Brevet FR2340542A1 — publié le 19770902

La présente invention concerne de façon générale les dispositifs détecteurs ou capteurs et plus précisément un tel dispositif de détection qui comprend plusieurs couches de matière d'électret constituant des éléments détecteurs. Un électret est une matière diélectrique polarisée de manière permanente par chauffage et par disposition dans un champ électrique fort lors du refroidissement. On classe habituellement les électrets en fonction des propriétés pyroélectriques ou piézoélectriques qu'ils possèdent, ces deux types de propriétés permettant la formation d'un si- gnal électrique à la suite d'une variation du moment dipolaire.Bien qu'on considère souvent que les matières pyroélectriques et piézoélectriques forment deux catégories distinctes d'électret, les matières piézoélectriques constituent en fait une classe générique qui comprend les matières pyroélectriques qui n'en sont qutun espèce. Ainsi, un grand nombre de matières possèdent à la fois des caractéristiques pyroélectriques et piézoélectriques. On a déjà utilisé les électrets ayant des propriétés pyroélectriques et piézoélectriques pour la formation de divers types de dispositifs détecteurs, comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d,1Améri#ue n0 3 769 096 qui décrit un dispositif de détection pyroélectrique des radiations incidentes, et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 768 059 qui décrit une jauge de déformations mettant en oeuvre les principes piézoéI#ctriques. Le type d t é- lectret décrit dans les brevets précités possède à la fois des.propéirétés pyroélectriques et piézoélectriques.Ainsi, le capteur du premier brevet précité n0 3 769 096 peut donner une détection erronée lorsqutil reçoit des signaux électriques parasites créés de façon piézoélectrique et de manière analogue, le capteur du second brevet précité n0 3 768 059 présente le même inconvénient présenté par des signaux d'origine pyroélectrique, Lrinvention concerne un capteur ou dispositif détecteur précis et fiable qui comporte deux couches d'électret constituant des matières de détection. Les couches d'é- lectret sont séparées par une couche conductrice interne qui est en contact électrique avec une face de chacune des couches dlélectret. L'autre face de chaque couche est revêtue d'une couche conductrice externe.Un circuit électronique de détection est relié à deux couches conductrices au moins et détecte les signaux électriques reçus par celles-ci. Dans un mode de réalisation avantageux, le capteur selon 1'invention est de type thermique et son fonctionnement dépend de la détection de signaux électriques créés de façon pyroélectrique, les signaux parasites d'origine piézoélectrique, provenant de contraintes de flexion, étant annulés. Ainsi, la détection assurée est précise et fiable. Les deux couches d'électret, dans ce mode de réalisation, ont des polarisations de sens opposés, et le circuit de détection est monté entre l'électrode ou plaque conductrice interne et les électrodes ou plaques conductrices externes qui sont toutes deux mises à la masse.Comme les matières de détection sont formées par deux couches d'électret, le signal détecté est double de celui d'un capteur n'ayant qutune couche d'électret pour un changement donné de température, et, comme les couches conductrices externes sont à la masse, le capteur est protégé contre la détection de charges électrostatiques parasites. Dans un autre mode de réalisation avantageux, 1'in- vention concerne un capteur de contraintes qui détecte des signaux électriques créés de façon piézoélectrique par flexion, tous les signaux parasites d'origine pyroélectrique s'annulant. En conséquence, ce mode de réalisation assure aussi une détection précise et fiable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre de quatre modes de réalisation avantageux de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est tn schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention utilisé dans un capteur thermique - la figure 2 est un schéma d'un capteur du type représenté sur la figure I et les charges électrostatiques ont été indiquées telles qu'elles sont produites lorsque la température du capteur varie - la figure 3 représente le capteur de la figure i avec les charges électrostatiques créées par flexion du capteur - la figure 4 est un schéma d'un second mode de réalisation de l'invention constituant un capteur de température, les charges électrostatiques indiquées étant créées lorsque la température du capteur varie - la figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'invention, utilisé pour la détection des contraintes, les charges électrostatiques