FR2790635A1 - Dispositif triboelectrique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne le domaine de la triboélectricité et a plus particulièrement pour objet un dispositif du type comportant des moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation à un matériau, appelé aussi premier matériau dans la suite, ces moyens comportant une source de tension, un amplificateur polarisateur et des électrodes, caractérisé en ce que le matériau est un polymère ou un produit organique diélectrique ou non piézo-électrique ou faiblement piézo-électrique et en ce que les électrodes ne sont pas solidaires de ce matériau, permettant ainsi des déplacements relatifs des électrodes par rapport au matériau avec frottements.Un tel dispositif peut, par exemple, être utilisé dans les transducteurs électromécaniques mis en oeuvre dans les antennes sonar.

Description

L'invention concerne le domaine de la tribo-électricité et a plus
particulièrement pour objet un transducteur tribo-électrique. Un tel dispositif peut, par exemple, être utilisé dans les capteurs, de type transducteurs électromécaniques, mis en oeuvre dans les antennes sonar. Ces transducteurs peuvent être des hydrophones, des accéléromètres, des capteurs de pression hydrostatique, de déforrnation, de force ou de température ou des systèmes complexes pouvant associer ces différentes fonctions. Ces dispositifs peuvent également être utilisés, dans l'air, dans des microphones, des accéléromètres, des claviers de téléscripteurs
ou d'ordinateurs ou des détecteurs de chaleur.
La plupart des transducteurs utilisés dans l'industrie utilisent des matériaux
piézo-électriques, notamment composites.
Ainsi, le brevet US2420864 décrit un procédé de fabrication d'un matériau piézo-électrique comportant une matrice en matière plastique et un monocristal piézo-électrique. Les matières plastiques citées sont les celluloïdes, les acétates de
celluloses, les caoutchoucs chlorés, les phénol-formaldéhydes, les résines phénols-
furfurol, les acrylates, les méthacrylates et les polystyrènes, tandis que les monocristaux sont choisis parmi le sel de Seignette, la tourmaline, le saccharose et
l'acide tartrique.
Ces matériaux sont conçus pour être utilisés uniquement en mode hydrostatique, c'est-à-dire en soumettant toute leur surface à la pression acoustique incidente. Toutefois, ces monocristaux ont de très faibles constantes hydrostatiques
et sont donc peu efficaces.
Les monocristaux ont été progressivement remplacés par des céramiques de perovskistes, et plus particulièrement par du titano-zirconate de plomb (PZT) ou
du titanate de baryum, pour la mise en oeuvre de fortes puissances d'émission.
Cependant, à la réception, leur constante hydrostatique est inférieure à celle de monocristaux tel le sulfate de lithium. Aussi, leur utilisation est limitée aux modes de
compression privilégiés appartenant aux types 33,31 ou 32.
Le brevet US74233485 décrit un matériau piézo-électrique composite constitué de poudre de céramique et de polymère. Cette poudre est un mélange fritté de titanate de plomb et d'oxyde double de fer et de bismuth dont la taille moyenne des grains est de 5 microns tandis que la part pondérale de l'oxyde double
de fer et de bismuth est comprise entre 50 à 80%.
Le brevet US4407054 décrit un matériau piézo-électrique composite composé d'un pré polymère tel un mélange d'huile de ricin et d'isocyanate de ricinoléate, et un matériau piézo-électrique tel le quartz, le PZT, la tourmaline, l'acide
tartrique ou le sulfate de lithium.
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Enfin, le brevet US4868856 décrit un matériau piézo-électrique composite
constitué d'un polymère réalisé à base de polyuréthanne et d'un matériau piézo-
électrique tel l'acide tartrique, un monosaccharide, un disaccharide ou un carboxylate. Il est aussi connu que les produits appelés "Electrets", obtenus en soumettant des cires, rendues liquides par chauffage, à un fort champ électrique au cours de leur phase de refroidissement, présentent des propriétés pyroélectriques et
piézo-électriques prononcées et permanentes.
