П’єзорезистивний матеріал та спосіб його отримання - патент Україна 2006078 - Лачинов А
Використання: в датчиках тиску, тензометричних елементах, перемикачах, клавіатурах і т. п. Винахід дозволяє підвищити чутливість п'єзорезистивного матеріалу при малих тисках та покращити відтворюваність параметрів. Сутність винаходу: п'єзорезистивний матеріал містить полімер і добавку, як полімер використовуються плівкоутворюючі розчинні карбоцепні, гетероцепні, гетероциклічні полімери - полістирол, полісульфон, полі (3,3 - фталідиліден- 4,4 -біфенілілен), в якості добавки - низькомолекулярне володіє дипольним моментом - тетратіофульвальний, нітрофенілоктілоксибензоат, фенолфталеїн, при наступному співвідношенні компонентів, мас. % : полімер 45 - 80, добавка 20 - 85. Для отримання п'єзорезистивного матеріалу змішують полімер з низькомолекулярною органічною добавкою, розчиняють суміш в органічному розчиннику, наприклад дихлоретану, циклогексаноні, розчин відливають у потрібну форму, видаляють розчинник шляхом випарювання до затвердіння суміші при 80 – 100С протягом 40 – 60 хв. 1 табл.
Малюнки до патенту Україна 2006078
Винахід відноситься до електротехніки, зокрема до матеріалів та способів отримання п'єзорезистивного матеріалу для використання в датчиках тиску тензометричних елементах, кнопкових перемикачах. клавіатурах тощо.
Відомі матеріали (див. М. Г. Шахтахтінський, А. І. Мамедов, А. А. Гараташов, М. А. Курбанов, Ю. Н. Газарян // Доповіді АН Аз РСР 1987, ХL III, N 7, с. 44-47), що містять полімер та дрібнодисперсну добавку. Як полімери використовувалися поліетилен або полівініліденфторид. Як добавка - халькогеніди рідкісноземельних елементів, наприклад SmS. Найбільшачутливість (п'єзорестивна чутливість визначалася, як = lgRo/lgRp, де Ro і Rр - опору до впливу тиску і при дії відповідно) цього матеріалу до тиску зареєстрована при наступному співвідношенні компонентів: полімер - 40-80%. добавка - 20-60%. Вимірювання проводилися при тиску 4 МПа. Максимум спостерігався при вмісті добавки 40%.
Однак максимальна чутливість недостатня для безпосереднього використання матеріалу без засобів додаткового посилення і досягається при відносно високому тиску 4 МПа, що ускладнює застосування цього матеріалу. Крім того, цей матеріал передбачає виготовлення методом пресування, що різко погіршує відтворюваність параметрів зразка до зразка.
Відомий спосіб отримання високомолекулярного матеріалу, що полягає у введенні розчинений полімер органічних добавок і подальшого нанесення розчину на підкладку. (Див. пат. ЄПВ N 0147871, кл. Н 01 В 1/12, 1985).
Однак нерівномірне видалення розчинника з обсягу зразка при формуванні матеріалу не дозволяє одержувати однорідну плівку за фізичними властивостями.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається результатом є матеріал, одержуваний зі складу для п'єзорезистивного матеріалу, що містить полімер і дрібнодисперсну добавку у вигляді порошку п'єзоелектрика, наприклад кварц, силленіт вісмуту, германат вісмуту і т. п. , а також органічний розчинник, наприклад хлор хлористий метилен, циклогексанон, диметилформамід. Склад являє собою колоїдний розчин полімеру з нерозчиненими в ньому дрібнодисперсними частинками порошку п'єзоелектрика, що знаходяться у зваженому стані.
Однак використання даного складу має ряд істотних недоліків,пов'язаних з тим, що наявність дрібнодисперсних частинок п'єзоелектрика призводить до розшарування розчину, випадання частинок осад, що змінює вихідний склад і, відповідно, властивості матеріалу. Крім того, наявність у матеріалі нерозчинних порошкоподібних частинок з певною дисперсією розмірів призводить до значного розкиду параметрів п'єзорезистивного матеріалу, що ускладнює використання його в серійному виробництві. Введення полімерний матеріал порошку з діелектриків, якими є названі п'єзоелектрики, призводить до значного зменшення адгезійних властивостей матеріалу, що також істотно обмежує можливості його використання.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається результатом є спосіб формування матеріалу з розчину, що містить полімер, добавку і розчинник. При формуванні розчинник видаляють із розчину до затвердіння розчиненої речовини.
