DE2606711A1

DE2606711A1 - Elektret-fuehlmedium mit mehreren fuehleinheiten

Info

Publication number: DE2606711A1
Application number: DE19762606711
Authority: DE
Inventors: Allen L Taylor
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1975-02-18
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1976-08-19
Also published as: US3971250A; FR2301812A1; DE2606711C2; JPS5919281B2; JPS51107879A; IT1053603B; GB1542877A; FR2301812B1; CA1050172A

Description

Minnesota Minina and Manufacturing Cnmpanv, St. Pa"¹. MirmBotp, t/.Rt.A.

Elektret-Fühlmedium mit mehreren Fühleinheiten

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das breite Gebiet der Fühlmedien und insbesondere ein Fühlmedium mit einer Vielzahl von Schichten aus pyroelektrischem Material als Fühlelementen, die sich zur Temperaturkompensation einsetzen lassen.

Mehrere temperaturkompensierte Detektoren mit pyroelektrischen Fühlmedien sind in der US-Patentschrift ~5.kb~5.h~52. und in der US-Patentanmeldung 43d.o55 vom 2.1.1974 beschrieben. Obgleich derartige bekannte Detektoren eine temperaturkompensierte ülärmeerfassung gestatten, ueist keiner νσπ ihnen ein Fühlmedium auf, das sich in kontinuierlicher Gestalt in Bandform herstellen lässt.

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!NSPECTED

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Die vorliegende Erfindunq schafft ein Fühlmedium aus zuiei Fühleinheiten mit jeweils einer Schicht eines pyroelektrisch^ Materials mit leitenden Belänen auf leder ebenen Oberfläche, wobei diese Fühleinheiten Fläche an Fläche mit einer thermischen Isolierschicht in Berührung stehen, die die beiden Fühleinheiten voneinander trennt.

Das Fühlmedium nach der vorliegenden Erfindung läßt sich zur Ausbildung eines temperaturkampensierten Sensors verwenden, indem man die leitenden Belage einer Fühleinheit mit den leitenden Belägen der anderen Fühleinheit zu zwei Belagsgruppen verbindet und eine Fühlschaltung elektrisch zwischen die beiden Belaqsgruppen legt, um bestimmte auf diesen befindliche elektrische Sinnale zu erfassen.

[denn die Umgebunostemneratur der beiden pyroelektrischen Schichten in gleichem Ausmaß schwankt, treten elektrostatische Ladungen auf den miteinander verbundenen Belägen auf, werden aber infolge der Verbindung zwischen den Belägen ausgealichen.

Die Temperaturänderung an nur einer der pyroelektrischen Schichten einer Fühleinheit führt zu einer elektrostatischen IMettoladung auf den mit der Temperaturschwankung ausqesetzten Schicht in Verbindung stehenden Belägen. Die Fühlschaltung spricht Huf-.diese erzeugte IMettoladung an und liefert eine wahrnehmbare Anzeige der Größe der Temperaturänderung, die die Dadungserzeugung bewirkt hat.

Auf diese Weise stellt das Fühlmedium nach der vorliegenden Erfindung ein Mittel zur Ausbildung einer temperaturkompensierten Fühlvorrichtung dar, die

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einfach aufgebaut ist, aber eine genaue und zuverlässine Temperaturerfassung infolge der Verwendung mehrerer pyroelektrischer Fühlschichten liefert. Zusätzlich ist das Fühlmedium nach der vorlienenden Erfindung dauerhaft und läßt sich leicht in Bandform herstellen, sn daß es in einer breiten Vielfalt von Anujendungsfallen einsetzbar ist.

Unterschiedliche AusführungsfDrmen der vorlienenden Erfindung sollen nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine Diagrammdarstellung eines Fühlmediums, das eine erste bevorzugte Ausführungsfarm der vorliegenden Erfindung darstellt, die zwei Fühleinheiten aufweist;

Fig. 2 ist eine Endansicht eines ersten temperaturkompensierten Sensors mit dem Fühlmedium nach Fig. 1, das mit elektrostatischen Ladungen auf einer der Fühleinheiten infolge einer gleichmäßigen Erwärmung dieser Einheit belegt ist;

Fig. 3 ist eine Endansicht des Sensors nach Fig. 2 mit in gebogenem Zustand befindlichen Fühlmedium und einer Darstellung der elektrostatischen Ladungen, die auf dem Medium infolge des Biegens entstehen ;

