Brevet FR2567705A1 — publié le 19860117

4-d TRANSDUJrTEI JR PE7nELECTRIQUJE FT CAPTEI JR DE PRE.SSIniN UTILISANT i JINl TFL TPANSDl JCTEt.7.R La présente invention concerne un transducteur piézoélectrique ainsi qu'un capteur de pression utilisant un tel transducteur et permettant notam- ment de mesurer des valeurs de forces de pression, des valeurs de gradients de forces de pression ainsi que des flexions. De nombreux matériaux présentent des propriétés piézoélectriques ou sont susceptibles de présenter de tels effets après un traitement approprié. Les matériaux piézoélectriques présentent également des propriétés pyro- électriques. On peut citer par exemple des céramiques ferroélectriques polarisés ou le quartz monocristallin. Plus récemment, sont apparus les polymères piézoélectriques. res derniers sont utilisés sous forme de films plans métallisés sur deux faces, qui ont été orientes mécaniquement ou non, et dans tous les cas polarisés par application d'un champ électrique intense (de l'ordre de 1 MV/cm), h température supérieure ou éqale à la température ambiante. grâce h ce traitement, les films en matériau polymère acquièrent des propriétés pyroélectrique et piézoélectrique permettant de les utiliser comme transducteurs. Comme application de ces films plans, on peut citer des capteurs de pression, de déplacements (microphone, hydrophone, jauge de contrainte, etc...) et de température (capteur pyroélectrique pour la détection d'intrus, pour limaqerle Infra-rouqe). Parmi les polymères utilisables à de telles fins, on peut citer à titre indicatif le polyfluorure de vinylida.ne (PVF2), le polychlorure de vinyle (PVC), le polyfluorure de vinyle (PVF), ainsi que des copolym.res par exemple de polytétrafluorure éthylène-polyfluorure de vinylydène (PTrF.- pVF2) et le polyfluorure de vinylidêne-polytrifluoro éthylène PVF2 PTrFE. Des films plans de ces polymères sont obtenus habituellement par extrusion- soufflage, calendraqe, pressage ou évaporation de solvants. Le coefficient piézoélectrique hydrostatique d3h d'un matériau peut se décomposer en trois composantes. Par exemple, pour une lamelle de matériau piézoélectrique telle que représentée en fiqure 1, le coefficient piézoélectrique hydrostatique d 3h du matériau se décompose en la somme de trois coefficients piézoélectriques uniaxiaux: d3h = d31 + d32 + d33 Il se trouve que dans de nombreux matériaux, et, en particulier dans un polyfluorure de vinylidêne PVF2 et ses copolymbres, les signes des coeffi- cients d3] et d32 sont inverses de celui de d33. Il en résulte une valeur faible de d3h. Afin de bénéficier d'une grande sensibilité aux sollicitations hydrostatiques, on est conduit, par exemple, à enfermer le matériau actif dans une enceinte étanche en acier et comportant un piston qui applique la pression de façon uniaxiale sur le matériau actif comme cela est représenté en figure 2. IJn film piézoélectrique].0 est placé dclans une enceinte étanche 30, à plat au fond de cette enceinte. Un piston 31 coulisse dans l'enceinte 30 et permet d'appliquer une force de pression F à mesurer, sur le film piézo- électrique 10. Les mécanismes d'application F au piston 3] n'ont pas été représentés. Il apparaet néanmoins qu'une force F à appliquer au film piézoélectrique sera obligatoirement appliquée selon la direction de dépla- cement du piston 31. Dans ce type de montage, on a: d3h = d33 Cependants cette solution présente l'inconvénient de nécessiter des mon- tages précis en raison de la nécessité d'étanchéité du système ainsi que de la transmission sans perte des forces è mesurer et ne se prête pas à la réalisation de capteurs hydrostatiques de qrandes dimensions. Une telle solution est donc coteuse. Une autre solution, représentée en fiqure 3 consiste à coller le film piézoélectrique 10 sur un support rigide 32 présentant un très grand module d'YlUNG. Tout