PL225481B1 - Sposób wytwarzania czujnika piezoelektrycznego i czujnik piezoelektryczny - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wieloelektrodowego czujnika piezoelektrycznego wyposażonego w zespół elektrod połączonych z elektrodą zbiorczą i osadzonych na włóknie piezoelektrycznym i czujnik piezoelektryczny.

Zjawisko piezoelektryczne, czyli powstawanie pola elektrycznego pod wpływem naprężeń m echanicznych, jest szeroko wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki i techniki. Wykorzystuje się zarówno zjawisko proste, gdy odkształcenia mechaniczne generują sygnały elektryczne, a także zj awisko odwrotne, gdy pod wpływem przebiegów elektrycznych następują odkształcenia piezoelektryka. W niektórych urządzeniach wykorzystuje się oba te zjawiska. Jednym z przykładów zastosowań są piezoelektryczne czujniki pomiaru sił, ciśnienia, prędkości i drgań.

Piezoelektrykami mogą być zarówno monokryształy, jak i polikryształy, których komórki elementarne nie mają środka symetrii. Wśród najczęściej stosowanych piezoelektryków znajdują się kwarc sodowo-potasowy, turmaliny, diwodorofosforany amonu i potasu, tytanian baru i jego związki. Do grupy piezoelektryków także należą modyfikowane cyrkonian ołowiu i tytanian ołowiu, oraz sól mieszana (Pb[Zr_xTi_1-x]O₃ 0<x<1), w skrócie nazywana PZT. Materiały ceramiczne są zdecydowanie wygodniejsze w zastosowaniach i często tańsze od piezoelektryków monokrystalicznych. Można je wytwarzać w dowolnych kształtach np. ceramiki objętościowej czy warstw ceramicznych, a także włókien.

Włókna piezoelektryczne wykazują wiele zalet w porównaniu do objętościowej ceramiki tego samego typu. Wśród nich można wyróżnić lepszą anizotropię właściwości, doskonałą elastyczność oraz większą wytrzymałość. Dzięki tym właściwościom są wykorzystywane do wytwarzania czujników piezoelektrycznych. Czujniki takie tworzą cienkie i elastyczne włókna ze zwartych ziarenek ceramiki piezoelektrycznej układane w jednej płaszczyźnie, równolegle do siebie, w odległościach około 0,2 mm. Z obu stron, na warstwę włókien nanoszone są elektrody grzebieniowe, które pozwalają na polaryzację włókien (nadanie im własności piezoelektrycznych) oraz później, w czasie pracy gotowych już czujników, na zbieranie z włókien ładunków elektrycznych powstających w czasie ich odkształcania. Czujniki z włókien są czułe na odkształcenia w kierunku równoległym do kierunku ułożenia włókien podobnie jak klasyczne głowice ultradźwiękowe posiadają kierunkowe charakterystyki. Czujniki z włókien można sklejać ze sobą warstwami tworząc laminat „nasycony” włóknami piezoelektrycznymi. Czujniki z włókien w takim kompozycie, poza monitorowaniem stanu struktury, działać mogą również jako pasywne tłumiki drgań.

W opisie patentowym US 6629341 ujawniono sposoby odnoszące się do tworzenia czujników i siłowników opartych na włóknach piezoelektrycznych o przekroju prostokątnym. Podobne rozwiązanie jest przedstawione w publikacji „Improving Transverse Actuation of Piezoceramics using Interdigitated Surface Electrodes”, Smart Structures and Intelligent Systems (1993), strony 341-352.

Zaletą tworzenia układów opartych na włóknach o przekrojach prostokątnych jest ich większa powierzchnia kontaktu z elektrodami zbiorczymi, w stosunku do włókien o przekroju koła. W przypadku włókien o przekroju koła mniejsza powierzchnia kontaktu wymusza użycie wyższych wartości napięć (dla siłowników), aby zrekompensować straty. Ze względu na małą powierzchnię kontaktu z ele ktrodami czujniki oparte na okrągłych włóknach charakteryzują się także niższą jakością sygnału. Z kolei włókna o przekroju prostokąta stwarzają większe problemy przy ich wywarzaniu - zwykle przygotowuje się płaskie, cienkie płytki materiału piezoelektrycznego, z którego wycinane są później włókna o przekroju prostokątów.

Wytwarzanie włókien o przekroju koła jest prostsze, niż włókien prostokątnych, zatem istnieje potrzeba zaproponowania sposobów wytwarzania czujników z włóknami okrągłymi, o jak największej powierzchni kontaktu pomiędzy włóknem a elektrodami. Z opisu patentowego US6337835 znany jest konwerter elektromechaniczny i sposób jego wytwarzania. Konwerter ten stanowią okrągłe włókna piezoelektryczne, ułożone równolegle względem siebie i pozostające w bezpośrednim kontakcie z elektrodami przynajmniej na części ich powierzchni zewnętrznej. Wspomniane elektrody są ułożone p oprzecznie, pod kątem 90° w stosunku do osi włókien. Takie ułożenie elektrod wiąże się z problemami w procesie nanoszenia elektrod na włókna, ponieważ każda z elektrod musi być nanoszona niezależnie. Problem ten został rozwiązany przez obecny wynalazek.