Fig. k ist eine Endansicht eines zweiten temperaturkompensierten Sensors mit dem Fühlmedium nach Fig. 1;

Fig. 5 ist eine Endansicht eines Fühlmediums nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Endansicht eines temperaturkompensierten Sensors mit dem

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Fühlmedium nach Fin. 5

Wie zunächst in der Fin. 1 der Zeichnunp dargestellt, ist das Fühlmedium 1 nach einer ersten bevorzugten Ausführunnsfürm der vorliegenden Erfindunn aus zwei Fühleinheiten 2 und 3 nebildet, die von einer Schicht aus thermisch und elektrisch isolierendem Material k wie z.B. PoIyurethanschaum getragen und getrennt werden. Die Fühleinheiten 2 und 3 weisen jeweils eine einzige biegsame Schicht aus elektrisch nichtleitendem Elektretmaterial 5 bzw. S auf.

Die Elektretschichten 5 und 6 sind aus Stoffen mit sowohl pyroelektrischen als auch piezoelektrischen Eigenschaften ausgebildet - wie bspw. Polyvinylidenfluorid. Die Schichten 5 und 6 sind so angeordnet, daß ihre Palung in der gleichen Richtung liegt, wie es die Pfeile anzeiqen; vorzugsweise weisen sie die gleiche Polungsstärke auf.

Obgleich einige Elektretstoffe Dipole aufweisen, die natürlich gepolt ausgerichtet sind, liegen die Dipole von Elektretstoffen normalerweise im wesentlichen regellos. Diesen Dipolen kann man eine Orientierung erteilen, wenn man das Elektretmaterial einem elektrischen Feld aussetzt und über eine als Polungstemperatur bekannte Temperatur hinaus erwärmt.

Die Elektretschicht 5 der Fühleinheit 2 ist auf ihrer äußeren und inneren ebenen Fläche mit dünnen leitenden Belägen 7 bzui. B beschichtet, die die Elektretschicht 6 der Fühleinheit 3 auf ihrer äußeren und inneren ebenen Fläche mit den dünnen leitenden Belägen 9 bzw. 1o

Die inneren Beläge 8 und 1o der Fühleinheiten 2 und 3 sind Fläche auf Flä-

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ehe an der isolierenden Schicht k zu einer einheitlichen Anordnung befestigt. Vorzugsweise weisen die leitenden Beläge 7 bis 1a alle die gleiche Größe und die Elektretschichten 5 und 6 die gleiche Polungsstärke auf, um zu gewährleisten, daß auf den Belägen 7 bis 1o im wesentlichen gleiche elektrostatische Ladungsmengen entstehen, wenn die Schichten 5 und S gleichmäßig erwärmt oder belastet werden. Diese Zustände sind für die vorliegende Erfindunp nicht wesentlich, da die Beläge 7 bis 1o unterschiedlich groß sein, aber dennoch eine gleiche Ladungsansammlung erzeugen können, indem man das Ausmaß einstellt, zu dem die Elektretschichten 5 und 6 gepolt sind.

Zum Zweck der klareren Darstellung sind die Dicken der Schichten k, 5 und G und der Platten 7 bis 1o vergrößert dargestellt. Das Fühlmedium 1 ist vorzugsweise mit jeweils etwa 5o ,um dicken Schichten 5 und 6, die Platten 7 bis 1o mit jeweils 2 ,um ausgeführt. Die Längen der Schichten 5 und S und der Platten 7 bis 1o ist kein kritischer Aspekt der vorlieoenden Erfindung; sie können kurz Dder lang gewählt werden, abhängig von dem Einsatz, für den das Fühlmedium 1 im Einzelfall gedacht ist. Entsprechend ist ins Auge gefaßt, das Fühlmedium 1 in großen Längen herzustellen und wie Band aufzurollen, wonach der Endbenutzer es auf die gewünschte Länge zuschneiden kann.

Das Fühlmedium 1 kann zur Ausbildung eines temperaturkompensierten Sensors verwendet werden, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, indem man mit"leitenden Verbindungen 13 und 14 die inneren leitenden Beläge 8 und 1o zu einer Gruppe miteinander verbundener Beläge und die äußeren leitenden Beläge 7 und 9 zu einer weiteren Gruppe miteinander verbundener Beläge zusam-

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mensetzt.