indiquées étant créées par variation uniforme de la température du capteur - la figure 6 est un schéma du capteur de la figure 5 et représente les charges électrostatiques produites par flexion du capteur ; et - la figure 7 est un schéma d'un quatrième mode de réalisation de l'invention, destiné à la détection des contraintes et sur lequel les charges électrostatiques indiquées sont produites parla variation uniforme de température du capteur L'invention concerne les capteurs thermiques qui comprennent les matières de détection formées d'une matière polymère d'électret ayant à la fois des propriétés pyroélectriques et piézoélectriques.La première propriété correspond à l'apparition d'un signal électrique lors des variations de température ambiante de la matière de détection, alors que la seconde propriété correspond à la création d'un signal électrique lorsqu'une contrainte axiale appliquée à la matière détectrice varie. L'invention concerne divers modes de réalisation de capteur qui assurent la détection du paramètre voulu par détection de signaux électriques créés dans une matière de détection, par mise en oeuvre de l'une de ses deux propriétés précitées, les signaux élèctri- ques dus a l'autre de ses deux propriétés étant annulés afin que la détection soit précise et fiable. On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente un premier mode de réalisation avantageux de l'invention, sous forme d'un capteur thermique 1 assurant la détection des si- gnaux électriques créés de façon pyroélectrique, le capteur étant compensé afin que les charges piézoélectriques créées par flexion du capteur s'annulent pratiquement. Le capteur 1 comprend-avantageusement deux couches analogues non conductrices 2 et 3 d'électret qui peuvent autre en fluorure de polyvinylidène, en fluorure de polyvinyle, en zirconatetitanate de plomb modifié par du lanthane ou en une autre matière analogue non cristalline ayant à la fois des propriétés pyroélectriques et piézoélectriques. Les couches 2 et 3 d'électret sont les matières détectrices du capteur et elles sont raccordées électriquement par une couche conductrice 4 qui est en contact électrique superficiel avec une face interne de chacune des couches 2 et 3. Les faces externes des couches 2 et 3 sont aussi en contact électrique superficiel avec des couches conductrices 7 et 8 de mtme dimension, respectivement, et qui peuvent autre formées par revêtement des faces externes des couches d'électret 2 et 3. Les couches 7 et 8 sont électriquement reliées l'une à l'autre et à la masse par un conducteur 9. Un circuit détecteur 10, par exemple un voltmètre, un ampèremètre ou un autre circuit convenable, est monté électriquement entre la couche conductrice 4 et la masse.Par raison de clarté, on a exagéré l'épaisseur représentée pour les couches 2, 3, 4, 7 et 8. On réalise des capteurs dont les couches 2 et 3 ont normalement une épaisseur de 50 microns environ#chacune, les couches 4, 7 et 8 ayant normalement une épaisseur d'environ 20 microns chacune. Cependant, les couches 2 et 3 peuvent avoir une épaisseur aussi faible que 6 microns et les couches 4, 7 et 8 une épaisseur aussi faible que 1 micron. Les couches d'électret 2 et 3 ont de préférence une polarisation de même amplitude, mais de sens opposés comme indiqué par les flèches Il et 12 dans les couches 2 et 3. La polarisation des couches 2 et 5 réarrange les dipoles de ces couches en direction perpendiculaire aux surfaces planes de celles-ci lorsqu'elles sont chauffées au-dessus d'une température particulière appelée "température de pola -risation". A cette température, les dipoles des couches 2 et 3 s'orientent d'eux-m8mes en fonction du champ électrique appliqué. L'importance de l'orientation des dipoles est une fonction de la température de chauffage des couches 2 et 3, de l'intensité du champ appliqué et du temps pendant lequel le champ est appliqué. Par exemple, dans le fluorure de polyvinylidène, une polarisation importante commence lors d'un chauffage à une température supérieure à 900C avec un champ électrique d'au moins 4 000 V/mm d'épaisseur, appliqué pendant 15 mn environ.L'augmentation de la température et/ ou du champ électrique appliqué augmente progressivement l'importance de la polarisation obtenue jusqu'à une valeur maximale de saturation. Lorsque les couches 2 et 3 d'électret sont polarisées puis refroidies au-dessous de la température de polarisation, le champ appliqué peut autre supprimé et les dipoles des couches 2 et 3 conservent l'orientation dans laquelle les a plaaesle champ appliqué. il est nécessaire que les couches 2 et 3 ne soient pas chauffées au-delà de leur tem; pérature de polarisation