ES2967659T3 - Dispositivo de transducción de señales - Google Patents
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Abstract
El dispositivo de transducción de señales (1) comprende al menos un sensor piezocerámico (4) soportado sobre un elemento de soporte (2) y que presenta un revestimiento protector integral (16) que tiene propiedades de resistencia mecánica y térmica, estando dicho revestimiento protector integral (16) en contacto directo o indirecto con dicho elemento de soporte (2) perimetralmente a dicho sensor piezocerámico (4) para dirigir una parte predeterminada de una fuerza de compresión externa que actúa sobre dicho sensor piezocerámico (4) sobre un área del elemento de soporte (2) que rodea dicho sensor piezocerámico (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de transducción de señales
La presente invención está relacionada con un dispositivo de transducción de señales apto para funcionar en condiciones físicas límite muy exigentes, en especial en lo relativo a estreses intensos de tipo térmico y mecánico. El uso de sensores piezoeléctricos para la transducción de una señal es bien conocido en muchos sectores.
Los sensores piezoeléctricos aprovechan la propiedad que tienen algunos materiales cristalinos de polarizarse generando una diferencia de potencial cuando son sometidos a deformación mecánica y deformándose de forma elástica al ser atravesados por una corriente.
Entre las aplicaciones más comunes en las que se hace uso de sensores piezoeléctricos, se encuentran encendedores de gas para cocinas, instrumentos sísmicos, instrumentos acústicos y musicales, detectores de presión, detectores de tiempo, micrófonos, generadores de sonido, actuadores de movimiento, sondas ultrasónicas, etc.
El uso de sensores piezoeléctricos se ha extendido, sobre todo, en áreas donde no se requiere una alta resistencia a los estreses térmicos y mecánicos que se encuentran en la naturaleza. Los documentos de patente US7124639B1, US2006/179952 y US2009/157358 revelan todos dispositivos de transducción de señales que tienen diferentes implementaciones de revestimientos protectores.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo de transducción de señales del tipo piezoeléctrico que pueda funcionar también en condiciones de elevado estrés térmico y mecánico.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo de transducción de señales del tipo piezoeléctrico que se pueda utilizar en diversas aplicaciones industriales. En particular, el objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo de transducción de señales del tipo piezoeléctrico cuyo funcionamiento sea sencillo, robusto, preciso y fiable. Es posible alcanzar estos y otros objetivos mediante un dispositivo de transducción de señales según la invención, tal como se define en la reivindicación 1.
Preferiblemente, el revestimiento protector del dispositivo de transducción de señales reivindicado está formado por un material que comprende una resina o un material cerámico.
El dispositivo de transducción de señales según la invención se puede utilizar en un entorno con una temperatura no inferior a 200° C.
El dispositivo de transducción de señales según la presente invención puede resultar ventajoso en cualquier aplicación que implique temperaturas y presiones elevadas (al menos potencialmente).
La tecnología de alta temperatura, junto con la tecnología de serigrafía, el sensor y las pastas de soldadura derivadas de la tecnología de pastillas de freno con sensores hacen que la aplicación sea resistente a las altas temperaturas. El uso de material específico para el revestimiento protector garantiza la robustez con respecto a la aplicación de presión.
En cuanto a este último punto, según la invención, el uso de material para el revestimiento protector con módulos elásticos más pequeños que los típicos módulos de los materiales piezocerámicos aportará un efecto de amortiguación que permitirá reducir las fuerzas aplicadas al sensor piezocerámico.
Es importante tener en cuenta este aspecto en todos los casos que, debido a la alta carga aplicada, requerirían aumentar las dimensiones del sensor piezocerámico para soportar dicha carga al mismo tiempo que se mantiene la carga real aplicada en el sensor piezocerámico muy por debajo de su límite crítico de rotura mecánica.
Al contrario, se obtendrá un efecto de amplificación que aumenta las fuerzas aplicadas al sensor piezocerámico en los casos en que se utilice un material más duro para el revestimiento protector. Esto resultará ventajoso siempre que se requiera una amplificación porque las fuerzas a medir sean demasiado pequeñas o la sensibilidad del sensor piezocerámico no sea suficiente para cubrir todo el rango de valores medidos.