Der leitende Anschluß Ik ist v/arzugsoieise geerdet, und man legt eine Fühlschaltuna 17 elektrisch über die Anschlüsse 13 und 1^, um auf den Belägen 7 bis 1o vorliegende elektrische Ladungen zu erfassen. Die Fühlschaltung 17 kann ein Amperemeter, ein Voltmeter oder eine andersgeartete Schaltung sein, die geeignet ist, einen Nachweis kleinerer elektrischer Signale zu liefern.

Um die Verwendung des Fühlmediums 1 bei der Ausbildung des temperaturkompensierten Sensors 12 weiter zu erläutern, soll nun die Funktion des Sensors 12 beschrieben werden.

Der Sensor 12 läßt sich mit Vorteil entweder als Detektor für Infrarotstrahlung oder als Spannungsfühler zur Erfassuno von Biegespannungen einsetzen. Beim Einsatz als Infrarotsensor sollte er so angeordnet sein, daß nur eine der Fühleinheiten 2 oder 3 - bspw. die Fühleinheit 2 - der zu erfassenden Strahlung ausgesetzt ist. Dies läßt sich erreichen, indem man die Fühleinheit 3 abschirmt oder Bildrichtmittel einsetzt. Anfänglich erwärmt die auf die Fühleinheit 2 auftreffende Infrarotstrahlung den äußeren leitenden Belag 7 und erhöht damit die Temperatur der Elektretschicht 5.

Dieser Temperaturanstieg der Schicht 5 führt zur Erzeugung elektrostatischer Ladungen entgegengesetzter Polarität auf den Oberflächen der Schicht 5, wie.in der Fig. 2 gezeigt; diese Ladungen sammeln sich auf den leitenden Belägen 7 und 6 an. Infolge der Isolierschicht k wird der Temperaturanstieg der Fühleinheit 2 nicht auf die Fühleinheit 3 übertragen· Vielmehr verteilen sich die von der Schicht 5 erzeugten elektrostatischen Ladungen zwischen

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den Gruppen der Platten B und 1o sowie 7 und 9 über die diese miteinander verbindenden Verbindungen 13 bzw. 14. Auf diese Weise besteht ein elektrostatischess Potential zwischen den Plattennruppen 7, 9 bzm. B, 1d und liefert ein Fühlsignal an die Fühlschaltunq 17, das der Stärke der Bestrahlung der Fühleinheit 2 entspricht. Weiterhin hat sich herausgestellt, daB die Empfindlichkeit des Sensors 12 bei der Erfassunn von Strahlung sich erhöhen läßt, indem man die äußeren leitenden Beläge 7, 9 der Fühleinheiten 2 und 3 mit einer dünnen schwarzen Schicht versieht, um die Strahlungsabsarpdes Sensors 12 zu verbessern.

Um den' Sensor 12 als Biegespannungsindikator einzusetzen, seilte die Isolierschicht if aus einem Material bestehen, das im Verhältnis zu den Elektretschichten 5 und G und den Belägen 7 bis 1o verhältnismäßig steif ist. Auf diese Weise biegt das Fühlmedium 1 sich um die Längsmitte des Isoliermaterials h, das daher einen Punkt darstellt, der Hompressions- bzw. expansionsfrei bleibt. Unter diesen Bedingungen bewirkt ein Biegen des Mediums 1, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Dehnung der Schicht 5 und ein Zusammendrücken der Schicht S. Ein Biegen des Mediums 1 in entgegengesetzter Richtung drückt ^! die Schicht 5 zusammen und dehnt die Schicht 6.

Infolge der Dehnung und des Zusammendrückens der Schichten 5 und 6 treten auf

; den Oberflächen der Schichten 5 und 6 piezoelektrisch erzeugte Ladungen auf,

' wobei die Ladungen auf den inneren Flächen der Schichten 5 und 6 eine PoIa- ■

! rität und die Ladungen auf den anderen Oberflächen die andere Polarität ha-

ί ben, wie in Fig. 3 gezeigt. Folglich erhält die Fühlschaltung 17 ein Fühlj signal, das direkt der Biegung dea Mediums 1 entspricht.

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Im Genensatz zu dem oben beschriebenen Strahlunns- bzw. Bienunqserfassunaseinsatz ist der Sensor 12 neqen pyroelektrische Ladunaserzeugunq auf den Oberflächen der Schichten 5 und 6, tjsnn das Fühlmedium 1 aleichmäßig er-UJärmt wird, kompensiert. Diese Erwärmung kann auftreten, wenn die Temperatur der Umqebuna, in der der Sensor 12 sich befindet, sich ändert.

