В НИТУ «МИСиС» создали датчики вибрации без использования свинца

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.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»