CN113853693A - 压电设备 - Google Patents

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桑德罗·卡珀特
斯特凡·萨克斯
多米尼克·塔弗纳
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Abstract

本发明涉及一种设备(1)，具有压电转换器元件(3)和载体(4)，所述转换器元件和载体彼此机械连接以形成复合件，使得压电转换器元件(3)和载体(4)在力的作用下一起变形，其中载体(4)设计为，使得在由压电转换器元件(3)和载体(4)构成的复合件弯曲时不经受长度变化的中性纤维设置在所述载体(4)内。

Description

压电设备
技术领域
本发明涉及一种具有压电转换器元件和载体的设备。
背景技术
所述设备例如能够是用于探测机械变形的传感器。长期以来，这种传感器在各种应用领域中发挥着重要作用。在许多控制过程中，探测例如因压力或扭转引起的机械变形并且将其用作为调节变量。随着自主系统的循序使用，对这种机械变形的探测的重要性进一步提高。
通常，传感器系统由转换器元件和评估电子装置构成，所述转换器元件将测量变量转换为可测量电信号，并且评估电子装置用于信号处理并且例如将信号放大、滤波和/或数字化。由评估电子装置输出的输出信号随后能够转发给上级的闭环控制或开环控制系统。
为了改进信号质量，在现有技术中已知如下解决方案，其中尝试放大由转换器元件产生的信号。例如，US 6,434,917A提出一种压电部件的多层构造，以便在转换器元件中产生更强的信号。然而——与具有唯一的压电层的压电转换器元件相比——具有多层构造的压电转换器元件导致在其制造期间工艺控制中的耗费更多。US 2010/181871提出，经由选择压电转换器元件的几何参数和机械参数有针对性地影响信号强度。然而，由此限制了在转换器元件的几何形状和机械的设计方案方面的设计自由度。
发明内容
现在，本发明的目的是提供一种改进的设备。例如应提出如下设备，所述设备对转换器元件的设计方案没有任何特殊要求和/或实现简单的制造方法。
该目的通过根据权利要求1的设备实现。其他权利要求给出所述设备的优选的实施方式。
提出一种设备，所述设备具有压电转换器元件和载体，所述转换器元件和载体彼此机械连接成复合件，使得压电转换器元件和载体在力的作用下共同变形。载体设计为，使得在由压电转换器元件和载体构成的复合件弯曲时不经受任何长度改变的中性纤维设置在载体内。
在这种情况下，所述设备的特性通过适当地选择载体的机械特性和几何特性来确定。尤其是，载体能够设计用于在压电转换器元件中实现高的电响应。因为中性纤维位于载体内部，所以压电转换器元件能够在其整个体积上是有效的。中性纤维不构成在压电转换器元件内，使得压电转换器元件的整个体积经受长度改变和从而有助于电压的产生。
所述设备能够作为传感器和/或致动器运行。在作为传感器运行时，所述设备能够设计用于根据在压电转换器元件中产生的电压来确定作用到所述设备的力的水平。
在作为致动器运行时，使压电转换器元件和载体变形的力能够由压电转换器元件本身产生。在此，通过将电压施加到压电转换器元件上来产生力。这会导致设备偏转。因为中性纤维设置在载体中而不是设置在压电转换器元件中，所以压电转换器元件的整个体积都会偏转有贡献。
如果压电转换器元件的变形总是导致载体变形，那么压电转换器元件和载体能够称为复合件。压电转换器元件面状地固定在载体上。尤其是，压电转换器元件的下侧能够固定在载体的表面上，其中即使在设备弯曲时，压电转换器元件的下侧也贴靠在载体的上侧上。
压电转换器元件能够设置在载体上。尤其是，压电转换器元件能够被压印在载体上。例如能够借助于丝网印刷将压电转换器元件施加在载体上。替选地，模板印刷、喷墨印刷、刮涂、蒸镀或溅射也是可行的。
所述设备例如能够是在一侧夹紧的梁或在两侧夹紧的梁。
压电转换器元件能够具有陶瓷层或铁电的聚合物层或具有复合材料的层，所述复合材料具有陶瓷材料和压电的聚合物基质。陶瓷的压电层的特征在于，与压电的聚合物层相比，由于压电效应在陶瓷的压电层中产生更高的电压。