Однак при такому способі формування готовому матеріалі залишається певна кількість розчинника, яке сильно впливає на стабільність електрофізичних властивостей матеріал в процесі експлуатації.
Метою винаходу є підвищення чутливості п'єзорезистивного матеріалу при малих тисках та поліпшення відтворюваності параметрів.
Мета досягається тим, що матеріал містить полімер і добавку, як полімер використовуються плівкоутворювальні, розчинні, карбоцепні, гетероцепні. гетероциклічні полімери, наприклад полістирол, полісульфон, полі(3,3"-фталідиліден-4,4"-біфенілілен), як добавка - низькомолекулярна органічна сполука, що володіє дипольним моментом, наприклад тетратіофульвальний, нітрофенілоктилоксибензоат, фенолфталеїн, примас. % : Полімер 45-80 Добавка 20-55 Для отримання п'єзорезистивного матеріалу змішують полімер з низькомолекулярною органічною добавкою, розчиняють суміш в органічному розчиннику, наприклад, дихлоретан. циклогексаноне, відливають розчин у потрібну форму, розчинник видаляють шляхом випарювання до затвердіння суміші, проводять термообробку при 80-100 про С протягом 40-60 хв.
П'єзорезистивний матеріал одержують наступним чином. Спочатку змішують несопряженный полімер та низькомолекулярну органічну добавку в межах зазначених концентрацій. Отриману суміш розчиняють в органічному розчиннику, наприклад, у дихлоретані, до повного розчинення компонентів. Розчин відливають у форму і розчинник видаляють шляхом випарювання до затвердіння розчиненої речовини. Потім матеріал піддають термообробці при 80-100 про С протягом 40-60 хв.
П р і м е р. Полімер полідифеніленфталід у вигляді порошку у кількості 0,1 г і фенолфталеїн у кількості 0,1 г змішують і потім розчиняють у 10 мл розчинника - хлороформі. Потім розчин відливають на поверхню скляної пластини площею 50 см 2 . Після видалення розчинника шляхом його випаровування отримують однорідну плівку товщиною 15 мкм, яку поміщають у сушильний шафа на 60 хв при 100 про З.
Усі приклади отримання пьезорезистивного матеріалу зі своїми пьезорезистивными властивостями, поміщені таблицю.
Приклади 1-5 показують вплив співвідношення компонентів п'єзорезистивного матеріалу на його властивості за оптимальних умов термообробки, приклади 6-8 - вплив умов термообробки при оптимальному складі компонентів.
П р і м е р 1. Концентрація полімеру менше нижньої межі допустимої концентрації, а концентрація добавки вище за верхню межу. Умови термообробки відповідають оптимальним.П'єзоелектрична чутливість – 11, що у 10 разів більше, ніж у прототипу, при тиску 0,03 МПа, що менше, ніж у прототипу на порядок. Однак плівкоутворюючі властивості матеріалу незадовільні: плівка утворюється з розривами, тендітна, практичне використання неможливе.
Приміри 2-4. Концентрація компонентів п'єзорезистивного матеріалу в межах оптимального складу. Режими термообробки оптимальні. П'єзорезистивні параметри задовольняють поставленим цілям – чутливість 11, величина тиску 0,04 МПа. Плівкоутворюючі властивості п'єзорезистивного матеріалу задовільні - міцність плівки на розрив - 850 кг/см 2 .
П р і м е р 5. Концентрація полімеру вище за верхню межу допустимої концентрації, концентрація добавки менша за нижню межу. Режим термообробки відповідає оптимальному. П'єзорезистивна чутливість становить 4-5, що значно менше, ніж у прототипу.