effort pouvant exister selon le plan du film I est donc contrarié par la rigidité du support 32. Si v est.le coefficient de Poisson du matériau piézoélectrique, on obtient: d3h = 1-v (d31 + d32) + d33 Comme v = 0,3 pour un polymère piézoélectrique, on a: d3h _ 0,5 (d31 + d32) + d33: ce qui est intéressant puisque d31 et d32 sont de signes contraires à d33. Cependant, cette dernibre méthode ne convient pas à la fabrication de transducteurs de grandes dimensions, ni, ce qui revient au même, à une fabrication de petits transducteurs par découpe d'un transducteur de grandes dimensions. C'est pourquoi l'invention propose un transducteur piézoélectrique fabriqué sous forme d'un film et présentant sur toute son étendue les mêmes caractéristiques. L'invention concerne donc un transducteur piézoélectricque comportant un film en matériau piézoélectrique polarisé, caractérise. en ce qu'il comporte également un matériau renforcant, incorporé dans la masse du film contrariant la déformation du film selon certaines directions dfter- minées. L'invention a également pour objet un capteur de pression utilisant un tel transducteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparattront à la lecture de la description ci-après et à l'examen des figures annexées parmi lesquelles: - la figure i illustre un exemple de transducteur piézoélectrique; - la figure 2 représente un exemple de montage d'un transducteur selon l'art connu; - la figure 3 représente un autre exemple de montage selon l'art connu; - la figure 4 représente un exemple de réalisation de film piézo- électrique selon l'invention. - la figure 5 représente un circuit permettant de polariser le film piézoélectrique selon un seul sens de polarisation: - les figures 6 et 7 représentent des circuits permettant de polariser le film piézoélectrique selon deux sens de polarisation opposés: - la figure 8 représente un exemple de capteur de pression de type connu: - la figure 9 représente un exemple de réalisation d'un capteur de pression selon 'l'invention utilisant un film polarisé selon un seuil de polarisation; -les figures In et 1] représentent des exemples de réalisation du capteur de pression selon l'invention utilisant des films polarisés selon deux sens de polarisation opposés: - la figure 12 représente une variante d'un exemple de réalisation d'un transducteur selon l'invention. Comme cela a été décrit précédemment en relation avec la figure], un matériau piézoélectrique 1 présente un coefficient piézoélectrique d3h hydrostatique pouvant se décomposer en trois coefficients selon les direc- tions 1, 2 et 3, définies par un trièdre de référence, tels que: d3h = d3] + d32 + d33 Pour avoir un effet piézoélectrique hydrostatique important dans le cas de mesure d'une force de pression on a intérêt de réduire les effets piézoélectriques d31 et d32 car ils sont de signes contraires à d33 et pour celà on doit réduire l'influence des composantes correspondantes du coeffi- cient piézoélectrique d3h. Pour homogénéiser les contraintes, on peut envisager de prendre le film en sandwich entre deux supports rigides, ce qui complique encore le montage et qui présente un inconvénient supplémentaire en introduisant une rupture d'impédance. En se reportant à la figure 4, on va donc décrire un transducteur selon l'invention permettant de pallier les inconvénients précédents. Selon l'invention, on prévoit dans la masse d'un film 10 en matériau piézoélectrique, un matériau rigide 12 interdisant toute déformation du matériau piézoélectrique selon des directions parallèles au plan du film. re matériau peut être une pièce poreuse ou perforée. ne cette façon le matériau renforcant est réellement inclus dans le polymère. Selon un exemple de réalisation représenté en figure 4, le matériau rigide 12 est constitué de fibres 13. Ces fibres sont sqit tressées entre elles, soit