与此相反，铁电的聚合物层实现将塑料的机械特性与陶瓷材料的电特性相结合。铁电的聚合物层的特征还在于，其具有低的弹性模量和从而具有高的机械灵活性。
铁电的聚合物层的一个实例是PVDF:TrFE。陶瓷的压电层的一个实例是PZT。
载体的厚度能够设计为，使得中性纤维设置在载体内。载体的厚度在此表示载体从载体的下侧至上侧的伸展。压电层能够面状地设置在载体的上侧上。因此，载体的厚度是载体的特性之一，其能够被适当地选择，以便引起中性纤维的优选的位置。
载体的厚度能够例如在1μm和500μm之间的范围中。在考虑压电转换器元件的厚度的情况下来选择载体的厚度。通过适当的厚度比能够保证在载体内构成中性纤维。如果厚度在1μm和500μm之间的载体与厚度在10nm和100μm之间的压电转换器元件组合成复合件，那么中性纤维位于载体中。
如果将厚度在10nm和100μm之间的转换器元件组合在厚度在1μm到500μm的范围中的载体上，那么能够观察到转换器元件的输出信号的改进，因为中性纤维的位置远离转换器元件和从而从量值角度来看更大的机械应力作用到转换器元件上。
载体的弹性模量能够设计为，使得中性纤维设置在载体内。与柔性的载体相比，刚性的载体引起中性纤维远离压电转换器元件的移动。例如，如果受应用所决定载体厚度不可变化，那么经由对载体的弹性模量的适当的选择能够保证在载体内构成中性纤维。
因此，载体的弹性模量形成另一特性，所述另一特性实现：改变中性纤维的位置。由此能够实现中性纤维移动到所期望的位置上，而不必改变压电转换器元件。
所述设备能够是传感器，所述传感器设计用于探测通过作用于设备上的力产生的变形。以这种方式能够测量所述力。所述设备能够设计为，使得力在压电转换器元件中产生电压和/或电荷，其中所述设备与评估电子装置连接，所述评估电子装置设计用于测量电压和/或电荷的水平。所述设备例如能够用作为压力传感器、距离传感器或接近传感器。通过适当地选择载体的特性在此能够在转换器元件中产生特别强的输出信号。
替选地或者补充地，所述设备能够是致动器。所述设备能够设计为，使得通过将电压施加到压电转换器元件上并且压电转换器元件由于所施加的电压而变形的方式来产生力。通过适当地选择载体的特性，在此能够引起压电转换器元件的特别强的变形。如果中性纤维未设置在压电转换器元件内，那么压电转换器元件的每个体积单元都会对变形有贡献。
压电转换器元件能够具有多层构造，所述多层构造具有多个压电层和设置在其间的内部电极。替选地，压电转换器元件能够具有唯一的压电层。多层构造提供如下优点：在这种情况下在压电转换器元件中产生更高的电压；或者在作为致动器运行时引起更强的机械变形。与此相反，单层构造提供如下优点：制造过程变得不那么复杂。
压电转换器元件能够具有唯一的压电层、上电极和下电极，其中压电层设置在上电极和下电极之间。替选地，压电转换器元件能够具有仅仅一个唯一压电层和上电极，其中压电层设置在上电极和载体之间并且载体具有导电材料并且设计用于作为电极使用。
载体能够具有塑料，例如聚酰亚胺、PET或PEN。替选地，载体能够具有金属。例如，载体能够具有钢或铝。
另一方面涉及一种装置，所述装置具有评估电子装置和上述设备。评估电子装置在此设计用于测量通过所述设备产生的电信号。评估电子装置能够设计用于根据电信号的所测得的变化来识别物体是接近所述设备还是接触所述设备。为了改进信号质量而对评估电子装置的改变能够在规模和复杂性方面减少，这随后也能够是成本优势，因为通过对载体的改型保证转换器元件能够提供强的信号。因此能够使用简单的评估电子装置。
附图说明
下面参照附图进一步描述本发明。
图1示出具有设备和电子装置的装置。
图2示出设备。
图3示出在第一端部处夹紧的设备，以及在所述设备中产生的机械变形。
图4示出比较设备。
图5示出测量的结果。
图6示出借助于有限元方法所执行的仿真的结果。
图7和图8示出其他仿真的结果。
图9示出根据第二实施例的设备。
图10示出在图9中示出的设备的俯视图。
具体实施方式
图1示出一种装置，所述装置具有设备1和电子装置2。在图1中示出的装置能够作为传感器系统和/或致动器系统运行。