П р і м е р 6. Режим термообробки: температура 60 С, час прогріву 20 хв. П'єчутливість менше, ніж у прототипу, і становить 7-8. Залежність опору від прикладеного тиску нестійка, ніж пояснюється невизначеність у величині п'єзочутливості.
П р і м ер 7. Температура термообробки 100 про З час обробки менше нижньої межі і становить 30 хв. П'єзочутливість менша, ніж у прототипу, і становить 8.
П р і м е р 8. Режим термообробки: температура термообробки - 120 С, час обробки 80 хв. П'єзочутливість становить 11, матеріал повністю задовольняє поставленим цілям. Однак збільшення температури і часу термообробки вище оптимальних значень не призводить до збільшення чутливості при малих тисках та покращення відтворюваності параметрів і томує не доцільним.
Таким чином, результати вимірювань п'єзорезистивних властивостей, представлені в таблиці, можна підсумовувати в такий спосіб. Збільшення процентного вмісту добавки вище вказаного призводить до погіршення реологічних властивостей матеріалу. Він стає крихким та неоднорідним, втрачається механічна міцність. Зменшення вмісту добавки нижче 20% призводить до різкого зменшення чутливості матеріалу та зростання значення порогового тиску.
Вибір меж режиму термообробки п'єзорезистивного матеріалу обумовлений тим, що прогрів при температурах вище верхньої межі не призводить до поліпшення параметрів п'єзорезистивного матеріалу, прогрів при температурах менше нижньої межі призводить до того, що чутливість падає, поріг по тиску зростає.
Час термообробки визначається тим, що перевищення зазначеного значення не призводить до поліпшення п'єзорезистивних параметрів матеріалу, при зменшенні часу зменшується чутливість, поріг по тиску зростає.
Використання технічного рішення, що заявляється в порівнянні з прототипом дозволяє: підвищити п'єзочутливість до 11 при малих тисках 0,04 МПа в порівнянні з прототипом, у якого п'єзочутливість становить 10 при тиску 0,35 МПа; підвищити електропровідність до 5 Ом см-1 порівняно з прототипом, що дозволяє досягти 10 Ом см-1; підвищити технологічність п'єзорезистивного матеріалу порівняно з прототипом за рахунок відсутності нерозчинних компонентів у складі матеріалу; досягти високої відтворюваності параметрів п'єзорезистивного ефекту за рахунок високої однорідності п'єзорезистивного матеріалу, так як компоненти матеріалу розчиняються, а полімер термостійкий; досягти економічного ефекту за рахунок заміни дорогих захиснихпокриттів друкованих провідників і контактних груп з дорогоцінних металів (Au, Ag і т. п. ) плівкою (п'єзорезистивний матеріал), що володіє герметизуючими властивостями на відміну від прототипу, який через наявність у складі твердодидинозперсних частинок діелектрика має мікропор. (56) 1. Патент США N 4505847, кл. Н 01 У 1/06, 1985.
2. Патент ЄПЗ N 0147871, кл. Н 01 У 1/12, 1985.
3. Доповіді АН АРСР. – 1987, XL III, N 7, с. 44-47.
4. Патент США N 4511494, кл. Н 01 У 1/06, 1985.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. П'єзорезистивний матеріал, що містить полімер і добавку, який відрізняється тим, що як полімер він містить полістирол, або полісульфон, або полі(3,3" фталідиліден-4,4" біфенілілен) і в якості добавки - тетратіофульвален, або нітрофенілоктилоксибензоат, або фенолфталеїн при наступному співвідношенні компонентів, мас. % : Вказаний полімер 45 - 80 Вказана добавка 20 - 55 2. Спосіб отримання п'єзорезистивного матеріалу, при якому змішують полімер, добавку і розчинник з подальшим формуванням матеріалу шляхом видалення розчинника до затвердіння суміші, який відрізняється тим, що як полімер використовують полістирол, або полісульфон, або полі(3,3" фталідиліден-4,4" біфенілілен), в якості добавки - тетратіофульвальний, або нітрофенілоктілоксибензоат, або фенолфталеїн при масовому співвідношенні компонентів 45 - 80 : 20 - 55 відповідно і після видалення розчинника проводять термообробку при 80 - 100 o С протягом 40 - 60 хв.