soudées h chacune de leur point de croisement, pour former un treilli ou une toile. Ce treilli 12 est mis à plat et est surmoulé h l'aide de matériau piézoélectrique 10, de telle façon que chacune des fibres soit enrobée dans le matériau piézoélectrique. Le treilli 12 et le matériau piézoélectrique piézoélectrique que trhs faible pour toute force de compression ou d'exten- sion s'exercant selon le plan du film. Dans ces conditions, l'effet piézo- électrique dû aux forces de pression normales au plan du film est prépondé- rant. En effet, le renforcement transversal du matériau piézoélectrique vise à bénéficier de la diminution de l'effet des coefficients d3] et d32 dans la formule d3h = d31 + d32 + d33. La mesure de cet effet piézoélectrique par la mesure de la différence de potentiel existant entre les deux faces principales du film permet de traduire plus aisément la valeur de la force de pression exercée. L'exemple de réalisation qui vient d'être décrit (renforcement trans- versal du film) convient plus particulièrement aux applications de mesures acoustiques sous-marines. Dans d'autres applications, il est possible de prévoir d'autres directions de renforcement. Le matériau piézoélectrique pourra donc être renforcé dans les directions 1, 2 ou 3, ou bien 1 et 2, 2 et 3, ou 1 et 3, ou selon des directions différentes de 1 et 2 et 3. Selon un exemple de réalisation, le matériau piézoélectrique utilisé peut être un polymbre semi-cristallin, tel que le polyfluorure de vinylidène (PVF2) ou un copolymère obtenu par association de ce polymbre avec, par exemple, du polytétrafluorure éthylMne (PTFE). Le matériau renforcant peut être conducteur ou isolant. Dans le cas d'un matériau conducteur on peut envisaqer un qrillage métallique. Dans le cas d'un matériau isolant, un tissu de fibres de verre, de Kevlar ou de fibres de polymères conviendra. Dans le cas de l'utilisation du copolymère PIVF2 PTrFE, le tissu est inclus dans le polymère à la fusion lors de la formation du film composite. Dans l'exemple des matériaux pour les applications d'acoustique sous- marine, on obtient un matériau composite de faible densité qui présente une bonne adaptation d'impédance à l'eau. Des mesures effectuées sur de tels matériaux ont donné les résultats suivants: - un film de copolymère PVF2 PTrFE tel que mentionné précédemment à 60 % de polyfluorure de vinylidène (Pv'F2) et 40 %n de polytrifluoro éthylène (PTrFE), d'épaisseur de 1,6 mm, ne contenant pas de matériau renforcant, et polarisé à 80a centésimaux à l'aide d'un champ électrique de 130 kV/cm possède: une permittivité électrique c = 12 r un coefficient piézoélectrique hydrostatique d3h = 4 pC/N (pico-roulomb par Nlewton); -un film de même composition de même épaisseur polarisé dans les mêmes conditions que précédemment dans lequel on a incorporé un tissu de polyester présente les caractéristiques: C r = 9 d3h =]1 pC/N -un film de copolym.re PVF2PTrFE à 67 %" de PVF2 et 33 % de PTrFE, d'épaisseur 1 mm, ne contenant pas de matériau renforcant et polarisé à 80 centésimaux à l'aide d'un champ électrique de 190 kV/cm présente les caractéristiques: Cr = 10,6 r d3h = 4 pc/N - un film de PvF2 PTrFE à 67 % de PVF2 et 33 % de PTrFE de mêmes dimensions, mais comprenant un tissu polyester présente les caractéris- tiques: = 10 r d3h = 9 pr/N Dans les deux cas précédents o on a prévu un tissu renforcant dans la structure du film, on a obtenu une forte augmentation de d3h, ainsi qu'une diminution de la constante diélectrique. Si on utilise le matériau en capteur hydrostatique, c'est le coefficient gh = d3h/S r qui mesure les performances du matériau. La structure proposée est alors très performante. Le facteur de mérite gh dh d'un hydrophone basse fréquence se trouve lui-même amélioré, d'un facteur 10 dans le cas du polymère PVF2/PTrFE 60 + 40 et d'un facteur 5 dans le cas de la composition 67/33. On voit donc que la structure du transducteur piézoélectriaue de l'invention permet de mesurer avec plus de sensibilité une force de pression hydrostatique, et surtout d'améliorer le rapport signal/bruit du système de détection. Il est à noter que le matériau piézoélectrique peut être polarisé électriquement avant ou après l'inclusion du matériau renforcant. La polari- sation électrique peut se faire de différentes façons. 