为了作为传感器系统运行，设备1设计用于将物理输入信号转换为电输出信号。物理输入信号例如是作用到设备1上的力。设备1尤其具有压电转换器元件3。压电转换器元件3基于压电效应将物理输入信号转换为电输出信号，所述电输出信号从设备1传输给电子装置2。
电子装置2设计用于进一步处理设备1的电输出信号。例如，电子装置2能够设计用于评估由设备1产生的电输出信号并且将其转换为数字信号。
为了作为致动器系统运行，电子装置2将电输入信号转发给设备1。压电转换器元件3将电输入信号转换成履行致动器功能的机械变形。
在此处所描述的装置中，对电子装置2中的信号处理的要求能够保持得低，因为设备1设计用于在传感器运行中提供强的响应信号作为电输出信号而在致动器运行中产生压电转换器元件3的强的机械变形作为致动器信号。强的响应信号或强的致动器信号尤其通过适当地选择设备1的载体4的特性来实现。
图2示出设备1的第一实施例。设备1具有压电转换器元件3以及载体4。压电转换器元件3直接设置在载体4上。压电转换器元件3的下侧贴靠在载体4的上侧上。压电转换器元件3和载体4彼此机械连接。尤其是，压电转换器元件3和载体4形成复合件并且能够仅共同地变形，例如弯曲。
压电转换器元件3具有压电层5、上电极6和下电极7，其中压电层5设置在下电极6和上电极7之间。在致动器运行中，在这两个电极6、7之间施加电压，所述电压引起压电层5的机械变形。在传感器运行中，压电层5能够通过从外部作用到设备1上的力变形并从而产生在电极6、7上截取的电压。
压电层5能够具有铁电聚合物或由铁电聚合物构成。铁电聚合物具有塑料的机械特性并且将该机械特性与陶瓷材料的电特性相结合。由铁电聚合物构成的层能够通过丝网印刷、模板印刷或喷墨印刷来制造。替选地，由铁电聚合物构成的层能够通过蒸镀或溅射或者借助刮板来制造。所提及的方法分别需要载体4，在所述载体上施加有压电转换器元件。
替选地，压电层5也能够具有压电的陶瓷材料或者由压电的陶瓷材料构成。替选地，压电层5也能够具有由聚合物基质和压电陶瓷材料构成的复合材料或由这种复合材料构成。
载体4能够由塑料，例如聚酰亚胺、PET或PEN构成。
载体4实质地一起确定由压电转换器元件3和载体4构成的复合件的机械和电特性。通过适当地选择载体4的结构特性，例如其厚度、其弹性模量和材料，确定复合件的机械和电特性。根据示出设备1的图3详细阐述该关系，外力F作用到所述设备上。
在图3中示出的设备1在第一端部8处夹紧。力F作用到设备1的与第一端部8相对置的第二端部9上。因此，设备1是单侧夹紧的梁。然而，设备1决不限于这样的设计方案。替选地，设备1例如能够第一和第二端部8、9处夹紧并且设备1的设置在第一和第二端部之间的中间区域会由于作用到设备1上的力而弯曲。
压电转换器元件3和载体4由于作用到设备1上的力而弯曲，其中压电转换器元件3和载体4在第二端部9处运动并且在第一端部8处保持不运动。设置在设备1的上侧上的压电转换器元件3通过弯曲被拉伸，即从第一端部8到第二端部9的长度变大。载体4的远离压电转换器元件3指向的下侧通过弯曲被压缩，即从第一端部8到第二端部9的长度变小。
通过箭头在图3中标明机械应力，所述机械应力局部地在设备1内的不同位置处产生。图3示出在设备的上侧附近和下侧附近产生特别高的机械应力，并且所产生的机械应力朝向居中设置在设备1中的中性纤维10减小。中性纤维10表示设备1的如下平面，所述平面不因起作用的应力而经受长度变化。中性纤维10的确切位置不一定在压电转换器元件3的几何中心，而是受压电转换器元件3和载体4的弹性模量和几何构成方式影响。
在图3中示出的实施例中，中性纤维10设置在载体4中并且远离压电转换器元件3。压电转换器元件3在其整个体积上经受长度变化并且在整个体积中产生电压。
图4示出比较设备，其中与在图3中示出的设备相比，载体更薄。通过较薄地设计的载体，中性纤维移动到压电转换器元件中。压电转换器元件由于作用到所述设备上的力在图4中示出的比较设备中与在图3中示出的实施例中相比经受明显更低的机械应力。与此相应地，在图4中示出的实施例中，在压电层中仅产生较低的电压，并且由所述设备产生的电输出信号相对于在图3中示出的设备更小。