pendant de longues périodes afin que les dipoles ne puissent pas reprendre leur orientation aléatoire. Lorsque la polarisation est terminée, les couches 2 et 3 créent ensuite des charges électrostatiques opposées sur leurs surfaces planes lorsque la température varie par rapport à la température ambiante, étant donné les propriétés pyroélectriques de la matière.En outre, une contrainte axiale appliquée aux couches 2 et 3 provoque aussi la création de charges électrostatiques de polarités opposées sur les faces des couches 2 et 3, étant donné les propriétés piézoélectriques de celles-ci. il est avantageux que les couches conductrices 7 et 8 aient d'une part la meme dimension et d'autre part la meme dimension que les couches d'électret 2 et 3, et que ces dernières aient des polarisations de meme amplitude afin que, lorsque les couches 2 et 3 sont chauffées ou mises sous contrainte, des charges électrostatiques égales apparaissent sur les couches conductrices 7 et 8. Cependant, ces conditions ne sont pas primordiales selon l'invention car les couches 2 et 3 ou 7 et 8 peuvent avoir des dimensions diffé rentes et des charges égales peuvent encore s'accumuler -sur les couches 7 et 8 lorsque les couches 2 et 3 ont été polarisées de manière différente. On considère maintenant le fonctionnement du capteur 1. Lorsque la température du capteur 1 varie de façon uniforme si bien que les couches 2 et 3 d'électret subissent des variations égales de température, des répartitions uniformes decharges électrostatiques d'origine pyroélectrique, ayant des polarités opposées, s'accumulent sur les surfaces des couches 2 et 3 comme indiqué sur la figure 2, proportionnellement à l'amplitude de la polarisation des couches 2 et 3 et à leur surface. Etant donné la différence de sens de polarisation des couches 2 et 3, les faces externes des couches 2 et 3 ne font apparattre que des charges électriques d'une polarité, les charges de l'autre polarité apparaissant sur les faces internes de ces couches. Ainsi, il existe un potentiel perceptible entre les faces externes et internes des couches 2 et 3.Comme celles-ci ne sont pratiquement pas conductrices, ls couches conductrices externes 7 et 8 qui sont reliées électriquement et la coucha conductrice interne 4 permettent la conduction des charges des surfaces des couches 2 et 3 au circuit détecteur 10. Ainsi, le capteur 1 transmet un signal électrique de détection lorsqu'il subit une variation de température. Cette caractéristique donne des applications très diverses au capteur 1. Cependant, de nombreuses applications possibles peuvent provoquer l'application d'une flexion voulue ou intempestive au capteur 1. En l'absence d'une compensation piézoélectrique, le capteur 1 ne conviendrait pas parfaitement aux applications de flexion car les propriétés piézoélectriques des couches 2 et 3 donnent des charges électrostatiques parasites lorsque ces couches subissent un moment de flexion, et ces charges peuvent provoquer une détection imprécise à moins que le capteur 1 assure la compensation de ces charges parasites. La construction du capteur I est telle que les effets piézoélectriques de la flexion sont compensés Si bien que le fonctionnement est précis et fiable. Lorsque le capteur 1 subit une contrainte par flexion, des charges électrostatiques apparaissent aux faces des couches 2 et 3, avec une valeur proportionnelle à la contrainte de traction ou de compression subie par les couches 2 et 3. La polarité des charges électrostatiques dépend du sens de polarisation des couches 2 et 3 et du fait que la contrainte est une contrainte de traction ou de compression. Compte tenu de ces deux facteurs, le capteur 1 est tel que sa flexion provoque l'apparition de charges électrostatiques qui s'annulent alors que la variation de température des couches 2 et 3 provoque l'apparition d'une tension perceptible et détectable. Cette annulation des charges est obtenue par utilisation d'une couche conductrice interne 4 dont la rigidité est supérieure à celle des couches 2 et 3 combinées à leur revêtement conducteur respectif 7, 8.Ainsi, lors d'une flexion du capteur 1, la couche conductrice 4 forme une zone de compression ou de tension nulle et, comme indiqué sous forme exagérée sur la figure 3, la couche 3 est mise en extension et la couche 2 en compression. Cependant, il faut noter que la flexion du capteur 1 en sens opposé à celui qu'on a représenté sur la figure 3 provoque la compression de la couche 3 et l'extension de la couche 2. A la suite de l'extension de la couche 3, des charges positives et négatives sont respectivement créées sur les faces externes et internesde cette couche, alors