Brevet FR2528235A1 — publié le 19831209

TRANSDUCTEUR ELECTROMECANIQUE A AMPLIFICATION DE CONTRAINTE La présente invention concerne des capteurs et des transducteurs de pression dont l'élément actif est constitué par un film de matériau piézoélectrique ou piézorésistif. La structure proposée permet, par l'utilisation d'éléments appropriés, d'obtenir des effets piézoélectriques ou piézorésistifs nettement plus élevés que ceux obtenus pour des structures classiques. Les matériaux piézoélectriques ont la propriété caractéristique de présenter une différence de potentiel entre deux faces opposées en réponse à une contrainte mécanique. Les matériaux piézorésistifs voient leur résistance électrique se modifier avec les contraintes mécaniques qui leur sont appliquées. En première approximation ces propriétés électriques sont des fonctions linéaires de la contrainte appliquée sur le matériau considéré. Les matériaux piézoélectriques sont particulièrement intéressants en tant que transducteurs d'énergie mécanique en énergie électrique sans l'apport d'une source extérieure d'énergie.Dans certains cas, il est particulièrement avantageux d'avoir un effet électrique produit par le matériau piézoélectrique ou piézorésistif le plus élevé possible pour des questions de sensibilité ou pour éviter une amplification de l'effet électrique par des dispositifs électroniques annexes. Il est connu d'augmenter la valeur de l'effet électrique dans ce genre de matériau par des systèmes d'amplification de I'effet mécanique, par exemple par un bras de levier. Dans de tels systèmes, il y a donc deux parties distinctes: le matériau piézoélectrique ou piézorésistif et le système d'amplification. Un autre moyen de disposer d'une réponse électrique forte par rapport à la force appliquée est d'engendrer la contrainte par flexion. L'élément actif se présente alors sous la forme d'une poutre encastrée à une extrémité et subissant une force de flexion à l'autre extrémité. Les contraintes de tension qui sont ainsi engendrées à l'intérieur du matériau, sont alors très importantes, de même que l'effet électrique généré. Dans beaucoup d'applications, par exemple dans le cas de capteurs de pression hydrostatique, il n'est pas commode ou même il est impossible d'amplifier mécaniquement les contraintes à mesurer ou de se servir de dispositifs se présentant sous la forme de poutres encastrées. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose une structure empilée dans laquelle un film piézoactif est inséré entre deux corps solides, déformables et incompressibles. Lorsque la structure est sollicitée à se déformer, des contraintes sont produites par lesdits corps sur les faces du film, qui sont converties par effet piézoélectrique ou piézorésistif en variation de grandeur électrique plus importante que celle qu'aurait produite la même sollicitation si les corps étaient indéformables ou pouvaient glisser sur les faces du film. L'expérience montre que les contraintes secondaires peuvent induire des effets piézoélectriques ou piézorésistifs sensiblement plus grands que ceux auxquels on peut s'attendre avec les structures de l'art antérieur. L'invention a donc pour objet un transducteur électromécanique comprenant au moins un élément actif sous la forme d'un film d'un premier matériau possédant des propriétés piézoélectriques ou piézorésistives et comprenant des moyens destinés à amplifier une contrainte exercée sur ledit film, des moyens conducteurs étant prévus sur les faces principales dudit film, caractérisé en ce que lesdits moyens amplificateurs sont constitués d'au moins une couche d'un second matériau solide, déformable et incompressible en volume, ladite couche étant solidaire de l'une desdites faces principales. L'invention sera mieux comprise par la description ci-après et les figures l'accompagnant parmi lesquelles: - la figure I est une vue isométrique d'un transducteur piézoélectrique expliquant le principe de l'invention, - la figure 2 est une vue isométrique d'un transducteur piézoélectrique où l'effet mécanique s'exerce perpendiculairement au film piézoélectrique, - la figure 3 est une vue de face d'un transducteur révélant sa déformation à la suite d'une contrainte mécanique, - la