Tous ces matériaux présentent de nombreux inconvénients, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des hydrophones. En effet, leur polarisation ou, d'une manière plus générale, leurs propriétés piézo- électriques, sont figées à l'issue de leur fabrication et, de ce fait, leur mode de fonctionnement est unique ou spécialisé (mode hydrostatique, mode 33, 31, 15 etc.). A titre d'exemple, un composite obtenu en mélangeant des grains d'acide tartrique ou de sulfate de lithium avec une résine non encore polymérisée, puis en polarisant les grains par l'un des procédes décrits dans les brevets antérieurs ne pourra être utilisé qu'en mode hydrostatique, et ses propriétés piézo-électriques sont, en principe, invariables ou varient lentement dans
le temps.
L'un des buts de la présente invention est d'obtenir en revanche un matériau dont les propriétés peuvent varier à volonté par l'application d'un champ électrique lorsque le transducteur comprenant ce matériau, ou l'antenne comprenant les transducteurs utilisant ce matériau, est en fonctionnement. Ainsi lorsque, par exemple, une antenne présente une panne, un matériau selon l'invention permet d'y pallier en intervenant dans l'antenne. Il n'est donc pas nécessaire de procéder à ces corrections au niveau du récepteur, ce qui n'est pas toujours possible, ou ce qui
augmente le coût dudit récepteur.
Les antennes peuvent également être soumises à des bruits gênants ou à des signaux parasites permanents ou transitoires. L'invention permet d'éliminer ou de réduire ces bruits gênants ou ces signaux parasites en modifiant de manière
directe les caractéristiques des capteurs élémentaires.
Pour cela, on connaît le brevet FR9404853 qui décrit un dispositif piézo-
électrique comportant des moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation à un matériau piézo-sensibles, ces moyens comportant une source de
tension, un amplificateur polarisateur et des électrodes solidaires du matériau piézo-
électrique composite, ainsi que, préférablement, des moyens aptes à régler la valeur
de la tension U de polarisation.
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Un tel dispositif comporte un matériau piézo-électrique composite dont le procédé de fabrication nécessite de nombreuses étapes successives et contraignantes. Le but de l'invention est de proposer un nouveau transducteur présentant les mêmes fonctionnalités que celui décrit dans le brevet FR9404853 mais présentant
une sensibilité améliorée et mettant en oeuvre un matériau plus simple à fabriquer.
La solution apportée est un dispositif du type comportant des moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation à un matériau, appelé aussi premier matériau dans la suite, ces moyens comportant une source de tension, un 1o amplificateur polarisateur et des électrodes, caractérisé en ce que le matériau est un polymère ou un produit organique diélectrique ou non piézo-électrique ou faiblement piézo- électrique et en ce que les électrodes ne sont pas solidaires de ce matériau, permettant ainsi des déplacements relatifs des électrodes par rapport au matériau
avec frottements.
Selon une caractéristique particulière, un second matériau électriquement
conducteur est interposé entre chacune des électrodes et le matériau.
Selon une caractéristique particulière, le second matériau consiste en de
l'huile de vaseline.
Selon une réalisation préférentielle, le matériau en polymère ou en produit organique diélectrique, est choisi parmi les polystyrènes, polysulfones, polycarbonates, polypropylènes, polyéthylène, téréphtalates de polyéthylène, oxydes de polyphénylène, les élastomères de polyuréthanne, les polyvinylecarbazols et les fluorures de polyvinylidène, les esters de polyacrylate ou de de polyméthacrylate, les chlorures de polyvinyle, polyvinylidènes, les polymères d'acrylonitrile ou de méthacrylonitriles, les acétates de polyvinyle, celluloides, acétates de cellulose, polyvinylepyrrolidones, polymères cellulosiques, phénol-formaldehydes, les résines phénols-furfural, les polymères solubles de polyimide, les résines époxydes, les résines polymérisables, les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines silicones, les colles de carbinol ou d'os, les polystyrols, les gommes laque,
ou les copolymères de vinylidène et de trifluorèthylène.
Selon une caractéristique additionnelle, les moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation comportent en outre des moyens aptes à régler la valeur
de la tension U de polarisation.
En outre la tension U appliquée au matériau peut être continue ou
alternative.
Selon une caractéristique privilégiée, ces électrodes sont du type peigne.
Selon une autre caractéristique, le premier matériau comporte des particules, telles des fibres, des poudres ou des fragments d'objets ou de matériaux, qui sont, suivant les cas, piézo-électriques, faiblement piézo-électriques, voire non piézo-électriques. Selon une autre caractéristique, la taille des particules est comprise entre
5.10-9m et 5.10-3m.
s Selon une caractéristique préférentielle, ces particules sont de taille
sensiblement identique.