que la compression de la couche 2 fait apparaître des charges négatives et positives sur les faces externes et internes. Comme la couche conductrice 4 relie les faces internes de charges opposées des couches 2 et 3 l'une à l'autre et comme le conducteur 9 relie les couches 7 et 8 qui sont en contact électrique avec les surfaces externes de charges opposées des couches 2 et 3, les charges d'origine piéz#- électrique du capteur 1 donnent une charge résultante sensiblement nulle au circuit détecteur 10. Le capteur 1 assure non seulement la compensation avantageuse des charges d'origine piézoélectrique, pour un changement donné de température, mais aussi l'augmentation avantageuse de la sensibilité puisque la charge de détection d'origine pyroélectrique fournie par cette configuration à deux couches d'électret est double de la charge détectée par un capteur qui n'aurait qu'une seule couche d'électret 2 ou 3. En outre, les couches-externes conductrices qui sont mises à la masse protègent le capteur 1 contre les charges électrostatiques parasites qui pourraient aussi provoquer un fonctionnement imprécis du capteur 1. La figure 4 représente un second mode de réalisation de l'invention sous forme d'un capteur thermique 18. Comme le capteur 1, le capteur 18 comprend deux couches d'électret 19 et 20 reliées à leur face interne par une couche conductrice 21 et revêtues à leur face externe par une couche conductrice 22, 23. Le capteur 18 diffère du capteur I car les deux couches d'électret 19 et 20 ont des polarisations de méme sens comme indiqué par les flèches 24 et 25, et un circuit détecteur 26 est relié électriquement aux couches conductrices externes 22 et 23. Dans ce mode de raalisation de l'invention, une variation uniforme de la température des couches 19 et 20 fait apparattre un potentiel du fait de la présence de charges électrostatiques de signes opposés sur les faces des couches d'électret 19 et 20 comme représenté sur la figure 4.Cependant, comme décrit pré cédemment pour le fonctionnement du capteur 1, la flexion du capteur 18 fait apparattre uniquement des charges d'une polarité aux faces externes des couches 19 et 20 et des charges de polarités opposées aux faces internes. Le circuit détecteur 26 reçoit donc une charge résultante sensiblement nulle. Ainsi, dans les modes de réalisation décrits précédemment, le capteur de l'invention est un dispositif très simple assurant la compensation des potentiels d'origine piézoélectrique créés par flexion du capteur thermique. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette application car elle convient aussi à la compensation des potentiels d'origine pyroélectrique dans les capteurs qui sont destinés à détecter des potentiels d'origine piézoélectri que. La figure 5 représente un capteur 28 destiné à assurer la compensation des potentiels d'origine pyroélectrique. Le capteur 28 comprend deux couches 29 et 30 d'électret dont les faces internes sont reliées par une couche conductrice 31 qui est relativement rigide par rapport aux couches 29 et 30. Les faces externes de celles-ci sont re velues de couches conductrices 32, 33 et elles sont mises à la masse électrique par un conducteur 34. Un circuit détecteur 36, monté entre la couche conductrice 31 et le conducteur 34, est destiné à détecter une différence de potentiels entre la couche 31 et les couches externes conductrices 32 et 33. La disposition des divers éléments du capteur 28 est identique à celle du capteur 1 mais les deux capteurs diffèrent l'un de l'autre en ce que les couches 29 et 30 d'électret du capteur 28 ont une polarisation de mwemé sens comme indiqué par les flèches 37 et 38 alors que les couches d'électret du capteur 1 ont des polarisations de sens opposés. Comme les couches 29 et 30 ont une polarisation de mtme sens, une variation uniforme de température fait apparaître une répartition de charges électriques aux faces des couches 29 et 30, comme représenté sur la figure 5, et ces charges s'annulent et donnent un potentiel résultant nul au circuit détecteur 36. Contrairement à l'annulation des charges électrostatiques produites par des variations de température du capteur 28, la flexion de ce dernier fait apparaître une potentiel de détection qui peut wetre détecté par le circuit 36. La couche conductrice 31 qui est relativement rigide est telle que, comme représenté sur la figure 6, le capteur 28, lorsqu'il subit une force de flexion, fléchit autour de la couche 31 si bien que la couche 29 d'-électret est comprimée et la couche 30 est mise en extension. Ainsi, des accumulations de charges électrostatiques apparaissent sur les faces des couches 29 et 30 et créent un potentiel