2000	5,5		4.5		1,6		14,9
2	280		420	48		5,5		5.2		1,3		11,5
3	320		380	49	2500	5,0		3.8		1,3		10,4
4	280		290	27	4000	5,0		5.1		1,7		18,5

1. Пироэлектрический элемент, содержащий слой пироэлектрического материала с нанесенными на него с обеих сторон электродами в виде слоев электропроводящего материала, отличающийся тем, что материал выполнен из оксидной керамики, содержащей свинец, кальций, кадмий, неодим титан и вольфрам в соотношениях, описываемых формулой

Pb_{(1-)(1-X-Y-Z)}Ca_XCd _YNd_ZTi_0,98W _0,02О₃,

где =0,02-0,05;

Х=0,20-0,24;

Y=0,01-0,03;

Z=0,04-0,05.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из серебра.