Sposób wytwarzania wieloelektrodowego czujnika piezoelektrycznego składającego się z co najmniej jednego, połączonego z elektrodami zbiorczymi, włókna piezoelektrycznego o przekroju koła z naniesionymi na powierzchnię włókna elektrodami pozostającymi w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią włókna, według wynalazku charakteryzuje się tym, że warstwę elektrody nanosi się na

PL 225 481 B1 powierzchnię włókna jako ciągłą linię śrubową, po czym nacina się naniesioną warstwę elektrody wzdłuż co najmniej dwóch linii równoległych do siebie i do osi włókna, w miejscu odpowiadającym krawędziom elektrod, po czym usuwa się wycięte części warstwy elektrody i włókno łączy się trwale z elektrodami zbiorczymi. Korzystnie skok linii śrubowej warstwy elektrody jest mniejszy od dwukrotności średnicy włókna. Warstwa elektrody jest wykonana z metalu przewodzącego, korzystnie ze srebra, miedzi lub złota. Włókno piezoelektryczne korzystnie jest wykonane z modyfikowanego cyrkonianu ołowiu i tytanianu ołowiu, korzystnie z PZT.

Korzystnie naniesioną warstwę elektrody nacina się wzdłuż dwóch linii w jednym miejscu włókna lub czterech linii w dwóch przeciwległych miejscach włókna.

Korzystnie elektrody zbiorcze mają w przekroju poprzecznym kształt zbliżony do prostokąta o stosunku boków od 2:1 do 6:1. Elektrody zbiorcze mogą mieć szerokość od 0,05 do 1 mm i rozstaw między nimi może wynosić od 0,05 do 1,5 mm.

Korzystnie włókno piezoelektryczne ma przekrój koła o średnicy od 0,1 do 1 mm.

Wynalazek obejmuje także wieloelektrodowy czujnik piezoelektryczny, który stanowi co najmniej jedno włókno piezoelektryczne o przekroju koła z naniesionymi na powierzchnię włókna elektrodami pozostającymi w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią włókna oraz połączonymi z elektrodą zbiorczą, w którym elektrody mają postać odcinków linii śrubowych o kącie środkowym większym od 90° i mniejszym od 360° i nachylone w stosunku do osi włókna pod kątem od 3 do 85 stopni.

Nanoszenie warstwy elektrod realizuje się znanymi metodami. Taką metodą może być na przykład kierowanie warstwy jonów metali przewodzących jak np. srebro, miedź, lub złoto przez naniesioną na włókno maskę o zadanym rozmiarze i odstępach elektrod na urządzeniach typu magnetron. Maskę stanowi blaszka z otworami, przez które mogą przedostawać się jony i tworzyć zadany układ elektrod. Drugi możliwy do zastosowania sposób wykonania elektrod to naniesienie materiału przewodzącego na całe włókno piezoelektryczne i wytrawienie tej warstwy materiału przewodzącego, z zastosowaniem odpowiednich masek, tak aby uzyskać odpowiedni układ elektrod. Układ naniesionych elektrod odpowiada układowi elektrod zbierających, tzn. jeśli między elektrodą dodatnią i ujemną dystans wynosi 1 mm, to naniesione pierścienie również będą znajdować się na takim rozstawie.

Sposobem według wynalazku elektrody są nanoszone w jednej operacji, jako ciągła linia śr ubowa, a następnie przecinane w celu uzyskania naprzemiennie elektrod ujemnych i dodatnich. Dzięki temu została wyeliminowania konieczność ponownego pozycjonowania narzędzia przy każdej kolejnej elektrodzie. W rezultacie jest zachowany stały odstęp pomiędzy elektrodami a proces stał się prostszy.

Czujnik według wynalazku charakteryzuje się prostą konstrukcją i prostotą wykonania, a przy tym zachowuje niezbędną dokładność pomiaru i może znaleźć zastosowanie zwłaszcza w przemyśle lotniczym do pomiaru odkształceń struktur kompozytowych, a ponadto jako element urządzeń do odczytu i tłumienia drgań.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 prze dstawia czujnik złożony z kilku równoległych włókien, których elektrody są połączone wspólnymi elektrodami zbiorczymi, Fig. 2 przedstawia pojedyncze włókno czujnika z elektrodami w położeniu bez działającej siły rozciągającej z uwidocznionymi końcówkami poszczególnych elektrod, Fig. 3 przedstawia pojedyncze włókno z elektrodami poddane działaniu siły rozciągającej z uwidocznionymi końcówkami poszczególnych elektrod, Fig. 4 przedstawia pojedyncze włókno z elektrodami w widoku z uwidocznionymi podłączeniami elektrod zbiorczych.