2'567705 fans le cas ob le matériau est polarisé avant inclusion du renforça- teur, on prévoit le collage de deux films prenant en sandwich le matériau renforçant. Les colles sont du type époxyde il est alors avantageux d'enrober le matériau renforçant de polymère pvIF2 par trempage dans une solution de PV\F2 et de solvant -imethyl Formamide par exemple. Ine autre possibilité offerte par le collage est l'utilisation de matériaux renforcants basses températures type Keviar, puisque le collage se fait à température voisine de la température ambiante. Par exemple, les deux faces 4 et 5 du film 10 sont revêtues de dépôts métalliques 14 et 15 constituant deux electrodes. Selon une première méthode représentée en figure 5, on soumet le film à un champ électrique è l'aide d'un qgénérateur d'alimentation électrique HT 16 connecté aux électrodes 14 et 15, et cela que le matériau renforcant 12 soit conducteur ou isolant. Le matériau piézoélectrique est polarisé selon un sens de polarisation indiqué, par exemple, par des flèches sur la figure 5. Selon une deuxième méthode, représentée en figure 6, le matériau renforcant est conducteur. Il s'agit par exemple-d'une grille métallique] 2. Cette grille 12 est utilisée alors comme électrode. nn connecte un premier générateur électrique 17 entre la première-.électrode 14 et la grille 12 et un deuxième générateur électrique 18, convenablement polaris. par rapport au premier générateur, entre la grille 12 et la deuxième électrode]15. Les deux parties du film 10 située de part et d'autre de la grille 12 sont soumis à des champs ólectriques inverses qui les polarisent en sens opposés. Cela est indiqu. sur la figure 6 par des flèches en opposition. Cette deuxième méthode peut être mise en oeuvre avec un seul générateur électrique 16, comme représenté en figure 7. Une borne de sortie du générateur 16 est alors connectée à la grille métallique]12 et l'autre borne de sortie du générateur 16 est connectée aux deux electrodes 14 et 15. Le matériau piCzoólectrique du film 10 étant polarisé, on dispose d'un transducteur pi6zoélectrique qui peut être utilisé par exemple dans un capteur de pression. Il est à noter que dans ce qui précède, le film a été polarisé selon une direction perpendiculaire au plan du film, mais il est bien évident qu'il est possible de choisir une autre direction, par exemple dans le plan du film en prévoyant des électrodes interdicitées sur une face du film. Selon un montace connu représenté en fiqure 8, on connecte, aux électrodes 14 et 15 d'un film 10 polarisé comme décrit en relation avec la figure 5, un appareil de mesure de tension 20. fres forces de pression hydrostatique appliquées sur le film 10 et donnant lieu, par effet piézo- électrique, à la création d'une différence de potentiel entre les deux faces, seront mesurées par la valeur de tension détectée par l'appareil de mesure 20. On trouve là l'utilisation courante fd'un transducteur piézoélectrique. L'invention fournit une application du transducteur décrit précédem- ment, dans un capteur de forces permettant de mesurer au choix une force de pression ou un gradient de force de pression. Le transducteur utilisé sera un transducteur comportant une grille métallique 12. Cette qrille 12 délimite dans le film 10, deux domaines de polarisation. On considère tout d'abord que les sens de polarisation de ces deux domaines sont de même sens ainsi que