Zintegrowane czujniki piezoelektryczne wykonane z materiałów

Zintegrowane czujniki piezoelektryczne wykonane z materiałów
ceramicznych
Arkadiusz Dąbrowski
W rozprawie opisano wyniki prac badawczych dotyczących integracji popularnego
materiału piezoelektrycznego PZT (tytanian – cyrkonian ołowiu) z podłożami LTCC i HTCC
(Low / High Temperature Co-fired Ceramics – ceramika nisko- i wysokotemperaturowa
współwypalana) oraz ich zastosowania w konstrukcji piezoelektrycznych czujników wielkości
fizycznych, takich jak ciśnienie, przyspieszenie i siła.
Technologie ceramiki wielowarstwowej - LTCC oraz HTCC - pozwalają na wytwarzanie
układów elektronicznych z wbudowanymi pasywnymi elementami elektronicznymi,
o podwyższonej niezawodności i odporności na warunki środowiskowe. Wykorzystanie tych
materiałów do konstrukcji czujników pozwala na ich wykonanie w postaci zintegrowanej
z obudową i hybrydowym układem elektronicznym.
Zastosowanie piezoelektryczności pozwala na wytwarzanie czujników typu
generacyjnego jak i parametrycznego. Ceramiczne materiały piezoelektryczne, jak na przykład
zastosowany materiał PZT, charakteryzują się dobrymi właściwościami piezoelektrycznymi,
zatem są materiałami chętnie stosowanymi w przetwarzaniu elektromechanicznym.
Wyniki prac badawczych opisane w rozprawie podzielić można na dwie części –
dotyczącą badań podstawowych oraz związaną z opracowaniem konstrukcji czujnikowych.
Pierwsza część dotyczy metod integracji ceramiki LTCC z przetwornikami piezoelektrycznymi
wytworzonych z materiału PZT. Opisano rezultaty prac związanych z opracowaniem bariery
dyfuzyjnej dla warstw PZT w postaci pasty grubowarstwowej nakładanych na podłoża LTCC.
Wykazano możliwość poprawy ich właściwości, uzyskaną przez nałożenie na podłoże
dodatkowej warstwy opartej na proszkach Al2O3, TiO2 oraz SiC. Opisano także rezultaty prac
eksperymentalnych mających na celu określenie możliwości współwypalania folii opartej na PZT
z ceramiką LTCC. Wykazano możliwość współwypalania materiałów dla folii o zerowym
skurczu planarnym, uzyskując parametry zbliżone do grubowarstwowego PZT. Opisano również
wyniki prac nad wytwarzaniem elektrod międzypalczastych oraz prac nad zastosowaniem
ceramiki LTCC jako falowodu, służących odpowiednio do wzbudzania i detekcji oraz
prowadzenia fal Lamb’.
Druga część wyników dotyczy eksperymentów nad opracowaniem technologii czujników
piezoelektrycznych. Jednym z nich jest całkowicie ceramiczny czujnik przyspieszenia wykonany
z folii LTCC i PZT, oparty na zjawisku piezoelektrycznym prostym. Opisano również rezultaty
prac dotyczących czujnika ciśnienia z zakresu 0,1 - 10 MPa, przewidzianego do pracy w trybie
ładunkowym (generacyjnym) lub w trybie oscylatora (parametrycznym), w zależności
od zastosowanego układu elektronicznego. Zamieszczono również wyniki prac nad czujnikami
ciśnienia z zakresu poniżej 100 kPa, wykonanymi z materiałów LTCC i HTCC z przetwornikami
z PZT, opartymi na rezonatorze z falami Lamb’a o częstotliwości z zakresu od 10 do 20 MHz.
Opisano również wyniki prac dotyczących czujnika siły opartego na rezonatorze z falą z zakresu
ultradźwiękowego, służącego do pomiaru siły o wartości do 2 N.
Integrated piezoelectric sensors made of ceramic materials
Arkadiusz Dąbrowski
Results of research on integration of the popular piezoelectric material PZT (lead
zirconate - titanate) with LTCC and HTCC substrates (Low / High Temperature Co-fired
Ceramics) as well as their application in piezoelectric sensors of physical quantities, like
pressure, acceleration and force, are described in the dissertation.
Multilayer ceramic technologies - LTCC and HTCC - allow manufacturing of electronic
systems with embedded passive components, exhibiting high reliability and resistance to harsh
environmental conditions. The use of these materials for the sensors allows them to integrate with
the housing and a hybrid electronic circuit.
Piezoelectricity allows manufacturing of generation and parametric type of sensors.
Ceramic piezoelectric materials, for example applied in described experiments PZT, exhibit very
good piezoelectric properties, therefore are common materials used for electromechanical
transducers.
The results of research work described in the dissertation can be divided into two parts basic research and activities related to the development of sensor. In the first part the methods
of integration of the LTCC and the piezoelectric transducers made of the PZT are described. The
results of experiments on development of a diffusion barrier for the PZT layers screen printed
from thick film paste on the LTCC substrates are described. Ability of improvement
of the layer properties, obtained by applying to the substrate an additional layer based on powders
of Al2O3, TiO2 and SiC is demonstrated. Results of the experiments on the co-firing of PZT tape
with LTCC are also described. The ability of co-firing the materials for zero shrinkage LTCC
is demonstrated. Results of investigations on the manufacturing of interdigitated electrodes and
utilization of the LTCC as a waveguide are described. The experiments were performed in order
to determine ability to excitation, propagation and detection of Lamb waves in thin LTCC plates
with piezoelectric transducers.
The other part of the results concerns the experiments on development of the piezoelectric
sensors technology. One of them is entirely ceramic accelerometer made of LTCC and the PZT
films based on direct piezoelectric phenomenon. It was made by co-firing of the PZT and LTCC
tapes. Results of the experiments on a pressure sensor for range from 0.1 MPa to 10 MPa, able
to work in charge or oscillator mode, are also described. Investigation on pressure sensors based
on Lamb wave resonator working at frequency from the range of 10 MHz to 20 MHz made
of HTCC and LTCC for measuring pressure below 100 kPa are described. Besides, the results
of experiments on force sensor based on ultrasonic wave resonator, for measuring force up to
2 N, are described.