Selon une caractéristique particulière, ces particules sont issues, en totalité ou en partie, d'au moins un matériau biologique ou de feuilles ou de plaques de matières plastiques piézo-électriques pré polarisées dans le sens de l'épaisseur ou
o10 non pré polarisées, ou de microcristaux.
Selon une caractéristique préférentielle, le matériau biologique est choisi parmi des oligosaccharides, des homopolysaccharides, des hétéropolysaccharides, des glycosaminoglycanes, des protéoglycanes, des terpènes, des stéroides, des acides aminés, des oligopeptides et des polypeptides, des protéines, des
nucléotides, des acides nucléiques, de l'urée ou des soies naturelles.
Selon une autre caractéristique, ces particules sont issues, en totalité ou en partie, des microcristaux ou des fibres de tartrate d'ammonium, de tartrate de potassium, de tartrate de diamine éthylène, de tartrate de dipotassium, de chlorate de sodium, de bromate de sodium, d'hexahydrate de sulfate de nickel, d'acide iodique, de benzophénone, de gallate de lithium hydraté, ou déshydraté, de polyvinyledifluoridène, de chlorure de polyvinyle, de copolymère d'acétate de vinyle et de cyanide de vinylidène, de copolymére de vinylidène et de trifluoréthylène, du fluorure de polyvinyle, de nylon, de polyacrylonitrile, du polyparaxylylène, de polybichlorométhyloxétane, de polyamide aromatique, de polysulfone, de cyanoéthylcellulose, de monosaccharides, de disaccharides, de brushite, de
monétite ou de sels d'acide carboxylique.
On peut ainsi obtenir un dispositif triboélectrique et piézoélectrique bimode ou polymode à polarisation variable, c'est-à-dire un matériau qui, suivant la nature de ses composants peut être, par exemple, utilisé soit en mode 33, soit en mode hydrostatique, le mode de fonctionnement dépendant de la façon dont les contraintes mécaniques sont appliquées au matériau et de la direction du champ
électrique appliqué audit matériau.
En utilisant au moins deux dispositifs selon l'invention, on peut directement
obtenir un capteur pouvant fonctionner simultanément selon deux modes différents.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront
dans la description de variantes de réalisation appliquées principalement à des
hydrophones, en regard des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 présente un dispositif selon un premier exemple de réalisation de l'invention - les figures 2a à 2d présentent des moyens d'application, dans le cadre d'un second exemple de réalisation de l'invention, d'une tension de polarisation U. - la figure 3 présente un schéma d'un moule servant à la fabrication d'un
io matériau triboélectrique selon l'invention,.
- la figure 4 montre un schéma des moyens de raccordement électriques des électrodes, - la figure 5 présente un schéma général des moyens constitutifs de l'invention, - les courbes de la figure 6 présentent l'évolution de la sensibilité d'un hydrophone selon la variante en fonction de la fréquence et de la tension de polarisation. Un dispositif selon l'invention est présenté sur la figure 1. Il comporte un premier matériau 1 consistant en de la résine silicone, un deuxième matériau 2 se présentant sous la forme d'un film de vaseline et des moyens 9 aptes à appliquer, à ces matériaux une tension de polarisation U. Ces derniers moyens 9 comportent deux électrodes 12 et 13 électriquement connectées à un amplificateur polarisateur 1 1 lui- même relié à des moyens 10 aptes à générer une différence de potentiel entre
les électrodes, ces moyens étant appelés source de tension 10 dans la suite.
Les figures 2a et 2b explicitent les moyens 9 d'application d'une tension de polarisation U, respectivement à un tube 6 et à un disque 7 constitués par une matrice en polymère comportant des particules de monétite et séparés des électrodes qui les entourent par un film de vaseline. Chacun des moyens 9, comporte une source de tension 10 apte à générer entre les électrodes 12 et 13 une différence de potentiel U. V est le signal basse tension délivré par l'ensemble électrodes-matériaux lors du fonctionnement du dispositif, et a représente le facteur
d'amplification de l'amplificateur différentiel 14.
L'intérêt de ce type de montage est le suivant: les tubes 6 sont reliés à un préamplificateur différentiel comme montré sur la figure 2c, ce qui permet d'exploiter pleinement leur sensibilité hydrophonique. En revanche les disques 7, étant reliés à un préamplificateur différentiel comme indiqué sur la figure 2d, fonctionnent en
accéléromètres. On a ainsi l'exemple d'un capteur doté de deux fonctions.