在图3和图4中的设备的比较示出：通过适当地选择载体4的厚度能够保证压电转换器元件3的压电层5经历高的机械应力。以这种方式，在传感器运行中确保设备1的强的电的输出信号。在致动器运行中，通过足够厚的载体4实现设备1的强的机械变形。
载体4的厚度应至少大到中性纤维10位于载体4内。载体4设计得越厚，中性纤维10移动到载体4中就越深，并且由压电转换器元件3产生的信号越强。
在根据具有结构相同的压电转换器元件3的两个设备1的比较测量中测试载体几何形状对由压电转换器元件3所提供的信号的影响。图5示出比较测量的结果。
这两个设备1分别具有20mm的长度和10mm的宽度。长度表示从第一端部8到第二端部9的伸展。宽度表示在与其垂直的方向上的伸展。设备1的厚度表示设备1在堆叠方向上的厚度，在所述堆叠方向中载体4和压电转换器元件3上下堆叠。厚度垂直于宽度和长度。
这两个设备1具有压电转换器元件3，所述转换器元件具有压电层5，所述压电层由铁电聚合物PVDF:TrFE以10μm的厚度构成。下电极7由PEDOT:PSS构成，而上电极6由碳构成。对于这两个设备1使用由聚酰亚胺构成的载体4。这两个设备1的不同之处仅在于载体4的厚度。第一设备1具有厚度为75μm的载体4。第二设备1具有厚度为25μm的载体4。这两个设备1在试验台中以相同的变形速度在相同的变形路径上变形。变形速度为0.4m/s并且变形路径为4mm。
在图5中在曲线K1中绘制第一设备1的电输出信号，而在曲线K2中绘制第二设备1的电输出信号。在此，在水平轴上绘制以秒为单位的时间。在竖直轴上绘制以伏特为单位的电输出信号。可以看到，在压电转换器元件3的相同的变形和相同的特性的情况下，第一设备1的电输出信号明显更大。尤其是，第一设备1的电输出信号是第二设备1的电输出信号的大约9倍。第一设备的明显更高的电输出信号由如下得到：在第一设备中中性纤维10相对于第二设备具有更有利的位置。在第一设备中，由于载体4的更大的厚度，中性纤维10远离压电转换器元件3设置并且压电转换器元件3经受更强的变形。
图6示出借助于有限元方法执行的仿真的结果。在仿真中观察两个设备1，所述设备分别具有压电转换器元件4，所述转换器元件4具有由PVDF:TrFE构成的压电层5。在这两个设备1中，载体4由聚酰亚胺构成。与第一设备1的载体4相比，第二设备1的载体4具有五倍的机械强度。
在水平轴上绘制以ms为单位的时间。在竖直轴上绘制以V为单位的输出电压。曲线K3示出在变形的时间内由第二设备1的压电转换器元件3产生的电压的水平。曲线K4示出在变形的时间内由第一设备1的压电转换器元件3产生的电压。这两个设备变形的路程相同。第二设备在其输出信号中产生更高的电压。因为在第二设备中载体4的机械强度更大，所以中性纤维10更深地移动到载体4中并从而远离压电转换器元件3。与此相应地，压电转换器元件3经受更大的机械变形并从而产生更高的电压。
图7和图8示出另一仿真的结果。在图7和8中分别观察在设计为单侧夹紧的梁的设备1中在设备内局部地产生的机械应力。在此观察两个结构相同的梁，所述梁偏转相同的路程。然而，在图7中示出的梁与在图8中示出的梁的不同之处在于载体4的弹性模量。在图7中观察的梁中，载体4具有更低的强度。图7和8的比较示出，在施加到具有高的强度的载体4上的压电转换器元件3中在构型相同并且偏转相同的情况下，产生更高的机械应力并从而产生更高的电压。通过适当地选择载体4的机械强度或弹性模量能够保证：压电转换器元件3提供良好的输出信号或者在致动器运行中引起强的机械变形。
图9示意性地示出设备1的第二实施例。在图9中所示的设备1与在图2中示出的设备的不同之处在于载体4的材料。在图9中示出的设备具有由导电材料构成的载体，例如是金属载体。
在这种情况下不需要压电转换器元件3的单独的下电极7。更确切地说，载体4的材料能够承担压电转换器元件3的压电层5的电接触。然后能够将压电层5直接施加在载体4上。载体4具有接触面11，经由所述接触面能够施加电压。接触面11由导电的连接材料构成，例如银或银环氧树脂。
