Специалисты Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») разработали новый вид датчиков вибрации для устройств диагностики состояния зданий и мостов, а также космических аппаратов. Результаты опубликованы в журнале Sensors.
Уникальность разработанных датчиков заключается в использовании кристалла ниобата лития, который не содержит свинца (в отличие от ЦТС-керамики, используемой сегодня производителями таких датчиков), сообщил сотрудник кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» Илья Кубасов.
По его словам, это позволит работающим на европейском рынке производителям выполнить введенную в ЕС директиву RoHS, которая постулирует постепенный отказ от свинца.
«Датчики вибрации могут использоваться в устройствах диагностики состояния зданий и мостов, так как позволяют своевременно обнаружить любые опасные вибрации, принять меры и эвакуировать людей. Их также можно применять в космических аппаратах и в системах охраны, они позволяют усилить контроль над территорией с ограниченным доступом или государственной границей», — рассказал Илья Кубасов.
Принцип работы датчиков вибрации основан на пьезоэлектрическом эффекте — пьезоэлемент деформируется при приложении к нему вибрации и отправляет электрический сигнал, который затем обрабатывается и анализируется специальной аппаратурой.
До сих пор производители датчиков сталкивались с рядом проблем в связи с использованием пьезоэлемента на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), теряющего чувствительность при изменении температурного режима. Теперь эти проблемы можно решить, считают ученые, поскольку ниобат лития (LiNbO3) — монокристаллический материал, то есть, не содержит мелких зерен, как ЦТС-керамика, а его свойства стабильны в очень широком диапазоне температур.
«Научный коллектив кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ „МИСиС“ под руководством завкафедрой, профессора, д.ф-м.н. Юрия Пархоменко разработал и запатентовал процесс получения нового материала для высокочувствительных датчиков. В перспективе эти разработки позволят перейти к более точным, стабильным и нетоксичным методам измерения опасных вибраций для диагностики состояния городских и промышленных объектов», — комментирует ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
Ниобат лития известен еще с середины XX века и широко используется для лазерной оптики, но применять его в датчиках вибрации мало кто пробовал из-за довольно слабых пьезоэлектрических свойств (примерно в 10 раз хуже ЦТС). Специалисты НИТУ «МИСиС» смогли повысить чувствительность ниобата лития к внешним вибрациям за счет формирования в нем так называемой «бидоменной структуры».
«С помощью специальных термообработок мы изменяем свойства кристалла так, чтобы верхняя половина пластинки была зеркальным отражением нижней половинки. Внешняя вибрация приводит к тому, что сигналы от этих половинок (они называются сегнетоэлектрическими доменами) складываются, и чувствительность датчика значительно возрастает», — пояснил Илья Кубасов.
Процесс получения бидоменных кристаллов разработан на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» и защищен патентом. По словам ученых, себестоимость изготовления материала ненамного больше, чем ЦТС.
Разработка нового типа датчиков на основе монокристаллических пьезопреобразователей позволит снизить минимальное ускорение, детектируемое подобными устройствами, до 10-7 g (одна десятимиллионная от ускорения свободного падения), а также значительно расширит область рабочих температур.