La polarisation variable appliquée aux éléments sensibles 6 et 7 crée une troisième fonction qui est la correction des dissymétries des éléments sensibles (différences de sensibilités aux pressions acoustiques) comme mentionné précédemment et la correction des défauts qui pourraient apparaître dans ces matériaux au cours du temps. On peut ainsi obtenir une véritable fonction adaptative. Là encore, on peut faire varier la polarisation à volonté et corriger ainsi les défauts de symétrie des éléments sensibles pour mieux compenser des
accélérations parasites.
Un procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention peut être le suivant: Le dispositif comporte un premier matériau, en l'occurrence une résine
silicone fournie par la Société RHODORSYL.
La résine silicone se présente sous la forme d'une résine A et d'un durcisseur B. Quarante grammes de résine et quatre grammes de durcisseur sont mélangés au moyen d'un mélangeur. Le mélange est ensuite dégazé au moyen
d'une pompe à vide.
La résine étant toujours à l'état de pré polymère est injectée, à travers un orifice d'injection 123, dans un moule en matière plastique comportant deux parties 124,125 en Plexiglas et de forme tubulaire mais de diamètre différent, chacune d'elle comportant en outre, comme montré sur la figure 3, les empreintes positives 126,127 des électrodes qui, en l'occurrence, sont en bronze d'aluminium et ont la forme d'un peigne. Pour la partie de plus grand diamètre, les empreintes 127 sont disposées sur la face interne du tube tandis que pour celui de plus petit diamètre, elles le sont sur sa face externe. Ces empreintes 126, 127 ont une dimension légèrement supérieure à celle des branches des électrodes peigne de telle sorte que lorsque les électrodes sont positionnées sur le matériau, il existe un jeu entre eux de l'ordre du dixième de millimètre. On laisse la résine se polymériser pendant 48 heures. On trempe alors le matériau dans un bain de vaseline puis on place les électrodes. Un film de vaseline s'instaure alors entre la résine et les électrodes. On rapporte alors les électrodes 121 et 122, comme montré sur la figure 4, puis un câble électrique coaxial 131,et équipé à son extrémité extérieure d'une prise 132. La tresse 133 du câble 131 est reliée à l'électrode externe 122. Le conducteur central 134 du câble 131 est relié à l'électrode interne 121. L'ensemble est placé dans un autre moule pour recevoir un enrobage extérieur 135 de résine polyuréthanne. Au cours de cette opération, une partie du câble 131 est surmoulée par l'enrobage 135. On obtient ainsi un capteur qui est
utilisé comme hydrophone.
Comme montré sur la figure 5, la prise 132 est reliée à un amplificateur/polarisateur 11, se présentant sous la forme d'un coffret, qui est pourvu d'une embase coaxiale 142, et qui permet en même temps de recueillir le signal délivré par l'hydrophone et de le soumettre à une tension de polarisation continue. Cette tension peut varier, en fonction de la sensibilité que l'on désire, de 0V
à 2kV. Elle est réglée par un potentiomètre 143.
L'amplificateur/polarisateur 11 est relié à une source de tension continue 10 par l'intermédiaire d'un câble 145. Le câble 145 est connecté directement à l'intérieur du coffret et ce dernier est muni d'une prise 146, qui permet de récupérer le signal
basse tension délivré par l'hydrophone et amplifié dans ce coffret.
La sensibilité de cet hydrophone a été évaluée dans une cuve acoustique.
Les mesures ont été faites en utilisant un signal acoustique étalonné dans une bande de fréquence allant de 2,5 kHz à 10 kHz. En l'absence de tension de polarisation, I'hydrophone ne présente pas de sensibilité. On obtient une sensibilité mesurable à partir d'une tension de polarisation de 100V, et la sensibilité optimale est acquise pour une tension de polarisation de 500V. La figure 6 représente la courbe de sensibilité obtenues à 440V dans la bande de fréquences précitée. La sensibilité est exprimée en décibels, la référence étant de 1V/iLPa et elle est de l'ordre de -195dB. Une telle sensibilité est nettement meilleure que celle obtenue
avec un matériau piézo-électrique.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant: On soumet les électrodes 12 et 13 enserrant les matériaux 1 et 2 selon le premier exemple de réalisation à une différence de potentiel, par exemple de l'ordre de 500V. Ensuite lorsque l'hydrophone est soumis à une onde, le matériau 1 en
polymère, vibre par rapport aux électrodes créant alors des frottements entre eux.