figure 4 est un dispositif de type silentbloc avec capteur d'effort intégré, - les figures 5 et 6 sont des vues isométriques d'un transducteur où l'effet mécanique s'exerce parallèlement au film piézoélectrique - la figure 7 représente une variante d'un transducteur selon l'invention. La figure 1 portera sur l'explication physique de l'invention. Elle représente une vue isométrique d'un transducteur piézoélectrique plan composé de trois éléments qui réalisent un empilement. On remarque un film piézoélectrique 4 inséré entre deux éléments 5 et 6 et adhérant à ces éléments. Les éléments 5 et 6 sont réalisés en un matériau déformable et incompressible. Le transducteur étudié a, comme représenté à la figure 1, la forme d'un parallélépipède rectangle dont les côtés sont parallèles au système de coordonnées orthonormées de directions 1, 2 et 3. L désigne la longueur du parallélépipède, 1 sa largeur, son épaisseur est la somme Xp + Xe, avec: - Xe : épaisseur totale des éléments 5 et 6, - Xp: épaisseur du film piézoélectrique. Xe On considérera que les éléments 5 et 6 ont la même épaisseur Xe2 Le transducteur est posé sur un socle plan 7 dont la face supérieure 8 est située dans un plan parallèle au plan défini par les axes 1 et 2. Il est soumis à une force F3 dirigée parallèlement à l'axe 3. Les calculs qui vont suivre seront effectués avec les hypothèses suivantes: la force F3 est appliquée sur toute la surface supérieure S de l'élément 6 même lorsque celui-ci se déforme; le socle 7 ne se déforme pas et ne retient pas l'élément 5 au cours de sa déformation résultant de l'application de la force F3. On considère é^l^ment que les éléments 4, 5 et 6 sont mécaniquement homogène et isotrope. Dans ces conditions, la variation E suivant les directions 1, 2 et 3, des dimensions du transducteur est donnée par la loi de HOOKE. Il faut appliquer cette loi au matériau piézoélectrique et au matériau déformable et incompressible. Ce qui donne: matériau déformable et incompressible matériau piézoélectrique Dans ces équations, Y est le module d'YOUNG, v le coefficient de POISSON, a i la contrainte dans une direction i. Les caractéristiques se rapportant au film piézoélectrique portent l'indice e et celles se rapportant au matériau des éléments 5 et 6 l'indice p. Les variations de dimensions des éléments 5 et 6 sont calculées comme si ces éléments ne formaient qu'un bloc. Le film 4 adhérant aux éléments 5 et 6, il n'y a pas de glissement entre les surfaces de ces éléments. Les conditions aux limites permettent de dire que: #1e = #1p et #1e = #2p. Il . n'y pas a forces appliquées suivant les directions 1 et 2 et l'épaisseur initiale des différents éléments étant respectivement la même suivants les axes I et 2: La force appliquée sur la face supérieure de superficie S est telle que: De cet ensemble d'éouations. il vient: qui est la contrainte exercée sur le fim piézoélectrique selon la direction l. La structure étant symétrique suivant les directions l et 2, on a: #p1= # p. 2 On peut avoir une idée du gain de l'effet piézoélectrique obtenu avec ce transducteur en prenant le cas d'une structure formée d'un film en polymère piézoélectrique tel que le polyfluorure de vinylidène (PVF2) et dont les éléments 5 et 6 sont constitués d'un élastomère tel que le polyisoprène de synthèse.Les caractéristiques géométriques et mécaniques des éléments constituant un tel transducteur étant les suivantes: Elastomère(e) Film piézo (p) Epaisseur X = 6 mm Xp = 30 m 2 Surface S = 1 cm S = 1 cm Module Young Ye = 3.107 N/m Yp = 3,9 109 N/m Coeff. de Poisson #e = 0,5 #p = 0,3 Allongement dans les direction 1,2,3 #1e, #2e, #3e #1p, #2p, # 3p Contraintes dans les directions 1,2, 3 #1e, #2e, #3e #1p, #2p, #3p Coeff. Piezoélec triques 0, 0, 0 d31, d32, d33 = (-13, -2,17) pC/N on obtient: #1p = - 63 # 3 La structure étant symétrique suivant les directions I et 2, on a: a 1P = a P Pour une force appliquée de 1 N selon la direction 3, les 2 charges engendrées sur les faces principales du film piézoélectrique sont: #Q: #1 pd31 + #2pd32+#3P33. L'application numériquedonne: = -63d31 -63d32+d33 = 962 pC. Si des électrodes sont prévues aux interfaces du film 4 et des éléments 5 et 6, la différence de potentiel #V pouvant