Bei einer gleichmäßigen Temperaturänderuna des Fühlmediums 1 erzeugen die Elektretschichten 5 und 6 pyroelektrische Ladunqen, und zuiar entsprechend ihrem Polungsgrad, dem Ausmaß der Temperaturänderung und der Polungsrichtunq. Da die Schichten 5 und S in der gleichen Richtung gepolt sind, sammelt sich auf den Belägen 7 und 1o eien gleichmäßige Verteilung der pyroelektrisch entstandenen elektrostatisrhen Ladungen der einen Polarität und auf den Belägen 8 und 9 eine gleiche l/erteilung derartiger Ladungen, aber der entgegengesetzten Polarität. Infolge der gegenseitigen Verbindung der Beläge 7 und 9 durch die Leitung 14 und der Beläge θ und 1c durch die Leitung 13 heben die gegeneinander gepolten Ladungen einander auf, weshalb der Fühlschaltung 17 keine Nettoladung geliefert wird.

Zusätzlich zur Verwendung in dem oben beschriebenen Sensor 12 läßt das Fühlmedium 1 sich auch zur Ausbildung eines Sensors 2o verwenden, wie ihn die Fig. k zeigt. Der Sensor 2o ist - wie der Sensor 12 - temperaturkompensiert. Jedoch erfolgt diese Hompensation mit einem Differenzverstärker 21, dessen Eingänge 22 und 23 an die leitenden Beläge 7 bzw. 1o - bei geerdeten Belägen 8 und 9 - gelegt sind. Falls erwünscht, kann man den Verstärker 21 auch an die Platten 8, 9 legen und die Platten 7 und 1o erden. Da der Verstärker 21 « eine Ausgangsgröße nur dann an eine Fühlschaltung Zk liefert, wenn die elektrischen Signale an den Eingängen 22 und 23 sich un-

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terscheiden, ergeben gleiche Temperaturveränderunaen der Fühleinheiten 2 und 3 keine Anzeine des Sensors Za. Ändert sich jedoch an nur einem der Sensoren 2 oder 3 die Temperatur, gibt der Differenzverstärker 21 ein Fühlsignal an die Schaltung 25 ab.

Die Fig. 5 zeint nun eine zweite, derzeit bevorzugte Ausführungsfarm der vorlieqenden Erfindung in Farm eines Fühlmediums 27. Ähnlich dem Medium 1 weist das Medium 27 zwei Fühleinheiten 28 und 29 auf, die von der Isolierschicht 3o voneinander getrennt werden und jeweils mit einer gepolten Elektretschicht 31 bzw. 32 ausgebildet sind. Die Schicht 31 ist auf jeder ebenen Fläche mit den leitenden Belägen 33 und 34 versehen, die ebenen Flächen der Schicht mit den leitenden Belägen 35, 3S. Der grundsätzliche Aufbau des Mediums 27 entspricht also dem des Mediums 1, wobei der Unterschied darin liegt, daß die Schichten 31, 32 so angeordnet sind, daß ihre Polungen einander entgegengesetzt sind, wie es die einnezeichneten Pfeile ausdrücken sollen.

Das Fühlmedium 27 läßt sich zur Ausbildung eines temperaturkompensierten Sensors 37 einsetzen, wenn man die äußeren leitenden Beläge 33 und 35 mit einer Leitung 38, die vorzugsweise geerdet ist, miteinander verbindet und eine Fühlschaltung 39 über die inneren leitenden Beläge 34, 36 legt. Infolge der entgegengesetzten Palung der Elektretschichten 31 und 32 und entsprechend der abigen Erläuterung zur Funktionsweise des Mediums 1 ergibt sich eine gleiche Temperaturänderung beider Fühleinheiten 28, 29 die Ansammlung gleicher elektrostatischer Ladungen der gleichen Polarität auf den inneren leitenden Belägen 34, 36. Die Fühlschaltung 39 liefert also keine Anzeige. Wenn demgegenüber nur eine der Fühlschaltungen 28 ader 29 eine Temperatur-