Ces frottements engendrent des charges, notamment des électrons qui, sous l'effet de la différence de potentiel migrent vers l'une des électrodes générant alors un signal V qui est amplifié par l'amplificateur polarisateur puis transmis à des moyens
de traitement aptes à identifier le type d'onde auquel le dispositif est soumis.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif du type comportant des moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation à un matériau, appelé aussi premier matériau dans la suite, ces moyens comportant une source de tension, un amplificateur polarisateur et des électrodes, caractérisé en ce que le matériau est un polymère ou un produit organique diélectrique ou non piézo-électrique ou faiblement piézo-électrique et en ce que les électrodes ne sont pas solidaires de ce matériau, permettant ainsi des
déplacements relatifs des électrodes par rapport au matériau avec frottements.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un second matériau électriquement conducteur est interposé entre chacune des électrodes et le matériau.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que Selon une
caractéristique particulière, le second matériau consiste en de l'huile de vaseline.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à3, caractérisé en
ce que le matériau en polymère ou en produit organique diélectrique, est choisi parmi les polystyrènes, polysulfones, polycarbonates, polypropylènes, polyethylène, téréphtalates de polyéthylène, oxydes de polyphénylène, les élastomères de polyuréthanne, les polyvinylecarbazols et les fluorures de polyvinylidène, les esters de polyacrylate ou de polyméthacrylate, les chlorures de polyvinyle, polyvinylidènes, les polymères d'acrylonitrile ou de méthacrylonitriles, les acétates de polyvinyle, celluloïdes, acétates de cellulose, polyvinylepyrrolidones, polymères cellulosiques, phénol-formaldéhydes, les résines phénolsfurfural, les polymères solubles de polyimide, les résines époxydes, les résines polymérisables, les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines silicones, les colles de carbinol ou d'os, les polystyrols, les gommes laque, ou les copolymères de vinylidène et de trifluorèthylène.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce les moyens permettant d'appliquer une tension de polarisation comportent en outre des moyens aptes à régler la valeur de la tension U de polarisation.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en
ce que la tension (U) appliquée au matériau est altemrnative.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en
ce que la tension (U) appliquée au matériau est continue.
8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lorsque le dispositif n'est pas piézo-électrique, lesdites électrodes sont du type peigne et en
bronze d'aluminium.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en
ce que le premier matériau comporte des particules. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la taille des
particules est comprise entre 5.10-9m et 5.10-3m.
11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que, ces particules
sont de taille sensiblement identique.
12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé
en ce que ces particules sont issues, en totalité ou en partie, d'au moins un matériau biologique ou de feuilles ou de plaques de matières plastiques piézo-électriques pré
polarisées dans le sens de l'épaisseur ou non pré polarisées, ou de microcristaux.
13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau biologique est choisi parmi des oligosaccharides, des homopolysaccharides, des hétéropolysaccharides, des glycosaminoglycanes, des protéoglycanes, des terpènes, des stéroldes, des acides aminés, des oligopeptides et des polypeptides, des protéines, des nucléotides, des acides nucléiques, de l'urée ou des soies naturelles.
14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé
en ce que ces particules sont issues, en totalité ou en partie, des microcristaux ou des fibres de tartrate d'ammonium, de tartrate de potassium, de tartrate de diamine éthylène, de tartrate de dipotassium, de chlorate de sodium, de bromate de sodium, d'hexahydrate de sulfate de nickel, d'acide iodique, de benzophénone, de gallate de lithium hydraté, ou déshydraté, de polyvinyledifluoridène, de chlorure de polyvinyle, de copolymère d'acétate de vinyle et de cyanide de vinylidène, de copolymère de vinylidène et de trifluoréthylène, du fluorure de polyvinyle, de nylon, de polyacrylonitrile, du polyparaxylylène, de polybichlorométhyloxétane, de polyamide aromatique, de polysulfone, de cyanoéthylcellulose, de monosaccharides, de
disaccharides, de brushite, de monétite ou de sels d'acide carboxylique.
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