être recueillie aux bornes de ces électrodes est donnée par la relation: AV = ~, C étant la capacité présente entre les électrodes soit C = .EPVF2' XP Dans cette dernière expression, E o représente la permittivité du vide et EPVF la permittivité relative du matériau utilisé pour réaliser le film dans l'exemple choisi, soit PVF = 12. On obtient alors A V = 2,8 V.Si on appliquait la même force (@ N) à un simple film de PVF2 de mêmes caractéristiques, on obtiendrait une quantité de charges disponibles sur les faces principales du film A Q uniquement proportionnelle à d33, soit une différence de potentiel AV = 5.10 2 V. La structure proposée permet donc d'obtenir un gain de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique beaucoup plus important par rapport à un film piézoélectrique seul. Dans Exemple proposé, le gain de conversion est A rapport Xe La formule (1) n de la forme peut s'exprimer en fonction du a, ss et /u étant alors des paramètres caractéristiques des matériaux utilisés pour réaliser le transducteur. On voit à l'aide de cette relation que, pour avoir des gains de conversion élevés, il faut Xp c Inversement, si on applique une différence de potentiel entre les électrodes du transducteur, l'effet mécanique résultant est lui aussi plus important que dans le cas d'un film piézoélectrique employé seul. Les variations d'épaisseur du transducteur et du film employé seul sont dans un rapport égal au gain de conversion calculé précédemment. Les électrodes situées aux interfaces du film piézoélectrique 4 et des lames 5 et 6 peuvent être réalisées par un dépôt de matériau conducteur tel que l'aluminium effectué sur le film, les éléments 5 et 6 étant ensuite collés sur les faces conductrices du film. Afin d'éviter de métalliser les faces principales du film piézoélectrique, il est avantageux de rendre conducteur les éléments 5 et 6 en leur incorporant des particules conductrices. Dans le cas du transducteur décrit plus haut, l'élastomère formant les éléments 5 et 6 peut comprendre du noir de carbone ce qui leur assure une conduction suffisante pour transmettre la différence de potentiel engendrée sur les faces principales du film piézoélectrique.L'adhésion des couches d'élastomère sur le film de PVF2 doit être suffisante afin d'éviter des glissements entre les différents éléments formant le transducteur piézoélectrique. Avec le poly-isoprène de synthèse comme élastomère, il suffit de bien nettoyer ces éléments à l'alcool ou au trichloréthylène pour obtenir une bonne adhésion. Un transducteur selon l'invention peut être utilisé pour mesurer une pression hydrostatique. On peut se servir à cet effet du transducteur représenté à la figure 1. Le calcul des contraintes, s'effectue à partir des équations de HOQKE citées plus haut en tenant compte des nouvelles conditions aux limites.Comme précédemment, il n'y a pas de glissement entre le film de matériau piézoélectrique et les couches du matériau déformable et incompressible: le = IP et #e = e E: P On considère que le liquide dans lequel est plongé le transducteur exerce une contrainte a sur l'ensemble de la structure et selon les directions 1, 2 et 3, soit : a1P, Xp + a le Xe = a (Xp + Xe) o 4 Xp + a 2e Xe = a (Xp + Xe) a3P = a3e = a 3 3 De cet ensemble d'équations, il vient: qui est la contrainte exercée sur le film piézoélectrique selon la direction 1. Si les dimensions du transducteur selon les directions I et 2 sont égales (I = L), on a a P = a P Avec des matériaux élastomère et piézoélectrique dont les caractéristiques électriques et mécaniques ont été citées plus haut, on obtient: oIP = a 2P = 0,58 a. La quantité de charges développées sur les faces principales du film piézoélectrique est alors: 0,58 d31 + 0,58 d32 + d33 = 8 pC/N. Un film de PVF2 identique et employé seul développerait un coefficient piézoélectrique hydrostatique dH = d31 + d32 + d33 = 2 pC/N. On obtient donc, avec une structure selon l'invention, un gain de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique égal à 4. La structure décrite à la figure I permet également de recueillir sur les faces principales du film piézoélectrique une différence de potentiel correspondant à une amplification d'une contrainte exercée suivant