proportionnel à la flexion du capteur 28. La figure 7 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention, sous forme d'un capteur 39 qui comprend des couches 40 et 41 d'électret, une couche conductrice interne 42 et des couches conductrices externes 43 et 44. Le capteur 39 diffère du capteur 28 de la figure 5 car un circuit détecteur 45 est relié aux couches conductrices externes 43 et 44, et les couches d'électret ont des polarisations de sens opposés comme indiqué par les flèches 46 et 47. Comme le capteur 28, une variation uniforme de température du capteur 39 n'a pas d'effet sur le potentiel résultant transmis au circuit 45 comme indiqué sur la figure 7, mais la flexion du capteur 39 provoque l'apparition d'un potentiel comme décrit précédemment en référence au capteur 28. REVENDICATIONS 1. Dispositif détecteur à électret, soumis àla fois à des variations de température et à des variations de contrainte, et destiné à détecter l'une de ces variations en ignorant l'autre. ledit dispositif comprenant une première couche de matière d'électret polarisée ayant à la fois des propriétés piézoélectriques et pyroélectriques et créant des charges électrostatiques de polarités opposées sur ses faces en fonction des variations de la température et des variations de la contrainte appliquée à la première couche d'électret, une première couche conductrice en contact superficiel avec uneface de la première couche d'électret, une seconde couche d'électret en matière polarisée possédant à la fois des propriétés piézoélectriques et pyroélectriques et faisant apparaître des charges électrostatiques de polarités opposées sur ses faces en fonction des variations de la température et des variations de la contrainte appliquée à la seconde couche d'électret, celle-ci étant sensiblement parallèle à la première couche d'électret, une seconde couche conductrice placée en contact superficiel avec une face de la seconde couche d'électret, et une troisième couche conductrice placée entre les autres faces des première et seconde couches dt électret, en contact superficiel électrique avec elles, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un circuit électronique de détection relié à deux couches conductrices au moins afin que, lorsque les couches d'électret du dispositif subissent des variations sensiblement uniformes de température et des variations de contrainte de sens opposés, le circuit détecte des charges électrostatiques correspondant à l'une des variations de température ou de contrainte et ignore les charges électrostatiques dues à l'autre des variations dé contrainte ou de température. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur thermique, les couches d'électret sont disposées de manière que leurs polarisations soient de sens opposés, et le circuit détecteur est relié électriquement à la troisième couche conductrice d'une part et aux première et seconde couches conductrices d'autre part, si bien que les signaux électriques d'origine pyroélectrique, dus à la variation de la température, sont détectés par le capteur et les signaux d'origine piézoélectrique, dus à la flexion, s'annulent. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur thermique, les couches d'électret ont des polarisations de même sens, et le circuit de détection est relié électriquement à la première et à la seconde couche conductrice, si bien que les signaux électriques d'origine pyroélectrique sont détectés par le capteur et les signaux d'origine piézoélectrique, dus à la flexion, s'annulent. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est un capteur de contraintes, les couches d'électret sont telles que leurs polarisations sont de meme sens, et le circuit détecteur est monté électriquement entre d'une part la troisième couche conductrice et d'autre part la première et la seconde couche conductrice, si bien que les signaux électriques d'origine piézoélectrique sont détectés par le capteur et les signaux d'origine pyroélectrique s'annulent. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur de contraintes, les couches d'électret sont disposés de manière que leurs sens de polarisation soient opposés, et le circuit détecteur est relié électriquement à la première couche conductrice et à la seconde couche conductrice, si bien que les signaux électriques origine piézoélectrique sont détectés par le capteur et les signaux d'origine pyroélectrique s'annulent. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième couche conductrice est moins flexible que les autres couches du dispositif afin que cette troisième couche forme une zone de compression et de tension nulles lorsque le dispositif détecteur fléchit.