Команда ученых Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработала новый вид датчиков вибрации для устройств диагностики состояния зданий и мостов, а также космических аппаратов. В датчиках используются кристаллы ниобата лития, не содержащие свинец. Результаты исследования опубликованы в журнале Sensors.

Кристаллы ниобата лития намного более стабильны, чем ЦТС-керамика (цирконата-титаната свинца), используемая сегодня производителями датчиков вибрации. Переход к новому материалу позволит производителям выполнить введенную в Евросоюзе 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 установить полный контроль над территорией с ограниченным доступом или государственной границей», – рассказал один из разработчиков, сотрудник кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» Ильи Кубасов.

Принцип работы датчиков вибрации основан на пьезоэлектрическом эффекте — пьезоэлемент деформируется при приложении к нему вибрации и отправляет электрический сигнал-оповещение.

До сих пор производители датчиков сталкивались с рядом проблем в связи с использованием пьезоэлемента на основе ЦТС, крайне токсичного и теряющего чувствительность при изменении температурного режима. Теперь все эти проблемы полностью решены, считают ученые, поскольку ниобат лития (LiNbO₃) не содержит мелких зерен, как в ЦТС-керамике. Кроме того, 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 доменов складываются, и чувствительность датчика значительно возрастает», – пояснил Илья Кубасов.

Разработка нового типа датчиков на основе монокристаллических пьезопреобразователей позволит повысить чувствительность подобных изделий минимум до 10^-6 g, а также значительно расширит область рабочих температур.

Пресс-служба НИТУ «МИСиС»