l'un des axes 1 ou 2. Si le transducteur est étiré, par exemple suivant l'axe 1, le matériau des couches 5 et 6 contribue à accentuer fortement la contraction du film 4 suivant la direction 2. Il se produit, dans cette direction, une striction du film qui peut être importante vers le milieu de la structure. Grâce à un choix approprié des différentes caractéristiques des matériaux utilisés, il est possible de faire subir au film 4 une contrainte o2 beaucoup plus importante que celle exercée suivant la direction 1. Les nouvelles conditions aux limites qui permettent de résoudre les équations de HOOKE sont: - pas de glissement entre le film 4 et les couches 5 et 6: e 1P = 1 et 2P = - pas de contrainte suivant la direction 3; a 3e= a v3p = 0; 3 - on considère que la contrainte a est appliquée sur l'ensemble de la structure selon la direction 1 ~ le Xe + a1p Xp = ~ (Xe + Xp). Il vient En choisissant les paramètres suivants: Xe = 2 mm, v e = 0,5, Ye = 107 N/m2 e 9 2 Xp = 10 microns, ' > = 0,3, Yp = 2.109 N/m2 p il vient o = = Il a . Dans ce cas, le film piézoélectrique est soumis à 2 une contrainte suivant la direction 2 qui est 11 fois plus élevée que la contrainte appliquée selon la direction 1. Dans les cas envisagés plus haut, il convient que la contrainte exercée sur le transducteur soit uniformément répartie sur les surfaces d'application de l'effet mécanique pour éviter les effets de coin notamment. La figure 2 est une vue isométrique d'un transducteur piézoélectrique selon l'invention dans son application pratique. On distingue le transducteur formé d'un film 9 de matériau piézoélectrique, par exemple en PVF2, pris en sandwich entre deux couches 10 et 11 de matériau déformable et incompressible. Les couches 10 et 11 peuvent être réalisées en poly-isoprène rendu conducteur par la présence de noir de carbone. Les couches 10 et 11 sont rendues solidaires du film 9 par simple nettoyage à l'alcool ou au trichloréthylène. Les faces principales du transducteur peuvent avoir une superficie de I cm2, les épaisseurs des couches 10 et 11 sont par exemple de 3 mm et celle du film peut être d'environ 30 microns. Un plot 12 en laiton assure la répartition de la force F normale aux faces principales du transducteur. Il peut adhérer à la couche 10, par exemple grâce à une colle conductrice.La couche 11 est elle aussi fixée à un support 13 rigide plan et conducteur. Des connexions 14 et 15 permettent de recueillir la tension V engendrée par effet piézoélectrique. Lorsque la force F est appliquée, les éléments 9, 10 et il voient leurs dimensions situées dans le plan horizontal se déformer. Les éléments 12 et 13 étant pratiquement indéformables ont naturellement tendance à ne pas provoquer une déformation uniforme de la structure. C'est ce que représente la figure 3 qui est une vue de face du même transducteur que précédemment et qui est soumis à une force F. On remarque le bombage des flancs du transducteur sous l'effet de la force F et du fait de l'adhérence des couches 10 et 11 respectivement au plot 12 et au support 13.En fait, les forces applicables au transducteur ne modifient pas notablement les dimensions horizontales des éléments 9, 10 et 11 et les considérations théoriques développées plus haut restent largement valables. La figure 4 est un exemple d'application d'un transducteur suivant l'invention à des dispositifs de type "silentbloc" avec capteur d'effort intégré. Le dispositif a été choisi de forme cylindrique. Il est composé d'un film 30 en matériau piézoélectrique, par exemple en PVF2, inséré entre deux couches 31 et 32 de matériau déformable et incompressible tel que le poly-isoprène. Les éléments 30, 31 et 32 peuvent être fixés ensemble par simple nettoyage à l'alcool ou au trichloréthylène. L'ensemble peut se monter sur les systèmes dont on veut absorber les bruits ou les vibrations par l'intermédiaire d'éléments de fixation 33 et 36 qui sont composés d'une rondelle 35 ou 38 solidaire d'une tige filetée 34 ou 37. Des rondelles isolantes 39 et 40 sont interposées entre les éléments de fixation et les couches 31 et 32.Ces rondelles isolantes peuvent être nécessaires lorsque les éléments de fixation sont métalliques et les couches 31 et 32 rendues conductrices. Les