Моделювання сенсора вібрацій на основі біморфної структури

У дослідженні розроблена математична модель, що описує амплітудно-частотний відгук сенсора або пристрою збору скидної енергії, виготовленого з сегнетоелектричної бідоменної монокристалічної пластини, по відношенню до величини вібраційного збудження. Математична модель дозволяє прогнозувати залежність напруги на електродах від частоти і амплітуди вібраційного збудження, а також резонансної частоти сенсора, що представляє собою прямокутну пластину, в загальному випадку з сейсмічної масою на вільному кінці, який встановлюється на вібраційному столику, параметри коливань якого задаються. Складено відповідне диференційне рівняння, що описує шукані залежності, і отримано його аналітичне рішення. Для перевірки запропонованої моделі був створений монокристалічний біморф за допомогою відпалу підкладки з ніобату літію (LiNbO₃) на повітрі для оберненої дифузії літію і формування бідоменної структури, що представляє собою два зустрічно поляризованих домени в одній пластині (так звана структура «голова-до-голови»). Такий кристал аналогічний біморфу, проте на відміну від нього не містить будь-яких міжфазних меж, за винятком міждоменної. Таким чином, виготовлений біморф являє собою не поширену збірну конструкцію, що складається найчастіше з металевої підкладки, до якої прикріплені п'єзоелектричні пластини, як правило, з п'єзокераміки, а однорідне безперервне середовище. Перевага такого біморфу полягає у тому, що, будучи виготовленим з сегнетоелектричного монокристала ніобату (або танталата) літію, сенсор або пристрій збору скидної енергії має великий коефіцієнт перетворення деформації згинання в електричну деформацію, а отже, високу чутливість, а також широкий температурний діапазон застосування та практично повну відсутність гістерезису і старіння. Проведено порівняння результатів моделювання з експериментальними даними, з якого випливає, що запропонована модель добре відповідає результатам експерименту. Показано, що сенсори коливань на бідоменних монокристалічних пластинах мають виключно високу чутливість. Запропонована модель дозволяє оцінювати і прогнозувати параметри сенсорів вібрації, акселерометрів і пристроїв збору скидної енергії на основі бідоменних сегнетоелектричних кристалів.