Przedstawiony na Fig. 1 czujnik piezoelektryczny według wynalazku składa się z układu położonych równoległe obok siebie włókien 1, wykonanych z materiału dielektrycznego PZT, o średnicy 0,8 mm. Na powierzchniach zewnętrznych włókien 1 znajdują się pierścieniowe elektrody 3, mające postać odcinków linii śrubowych o kącie środkowym 330° i nachylonych w stosunku do osi włókna pod kątem 10°. Elektrody są wykonane ze srebra. Kształt elektrod 3 odpowiada odcinkom linii śrubowych naniesionych na powierzchnię włókien 1. Końcówki poszczególnych elektrod są od siebie oddalone tworząc przerwę 2. W przekroju poprzecznym elektrody 3 mają kształt zbliżony do prostokąta, o stosunku boków 3:1. Elektrody mają szerokość 0,2 mm, a rozstaw między nimi wynosi 0,8 mm.

W celu wykonania czujnika przedstawionego na Fig. 1 powierzchnię włókna piezoelektrycznego pokryto warstwą metalu np. w maszynie typu magnetron. Na powierzchnie włókna naniesiono farbą linię śrubową. Warstwa farby stanowiła maskę do wytrawiania elektrod. Część metalu niepokryta farbą została usunięta z powierzchni włókna w procesie wytrawiania. Następnie usunięto farbę rozpuszczalnikiem odpowiednio dobranym do rodzaju farby. W rezultacie uzyskano naniesioną na włókno jedną

PL 225 481 B1 ciągłą elektrodę o kształcie spirali. W celu uzyskania naprzemiennych elektrod przerwano ciągłość spirali frezując 2 linie równoległe do osi włókna i usunięto wycięte części warstwy elektrody. Włókno połączono z elektrodami zbiorczymi w procesie lutowania, bądź zgrzewania. Otrzymany czujnik spolaryzowano poprzez podłączenie go za pomocą elektrod zbiorczych do źródła wysokiego napięcia (ok. 1500-2500 Volt) na okres około 1 godziny.

Czujnik według wynalazku działa w ten sposób, że w przypadku działania rozciągającej siły zewnętrznej jego elektrody 3 oddalają się od siebie tworząc między sobą, na skutek polaryzacji, ładunek elektryczny, przenoszony przez elektrody zbiorcze do wyjścia czujnika. W przypadku działania siły przeciwnej między elektrodami 3 powstaje ładunek przeciwnego znaku. Wartość ładunku utworzonego na wyjściu czujnika jest miarą odkształcenia włókna.

Claims (9)

1. Sposób wytwarzania wieloelektrodowego czujnika piezoelektrycznego składającego się z co najmniej jednego, połączonego z elektrodami zbiorczymi, włókna piezoelektrycznego o przekroju koła z naniesionymi na powierzchnię włókna elektrodami pierścieniowymi z metalu przewodzącego, pozostającymi w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią włókna, znamienny tym, że warstwę elektrody nanosi się na powierzchnię włókna jako ciągłą linię śrubową, po czym nacina się naniesioną warstwę elektrody wzdłuż co najmniej dwóch linii równoległych do siebie i do osi włókna, w miejscu odpowiadającym krawędziom elektrod, po czym usuwa się wycięte części warstwy elektrody i włókno łączy się trwale z elektrodami zbiorczymi.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że skok linii śrubowej warstwy elektrody jest mniejszy od dwukrotności średnicy włókna.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako warstwę elektrody stosuje się srebro, miedź lub złoto.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się włókna piezoelektryczne wyk onane z PZT.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że naniesioną warstwę elektrody nacina się wzdłuż dwóch linii w jednym miejscu włókna lub czterech linii w dwóch przeciwległych miejscach włókna.

6. Wieloelektrodowy czujnik piezoelektryczny, który stanowi co najmniej jedno połączone z elektrodami zbiorczymi włókno pieozoelektryczne o przekroju koła z naniesionymi na powierzchnię włókna elektrodami pierścieniowymi z metalu przewodzącego, pozostającymi w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią włókna, znamienny tym, że elektrody mają postać odcinków linii śrubowych o kącie środkowym większym od 90° i mniejszym od 360° i nachyleniu w stosunku do osi włókna pod kątem od 3 do 85 stopni.

7. Czujnik według zastrz. 5, znamienny tym, że elektrody zbiorcze mają w przekroju poprzecznym kształt zbliżony do prostokąta o stosunku boków od 2:1 do 6:1.

8. Czujnik według zastrz. 5, znamienny tym, że elektrody zbiorcze mają szerokość od 0,05 do 1 mm, a rozstaw między nimi wynosi od 0,05 do 1,5 mm.

9. Czujnik według zastrz. 5, znamienny tym, że włókno piezoelektryczne ma przekrój koła o średnicy od 0,1 do 1 mm.