Las aplicaciones típicas, cuando se requiere un efecto de amortiguación, son los sensores de presión para plantas de extracción de petróleo, donde las presiones y temperaturas pueden ser muy elevadas, o más bien en el sector del automóvil, con sensores de presión para el control de la inyección de los motores. También en este caso, las presiones y las temperaturas son extremadamente altas. Lo ventajoso sería tener sensores más pequeños y económicos, pero que se mantuviera una buena sensibilidad en el rango de las de presiones a medir para estas aplicaciones específicas.
Las aplicaciones típicas, cuando se requiere un efecto de amplificación, pueden ser en el sector de la biomedicina, donde es posible alcanzar sensibilidades comparables mediante sensores de presión más pequeños y económicos. Entre las diferentes aplicaciones posibles, el dispositivo de transducción de señales según la invención puede integrarse preferentemente en un medidor de fuerza o en un actuador de movimiento lineal, por ejemplo, el actuador de una herramienta de una máquina para trabajar una pieza en caliente, o un vibrador.
Otras características y ventajas relacionadas de la presente invención se aclararán más adelante a partir de la siguiente descripción de una forma de realización no limitativa ejemplificativa, proporcionada únicamente a título ilustrativo y con referencia a los dibujos que se adjuntan, en los que:
- La figura 1 ilustra una sección de un dispositivo de transducción de señales.
Respecto a las figuras, el número 1 se refiere a un dispositivo de transducción de señales en su conjunto; - Las figuras 2a, 2b y 2c muestran de forma esquemática un método de aplicación de la capa de protección mediante la técnica Dam&Fill.
El dispositivo de transducción de señales 1 comprende un elemento de soporte plano en forma de placa 2 y uno o más sensores piezocerámicos 4 soportados por el elemento de soporte 2.
En el caso que se muestra y a continuación se hará referencia, sin limitaciones, a casos en los que existe un único sensor piezocerámico 4.
El sensor piezocerámico 4 está soportado en una disposición elevada sobre el elemento de soporte 2.
El elemento de soporte 2 soporta un circuito eléctrico aislado eléctricamente 9 que tiene contactos eléctricos conectados con los electrodos del sensor piezocerámico 4. El sensor piezocerámico 4 está hecho de materiales piezocerámicos con una temperatura de Curie superior a 200° C y está formado por un cuerpo preferentemente cilíndrico, polarizado en la dirección de su eje y delimitado por un par de caras planas opuestas 12 y 13 dispuestas, en uso, paralelas a las superficies planas principales del elemento de soporte 2.
Preferiblemente, los dos electrodos del sensor piezocerámico 4 se obtienen en la cara del sensor piezocerámico 4 orientada hacia el circuito eléctrico 9.
Algunos ejemplos específicos de sensores piezocerámicos 4 que pueden usarse son: PIC 255 (Fabricante: PI Ceramic), PIC 300 (Fabricante: PI Ceramic), PIC 181 (Fabricante: PI Ceramic), PIC 050 (Fabricante: PI Ceramic), TRS BT200 (Fabricante: TRS Ceramics), PZT5A1 (Fabricante: Morgan Advanced Ceramic), PZT5A3 (Fabricante: Morgan Advanced Ceramic). El sensor piezocerámico 4 cuenta con la ventaja de disponer de un revestimiento protector integral 16 que está en contacto directo o indirecto con el elemento de soporte 2 de forma perimetral al propio sensor piezocerámico 4.
El revestimiento protector integral 16 se encuentra sobre el elemento de soporte 2 en la posición del sensor piezocerámico 4.
El revestimiento protector integral 16 está configurado para dirigir una parte predeterminada de una fuerza de compresión externa sobre un área del elemento de soporte 2 que rodea dicho sensor piezocerámico 4.
El revestimiento protector integral 16 tiene una superficie interna de contacto directo o indirecto 17 uniforme con la superficie externa del sensor piezocerámico 4 y una base uniforme de apoyo directo o indirecto 18 sobre dicho elemento de soporte 2.
En particular, el revestimiento protector integral 16 tiene forma de cúpula.
El revestimiento protector integral 16 está hecho preferiblemente de un material a base de resina, por ejemplo, resinas de poliimida, resinas epoxi (con o sin carga), resinas de bismaleimida y resinas de cianato-éster, pero también se pueden utilizar materiales cerámicos mucho más duros que las resinas y resistentes a temperaturas superiores a 350° C.