éléments 33, 39, 36 et 40 peuvent être rendus solidaires entre eux et avec les couches 31 et 32 par collage. Si les couches 31 et 32 sont conductrices, des connexions 41 et 42 peuvent y être fixées afin de transmettre la tension engendrée par effet piézoélectrique. On dispose ainsi d'un silentbloc avec capteur d'effort intégré. Il entre également dans le cadre de l'invention d'employer ces transducteurs dans des claviers piézoélectriques afin d'obtenir une sensibilité accrue par rapport aux dispositifs classiques. Les touches peuvent avantageusement être réalisées par des structures composites où l'effort est cx~rcé d'une façon normale au film piézoélectrique. La figure 5 représente un transducteur selon l'invention pouvant être soumis à une force s'exerçant suivant l'une de ses dimensions horizontales. Le transducteur est composé d'un film 16 pris en sandwich entre deux couches 17 et 18 solidaires du film 16. Ces éléments sont par exemple réalisés dans les mêmes matériaux que précédemment. Les connexions 22 et 23 relient respectivement les couches conductrices 17 et 18 à l'extérieur. Des éléments rigides et isolants 19 et 21 sont fixés à deux extrémités opposées de la structure composite formée par les éléments 16, 17 et 18. L'élément 21 est rendu solidaire d'un socle fixe 20. L'élément 19 est susceptible de soumettre le transducteur à une force d'élongation suivant la direction 1. La figure 6 reprend le même dispositif que celui décrit à la figure 5. Une force F d'élongation est appliquée au transducteur suivant la direction 1. Dans ce cas, il apparaît une tension V aux bornes des connexions 22 et 23. Comme les calculs l'ont démontré, le fait de disposer d'éléments déformables et incompressibles en relation intime avec un film piézoélectrique permet de développer une tension V plus élevée que si le film était employé seul. L'allongement du transducteur suivant la direction 1 provoque des modifications de sa section dans les plans parallèles au plan défini par les directions 1 et 2. Aux interfaces transducteur-éléments 19 et 21 la section ne change pas puisque ces éléments sont rigides mais ceci n'entraîne pas de conséquences notables sur les résultats théoriques. Les figures 5 et 6 illustrent une structure qui permet d'amplifier l'effet d'une contrainte exercée suivant une direction parallèle aux électrodes, ou aux éléments servant d'électrodes, qui servent à récupérer la tension créée par effet piézoélectrique. On a décrit une structure plane empilée mais il entre dans le cadre de l'invention de fabriquer des structures ayant une autre forme, par exemple cylindrique comme représenté par la figure 7. Dans cette figure, on remarque que la structure possède une symétrie de révolution autour de l'axe zz'. Un film piézoélectrique 50 en forme de tu;-xt compris entre deux éléments 51 et 52 en matériau déformable et incompressible, l'élément 51 étant un cylindre qui occupe l'intérieur du tube > 0 et l'élément 52 entourant le tube 50. Des exemples de matériaux constituant les différentes parties de la structure ont déjà été révélés. Dans ce type de transducteur, les forces s'exercent parallèlement à l'axe zz' et produisent sur l'ensemble de la structure des contraintes de compression ou d'allongement. On a vu précédemment que dans le cas où la force s'exerçant sur le transducteur est due à la pression hydrostatique le gain de conversion d'énergie est de l'ordre de 4 par rapport au film piézoélectrique employé seul. En mesure de pression hydrostatique, la tension engendrée par effet piézoélectrique est d'autant plus grande que la surface du film piézoélectri que est grande. Pour augmenter la sensiblité du capteur, il faut donc augmenter ses dimensions. La structure proposée se prête très bien aux mises en oeuvre de grandes surfaces. Il est possible, afin de diminuer l'encombrement, de rouler l'ensemble. L'utilisation de grandes surfaces implique des efforts de flexion sur le film piézoélectrique.Ceux-ci n'interviendront pas dans la mesure à cause de la très faible épaisseur du film (de l'ordre de 6 à 30'microns) et que du fait de la symétrie de la structure le film se trouve sur la fibre neutre du transducteur. Ce qui fait que l'on ne mesure que des pressions