Пьезоэлектрический полимерный датчик матричного типа

Изобретение относится к сенсорэлектронике. Использование: для создания пьезоэлектрических полимерных датчиков. Сущность изобретения заключается в том, что полимерный датчик матричного типа представляет собой полимерную пленку, содержащую поливинилиденфторид и металлизацию с обеих сторон пленки, полимерная пленка имеет вдоль по длине разную толщину, а именно, в боковом сечении имеет клиновидную форму, металлизация с обеих сторон полимерной пленки выполнена в виде массива попарно расположенных локальных металлических контактов, количество которых 2ⁿ, где n находится в диапазоне от 1 до 16, каждый из контактов имеет электропроводящую дорожку, соединяющую контакт с расположенной по периферии полимерной пленки контактной площадкой. Технический результат - обеспечение возможности автономного управления и контроля оборудования. 3 ил.

 

Изобретение относится к сенсорэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим полимерным датчикам.

Аналогом предлагаемого пьзоэлектрического полимерного датчика является полимерный пьезоэлектрический датчик, реализуемый в [1]. Основой данного технического решения является получение полимерных композитов, в частности композиционных полимерных пьезоэлектриков, используемых в качестве пьезодатчиков, различного рода активаторов, термостойких покрытий. Получаемый пьезоэлектрический датчик представляет полимерную пленку, содержащую поливинилиденфторид (ПВДФ), металлизированную с двух сторон. Данная двухсторонняя металлизация необходима для присоединения внешними выводами к измерительному устройству. Техническим результатом является то, что полимерная пленка датчика характеризуется термостойкостью и высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами.

Основным недостатком данного датчика является невозможность оценки состояния контролируемого оборудования на месте, для решения данной проблемы в предлагаемом устройстве используется массив датчиков с различной чувствительностью. Такой подход позволяет единовременно получать вектор значений, оценивать его при помощи высокопроизводительного ANFIS-процессора без использования сложного интегрально-дифференциального аппарата, что резко уменьшает время ответа, риски, связанные с отказом отдельных элементов датчика, а также практически исключает вероятность случайного срабатывания в следствии высокого уровня помех и шумов.

Также известен полимерный пьезоэлектрический датчик, реализуемый в [2]. Получаемый пьезоэлектрический датчик, как и в первом аналоге, представляет полимерную пленку, содержащую ПВДФ, металлизированную с двух сторон. Техническим результатом является то, что формируемый пьезоэлектрический датчик является гибким, его можно реализовать неограниченной длины и является менее чувствительным к условиям окружающей среды, чем существующие аналоги.

Недостатком данного устройства является высокая вероятность отказа в следствие большой длины датчика, а также чувствительность к случайным помехам. В случае датчика матричного типа в следствии его повреждения из строя выходит только один элемент и это практически не сказывается на работе датчика в целом.

Прототипом предлагаемого технического решения является пьезоэлектрический датчик, включающий полимерную пленку, содержащую ПВДФ, первый и второй адгезионные слои, первую и вторую пластину электродов, расположенные с обеих сторон и стеклянную подложку. Металлические пластины необходимы для присоединения внешними выводами к измерительному устройству [3]. Технический эффект связан с уменьшением влияния рабочей температуры. Конструкция датчика позволяет компенсировать флуктуации напряжения, вызванные рабочей температурой.

Недостатком данного устройства является низкая чувствительность вследствие большой массы датчика, а также чувствительность к случайным электрическим помехам, как и в предыдущем прототипе.

Задачей данного изобретения является оценка правильной работоспособности оборудования на основе акустических данных и выработка управляющего сигнала в дискретной форме: {"норма", "внимание", "опасность"}.

Поставленная задача решается путем создания чувствительного элемента в виде полимерной пленки, содержащей поливинилиденфторид, имеющей вдоль по длине разную толщину - боковом сечении имеет клиновидную форму, с обеих сторон полимерной пленки вдоль поверхности попарно сформированы локальные металлические тонкопленочные контакты, выполненные, например, из алюминия, каждый из которых имеет электропроводящую дорожку, сооединяющую контакт с расположенной по периферии полимерной пленки контактной площадкой.