El revestimiento protector integral 16 tiene propiedades de aislamiento eléctrico y térmico. Se pueden conferir las propiedades de aislamiento térmico y eléctrico mediante el material constituyente, o mediante una capa específica o un elemento constituyente apropiado del revestimiento protector integral 16.
En el caso ilustrado, el revestimiento protector integral 16 comprende un cuerpo principal hecho de un material aislante eléctrico dentro del cual se ubica un elemento hecho de un material aislante térmico 19.
Por lo tanto, el revestimiento protector integral 16 protege térmicamente el sensor piezocerámico 4 del calor externo, de tal manera que el sensor piezocerámico 4 puede funcionar en condiciones menos exigentes desde el punto de vista de la temperatura. Por estos efectos, se pueden utilizar diversos materiales, como por ejemplo los llamados materiales de barrera térmica (TBC), así como circonio estabilizado con itria o magnesio en forma de masillas, revestimientos con compuestos cerámicos o pinturas especiales.
Además, el revestimiento protector integral 16 protege el sensor piezocerámico 4 de las perturbaciones eléctricas externas.
El elemento de soporte 2 está cubierto con una capa aislante térmica 20 sobre la que se coloca el sensor piezocerámico 4.
En particular, la capa aislante térmica 20 está interpuesta entre el elemento de soporte 2 y el circuito eléctrico 9.
Los materiales típicos que se pueden utilizar para las capas aislantes térmicas 20 son, por ejemplo, YSZ (circonio estabilizado con itria), mullita (Al4+2xSi2-2xO10-x)), Al2O3 en fase a en combinación con YSZ, CeO2 YSZ, circonatos de tierras raras como La2Zr2O7, óxidos de tierras raras como La2O3, Nb2O5, Pr2O3, CeO2 y compuestos metalvidrio.
El método de construcción del dispositivo de transducción de señales es el siguiente.
Inicialmente, la capa aislante térmica 20 se aplica sobre el elemento de soporte 2.
A continuación, el circuito eléctrico aislado eléctricamente 9 se incorpora con el elemento de soporte 2. El circuito eléctrico aislado eléctricamente 9 se construye preferentemente mediante la técnica de serigrafía.
Primero, se deposita una capa serigrafiada inferior 9a hecha de un material aislante eléctrico sobre la capa aislante térmica 20, luego, se deposita una capa serigrafiada intermedia 9b hecha de un material conductor eléctrico sobre la capa serigrafiada inferior 9a, definiendo así el circuito eléctrico propiamente dicho, a continuación, se deposita una capa serigrafiada superior 9c hecha de un material aislante eléctrico sobre la capa serigrafiada intermedia 9b, que deja los contactos descubiertos para la conexión eléctrica del sensor piezocerámico 4.
Las capas aislantes 9a, 9c están constituidas, por ejemplo, por una base hecha de partículas de alúmina/grafito (o una matriz de silicato) sumergida de forma opcional en una matriz de naturaleza polimérica (preferiblemente poliimida), mientras que la capa conductora 9b está formada por pastas de impresión serigráfica de plata o paladio.
A continuación, se integra el sensor, estando conectado de forma eléctrica y mecánica a los contactos eléctricos del circuito eléctrico 9.
El sensor piezocerámico 4 está conectado permanentemente mediante sus dos electrodos a los respectivos contactos por medio de una capa 25 compuesta de pasta de soldadura que es conductora de electricidad a alta temperatura. En la práctica, una vez formado el circuito eléctrico 9, se aplica esta capa de pasta de soldadura a alta temperatura a la zona de los contactos o de los electrodos, después de lo cual se coloca el sensor haciendo coincidir sus dos electrodos con los contactos respectivos proporcionados por el circuito eléctrico 9. Por último, se cura el conjunto a unos 200° C, en función de y de acuerdo con las especificaciones de la pasta de soldadura utilizada, que está compuesta preferiblemente de plata como elemento base del componente conductor eléctrico. En principio, dependiendo de la pasta de soldadura elegida, se pueden alcanzar temperaturas de aproximadamente 800° C.