et non pas les effets dus à des mouvements d'eau. Il entre également dans le cadre de l'invention de disposer de transducteurs comprenant plusieurs films piézoélectriques, chacun étant séparé par une couche de matériau déformable et incompressible. On peut ainsi disposer de différentes sources de tension provenant de l'effet piézoélectrique. Il est possible de remplacer, dans les structures proposées, le film piézoélectrique par un film piézorésistif et de disposer de la même manière que précédemment d'un gain de conversion électromécanique. Dans ce cas, il faudra évidemment disposer d'une source électrique extérieure pour exploiter l'effet piézorésistif. Différentes configurations sont possible pour le transducteur: une seule couche de matériau déformable et incompressible peut être utilisée; on peut placer plusieurs films piézoélectriques côte à côte; on peut réaliser des structures empilées de plusieurs films, chacun étant séparé des autres par lesdites couches; on peut enfin réaliser des combinaisons de ces différentes configurations. La structure selon l'invention permet en quelque sorte d'amplifier notablement les contraintes qui lui sont appliquées. En réalisant des matériaux possédant de fortes constantes piézoélectriques, il est possible d'obtenir des effets piézoélectriques pour la structure du même ordre de grandeur que les effets obtenus à partir de céramiques de type PZT (constituées d'oxydes de plomb, de zirconium et de titane). Il faut noter aussi que la structure proposée qui peut être entièrement polymère (cas d'un film de PVF2 polarisé et inséré entre deux couches d'élastomère chargé de noir de carbone) est insensible aux effets de flexion lorsque le film piézoélectrique est très mince (de l'ordre de 10 microns) et qu'il est placé symétriquement dans la structure. La structure selon l'invention peut avantageusement remplacer les structures classiques dans tous les domaines d'utilisation dans lesquels les effets piézoélectriques sont de basse fréquence. Il s'agit, par exemple, des claviers et des balances piézoélectriques, de systèmes de type silentbloc avec capteur d'effort intégré, de capteur hydrostatique. REVENDICATIONS 1. Transducteur électromécanique comprenant au moins un élément actif sous la forme d'un film (4) d'un premier matériau possédant des propriétés piézoélectriques ou piézorésistives et comprenant des moyens destinés à amplifier une contrainte exercée sur ledit film, des moyens conducteurs étant prévus sur les faces principales dudit film, caractérisé en ce que lesdits moyens amplificateurs sont constitués d'au moins une couche (5, 6) d'un second matériau solide, déformable et incompressible en volume, ladite couche étant solidaire de l'une desdites faces principales. 2. Transducteur électromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche sert de moyen conducteur. 3. Transducteur électromécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau constituant ladite couche est rendu conducteur par incorporation de particules conductrices. 4. Transducteur électromécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules conductrices sont du noir de carbone. 5. Transducteur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit second matériau est un élastomère. 6. Transducteur électromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élastomère est du poly-isoprène. 7. Transducteur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il se présente sous forme cylindrique, ledit film ayant la forme d'un tube (50) adhérant à au moins une couche (51, 52) de forme cylindrique. 8. Transducteur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'effet mécanique s'exerce normalement aux faces principales dudit film. 9. Transducteur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'effet mécanique s'exerce parallèlement aux faces principales dudit film. 10. Transducteur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'effet mécanique est transmissible par l'intermédiaire d'éléments rigides (12, 19). 11. Clavier comportant des touches utilisant l'effet piézoélectrique, caractérisé en ce que lesdites touches sont constituées par des transducteurs électromécaniques selon l'une quelconque des revendications I à 10.