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änderung erfährt ader wenn man das Medium 27 unter Spannung bringt, nimmt die Fühlschaltung 39 ein Fühlsinnal auf. Anstatt selbst zur Ausbildung des Sensors 3.7 eingesetzt zu fusrden, kann man das Fühlmedium 27 mit einem Differenzverstärker ko einsetzen, ude es die Fig. 6 zeigt, um einen Sensor 41 auszubilden. Die Eingänge kZ und U3 des Verstärkers ha sind vorzugsweise an die äußeren leitenden Beläne 33 und 35 der Fühleinheiten 28 bzw. 29 angeschlossen, die inneren Beläge 3k und 36 vorzugsweise geerdet. Diese Anschlußuieise kann jedoch erwünschtenfalls umgekehrt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft folglich ein Fühlmedium, das sich in seinen unterschiedlichen Ausführunqsformen zur Ausbildung einer Vielzahl von Sensoren einsetzen läßt, die innerhalb eines breiten Bereichs von Strahlunns- bzw. Spannungserfassungsanuendunqen, bei denen eine Temperaturkompensation des Sensors erwünscht ist, Anwendung finden können.

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Claims

Patentansprüche

1. J ■ Temperaturkompensierter Sensor mit einer ersten

Fühleinheit aus einer ersten Schicht aus gepcltem pyroelektrisch^ Material, das elektrostatische Ladungen auf seinen ebenen Flächen erzeugt, uenn seine Umgebungstemperatur sich ändert, wobei die Ladungen auf einer ersten ebenen Fläche der Schicht den Ladungen auf einer zweiten ebenen Fläche der Schicht entgegengesetzt gepolt sind, und einem ersten Paar leitender Beläge, die Fläche an Fläche mit der pyroelektrisch^ Schicht in Berührung stehen und von denen ein Belag auf der ersten Fläche der Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Fläche der Schicht angeordnet sind, und mit einer zweiten Fühleinheit aus einer zweiten Schicht aus gepoltem pyroelektrischen Material, das elektrostatische Ladungen auf seinen ebenen Flächen erzeugt, wenn seine Umgebungstemperatur sich ändert, wobei die Ladungen auf einer ersten ebenen Fläche der zweiten Schicht den Ladungen auf einer zweiten ebenen Fläche der zweiten Schicht einander und auch den Ladungen auf der zweiten Fläche der ersten Schicht entgegengesetzt gepolt sind, und mit einem zweiten Paar leitender Belöge, die Fläche auf Fläche in Berührung mit der zweiten pyroelektrisch^ Schicht stehen und von denen ein Belag auf der erBten Fläche der Schicht und ein zweiter Belag auf der zweiten Fläche der Schicht ; angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (k, 3o) aus thermisch und elektrisch isolierendem Material zwischen der ersten und der zwei-J ten Fühleinheit Fläche auf Fläche in Berührung mit jeweils einem der leiten-

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den Beläne jeder der Fühleinheiten anneordnet ist, um die Fühleinheiten thermisch voneinander zu isolieren, daß Verbindunnsmittel (13, 14 und 22, 23 und 42, 43) die verschiedenen Beläne der Paare elektrisch untereinander zu zwei Gruppen miteinander verbundener Beläge verbinden, wobei jede Gruppe mindestens einen Belag auf einer Fläche der ersten pyroielektrischen Schicht und mindestens einen Belag auf einer Fläche der zweiten pyroelektrischen Schicht enthält, und daß eine Fühleinrichtung (17, 24, 39, 4o) an die beiden Gruppen miteinander verbundener Beläne angesnh]D5?en ist. um elektrostatische Ladungen auf mindestens einer der beiden Gruppen von Belägen nur dann zu erfassen, wenn die Beläqe nicht gleiche Temperaturänderungen erfahren.

2. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6, 32) unterschiedlich stark gepolt sind, die Paare leitender Beläge jedoch unterschiedlich groß ausgestaltet sind, um gleiche Ladungsansammlungen zu erzeugen, ωεηπ die pyroelektrischen Schichten gleiche Temperaturänderungen erfahren.

3. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch Gekennzeichnet, daß die Polungsrichtung der pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6, 32) im wesentlichen gleich ist.

4. Temperaturkompensierter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrischen Schichten (5, 31 und 6, 32) den gleichen Polungsgrad aufweisen und die Paare leitender Beläge im wesentlichen gleich groß sind.

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5. TEmperaturkompEnsiErtEr Sensor nach Anspruch

1, dadurch qEkEnnzEichnet, daß mindestEns sin Belan Eines der Etelanpaare ein strahlunnsabsorbiBrendES Material trägt.

5. TempEraturkampEnaiErtBr Ssnsor nach Anspruch 1, dadurch qEkennzeichnEt, daß die pyraslektrischen Schichten (5, 31 und

6, 32) in im LJESEntlichsn entqeqenqBSEtztEn Richtunqsn nspolt sind.

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