Данные парные металлические контакты обеспечивают создание массива сенсоров, характеризуемых различной толщиной полимерной пленки, и, как следствие, различными зависимостями выходного напряжения от акустического сигнала. Количество таких сенсоров - 2ⁿ, где n находится в диапазоне от 1 до 16. Указанный диапазон обосновывается следующим образом. 2 сенсора - это уже массив. Выше 256 сенсоров использовать нецелесообразно, чтобы обеспечивалась возможность обработки снимаемых сигналов существующими стандартными процессорами. Данные попарно расположенные контактные площадки каждого сенсора посредством внешних выводов присоединяются к соответствующим клеммам контроллера. Данный массив сенсоров с контроллером образует пьезоэлектрический датчик матричного типа.

Совокупностью отличительных признаков изобретения является то, что полимерная пленка вдоль по длине имеет разную толщину - в боковом сечении имеет клиновидную форму, с обеих сторон полимерной пленки вдоль поверхности сформированы попарно металлические локальные металлические контакты. Наличие массива сенсоров - чувствительных элементов с разной толщиной пленки, разными пьезоэлектрическими параметрами и использование высокопроизводительного ANFIS-процессора обеспечивает возможность быстрой оценки состояния контролируемого оборудования, высокую чувствительность, скорость ответа, шумо- и помехозащищенность, и низкую вероятность отказа.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

На фиг. 1 приведено поперечное сечение полимерной пленки, содержащей металлизацию 4-х сенсоров, где 1 - полимерная пленка, 2 - локальный металлический контакт. На фиг. 2 представлен вид сверху пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа, где 1 - проводящая дорожка, 2 - контактная площадка. На фиг. 3 представлен вид снизу пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа

Пьезоэлектрический полимерный датчик матричного типа изготавливают следующим образом. На стеклянную подложку, расположенную под углом 0,25 градуса к горизонтали, наносят 4% раствор поливинилиденфторида-трифторэтилена в 80% диметилсульфоксида и 20% ацетона. Выдерживают подложку в данном положении при 100°C до затвердевания (около 1 часа). Для кристаллизации полимерной пленки вышеупомянутую структуру нагревают до температуры 180°C, выдерживают в течение 30 секунд, и помещают в воду комнатной температуры. Далее полимерную пленку отделяют от подложки. Магнетронным распылением с использованием шаблона на обе стороны полимерной пленки последовательно наносят тонкую (0,1 мкм) пленку алюминия для формирования локальных металлических контактов, проводящих дорожек и контактных площадок. Внешними проводниками присоединяют попарно от каждого сенсора контактные площадки к клеммам контроллера.

Таким образом, предлагаемое решение конструкции пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа по сравнению с прототипом имеет ряд существенных преимуществ для систем автономного управления и контроля состояния оборудования, связанных с высокой производительностью, выработкой управляющего сигнала в дискретной форме, что позволяет резко разгрузить каналы телеуправления высокой чувствительностью, шумо- и помехозащищенностью, и низкой вероятностью отказа.

Источники информации

1. Патент РФ №2610 063.

2. Патент США №20160016369.

3. Патент США №20160305832 - прототип.

Пьезоэлектрический полимерный датчик матричного типа, представляющий собой полимерную пленку, содержащую поливинилиденфторид и металлизацию с обеих сторон пленки, отличающийся тем, что полимерная пленка имеет вдоль по длине разную толщину, а именно, в боковом сечении имеет клиновидную форму, металлизация с обеих сторон полимерной пленки выполнена в виде массива попарно расположенных локальных металлических контактов, количество которых 2ⁿ, где n находится в диапазоне от 1 до 16, каждый из контактов имеет электропроводящую дорожку, соединяющую контакт с расположенной по периферии полимерной пленки контактной площадкой.