En este punto, el sensor 4 se reviste con el correspondiente elemento protector 16, por ejemplo, mediante goteo de material a presión estándar y temperaturas moderadas inferiores a 200° C.
En cuanto a las figuras 2a, 2b y 2c en particular, el método para aplicar el elemento protector 16 al sensor piezoeléctrico es el siguiente. La resina para el elemento protector 16 se deposita mediante un dispensador de material resinoso, preferentemente un dispensador automático. Para resinas con un nivel bajo de tixotropía, se recomienda la técnica Dam&Fill: primero, se hace un anillo de una resina tixotrópica de sacrificio alrededor del sensor para construir una especie de dique y encerrar la resina utilizada para fabricar el elemento protector 16. Luego se utiliza el material para el elemento protector 16 con el fin de llenar el dique y cubrir el sensor.
El dispositivo de transducción de señales así concebido puede funcionar en condiciones ambientales extremas gracias a su especial construcción, que asegura un aislamiento térmico y eléctrico adecuado y garantiza la integridad del sensor piezocerámico, convenientemente protegido por su revestimiento, siendo dicho revestimiento capaz de desviar al menos parte de las fuerzas de compresión externas hacia el área del elemento de soporte que rodea al sensor piezocerámico.
Las aplicaciones del dispositivo de transducción de señales así concebido y descrito se pueden extender a todos los campos de la tecnología en los que es posible que un dispositivo de transducción piezoeléctrico convencional no funcione debido a determinadas condiciones límite ambientales que lo impidan.
Claims (7)
1. Dispositivo de transducción de señales (1) que comprende al menos un sensor piezocerámico (4) soportado en una disposición elevada sobre un elemento de soporte plano en forma de placa (2) que, a su vez, soporta un circuito eléctrico aislado eléctricamente (9) sobre el cual se instala dicho sensor piezocerámico (4), dicho al menos un sensor piezocerámico (4) presentando un revestimiento protector integral (16) con propiedades de resistencia mecánica y resistencia a la temperatura,caracterizado porel hecho dequedicho revestimiento protector integral (16):
- tiene propiedades de aislamiento eléctrico y térmico;
- protege térmicamente dicho sensor piezocerámico (4) del calor externo;
- protege eléctricamente dicho sensor piezocerámico (4) de perturbaciones eléctricas externas;
- comprende un cuerpo principal hecho de un material aislante eléctrico al que se aplica un elemento (19) hecho de un material aislante térmico;
- está en contacto directo o indirecto con dicho elemento de soporte (2) de forma perimetral a dicho sensor piezocerámico (4) para dirigir una parte predeterminada de una fuerza de compresión externa que actúa sobre dicho sensor piezocerámico (4) hacia un área del elemento de soporte (2) que rodea a dicho sensor piezocerámico (4);
- el material del que el revestimiento protector (16) está hecho tiene un módulo elástico más pequeño que el del material del que el sensor piezocerámico (4) está hecho, proporcionando así un efecto de amortiguación que reduce dicha fuerza de compresión externa aplicada al sensor piezocerámico;
yporel hecho dequehay una capa térmicamente aislante (20) interpuesta entre dicho elemento de soporte (2) y dicho circuito eléctricamente aislado (9).
2. Dispositivo de transducción de señales (1) según la reivindicación 1,caracterizado porel hecho dequedicho revestimiento protector (16) está formado por un material que comprende una resina o un material cerámico.
3. Dispositivo de transducción de señales (1) según la reivindicación 2,caracterizado porel hecho dequedicho material a base de resina se selecciona entre resinas de poliimida, resinas epoxi, resinas de bismaleimida y resinas de cianato-éster.
4. Dispositivo de transducción de señales (1) según la reivindicación 1,caracterizado porel hecho dequedicho elemento protector (16) está situado en el lugar de dicho sensor piezocerámico (4).
5. Dispositivo de transducción de señales (1) según la reivindicación 1,caracterizado porel hecho dequedicho revestimiento protector (16) tiene forma de cúpula.
6. Uso de un dispositivo de transducción de señales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en un entorno que tiene una temperatura no inferior a 200° C.
7. Uso de un dispositivo de transducción de señales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 5 en un medidor de fuerza o en un actuador de movimiento lineal.
Applications Claiming Priority (2)
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