图10示出根据第一实施例的设备1的上侧的俯视图。
附图标记列表
1 设备
2 电子装置
3 压电转换器元件
4 载体
5 压电层
6 上电极
7 下电极
8 第一端部
9 第二端部
10 中性纤维
11 接触面
F 力
Kl 曲线
K2 曲线
K3 曲线
K4 曲线

Claims (15)

1.一种设备(1)，所述设备具有压电转换器元件(3)和载体(4)，所述压电转换器元件和载体彼此机械连接成复合件，使得所述压电转换器元件(3)和所述载体(4)在力的作用下一起变形，其中所述载体(4)设计为，使得在所述载体(4)内设置中性纤维，所述中性纤维在由所述压电转换器元件(3)和所述载体(4)构成的复合件弯曲时不经受长度变化。
2.根据权利要求1的设备(1)，
其中所述压电转换器元件(3)具有陶瓷层或铁电的聚合物层或者具有复合材料的层，所述复合材料具有陶瓷材料和压电的聚合物基质。
3.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述载体(4)的厚度设计为，使得所述中性纤维(10)设置在所述载体(4)内。
4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述载体(4)的厚度在1μm和500μm之间的范围内。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述载体(4)的弹性模量设计为，使得所述中性纤维(10)设置在所述载体(4)内。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述设备(1)是传感器，所述传感器设计用于探测通过作用到所述设备(1)上的力(F)产生的变形。
7.根据上一项权利要求所述的设备(1)，
其中所述设备(1)设计为，使得所述力在所述压电转换器元件(3)中产生电压和/或电荷，并且
其中所述设备(1)与评估电子装置(2)连接，所述评估电子装置设计用于测量电压和/或电荷的水平。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述设备(1)是致动器。
9.根据上一项权利要求所述的设备(1)，
其中所述设备(1)设计为，使得通过将电压施加到所述压电转换器元件(3)上的方式来产生力，并且所述压电转换器元件(3)由于所施加的电压而变形。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述压电转换器元件(3)具有多层构造，所述多层构造具有多个压电层和设置在其间的内部电极。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1)，
其中所述压电转换器元件(3)具有唯一的压电层(5)、上电极(6)和下电极(7)，其中所述压电层(5)设置在所述上电极(6)和所述下电极(7)之间。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1)，
其中所述压电转换器元件(3)具有唯一的压电层(5)和上电极(6)，其中所述压电层(5)设置在所述上电极(6)和所述载体(4)之间，其中所述载体(4)具有导电材料并且设计用于作为电极使用。
13.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述载体(4)具有塑料或金属。
14.一种装置，所述装置具有：
评估电子装置(2)和根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其中所述评估电子装置(2)设计用于测量通过所述设备(1)产生的电信号。
15.根据权利要求14所述的设备，
其中所述评估电子装置(2)设计用于根据所述电信号的所测得的变化来识别物体是接近所述设备(1)还是物体接触所述设备(1)。
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