représenté sur le film de la figure 5. Selon l'invention, on connecte un premier dispositif de mesure de tension 21 entre l'électrode 14 et la grille métallique 12 ainsi qu'un deuxième dispositif de mesure de tension 22 entre l'électrode]15 et la grille 12. A titre d'exemple, sur la fiqure 9, la grille 12, c'est-à-dire le point commun des deux dispositifs 21 et 22, est connectée au potentiel zéro. Lorsqu'une force de pression est appliquée sur le film 10, une tension est créée par effet piézoélectrique entre l'électrode 34 et la grille 12 Pd'une part, et entre l'électrode 15 et la grille]2 d'autre part. Les dispositifs de mesure de tension 21 et 22 mesurent les tensions créées et fournissent chacune sur leur sortie 25 et 26 un signal de mesure représentant une force de pression détectée. Les sorties 25 et 26 sont connectées aux entrées d'un additionneur 23 et d'un soustracteur 24. L'additionneur 23 effectue la somme des résultats de mesure reçus sur ses entrées et fournit sur une sortie F un signal représentant la force cle pression exercée sur le film 10. Le soustracteur 24 effectue la différence des résultats de mesure reçus sur ses entrées et fournit sur une sortie dF un signal représentant la valeur d'un gradient de pression détecté entre les deux faces 4 et 5 du film 10. Le capteur de l'invention permet donc de faire au choix des mesures de pression ou des mesures de aradient de pression. En se reportant aux figures 10 et 11, on va maintenant dé.crire des variantes de capteurs de l'invention utilisant un film polaris6 comme repr6senté en figure 6, c'est-à-dire comportant deux domaines polarisés en sens inverses de part et d'autre de la grille 12. Il convient tout d'abord de noter qu'un tel film peut être utilisé dans un capteur tel que celui de la figure 9 en tenant compte pour la connexion des dispositifs de mesure 21 et 22, des sens de polarisation. Plus simplement, il peut être utilisé en gradientmètre de pression comme représentd sur la figure 10. Sur la figure 10, un appareil de mesure de tension 20 est connecté aux électrodes 14 et 15. En raison des sens de polarisation inverse, le film. 10 soumis à une pression permettra donc de fournir sur l'appareil de mesure 20 convenablement gradué, une valeur de gradient de pression. De façon analogue au gradientmètre de pression de la figure 10, le capteur de la figure Il est mont6 en appareil de mesure de force de pression. L'appareil de mesure de tension 20 est alors connecté, par une de ses bornes d'entrée aux électrodes 14 et 15. Dans ces conditions, les sens de polarisation inverses de deux domaines du film 10 font que l'appareil de mesure 20 mesure une valeur de force de pression. Un intérêt du capteur de pression de la fiqure 1] réside dans le fait qu'il présente une capacité sensiblement quatre fois plus grande que la capacité réelle mesurée entre les deux Électrodes 14 et 15. En effet, si on désigne par: - e l'é;paisseur totale du film piézoélectrique]0, - S la surface du film 10 utilisée dans le capteur, - E: la constante diélectrique, la valeur réelle de la capacité entre les électrodes 14 et] 5 est: = -S e En supposant la grille 12 située au milieu de l'épaisseur du film 10, la valeur des capacités Cl et C2 mesurées entre l'électrode]14 et la grille 12, et entre l'électrode 15 et la grille 12, a pour valeur C 2 e 5 -1 =.2_ e Le montage de la figure 1] fournira donc pour l'appareil de mesure de tension 20, une capacité de valeur: 4c S le 2 C] + C2 _ e Pour l'utilisation du capteur ainsi décrit en aradientmétre, on préfe- rera un film dans lequel la grille 12 est sensiblement dans l'épaisseur du film à égale distance des deux faces 14 et 1.5. Mais cela n'est pas impératif. Il convient surtout de posséder dans l'épaisseur du film, deux domaines d'importances suffisantes et dé.veloppant des effets piézoélectriques mesu- rables, et d'étalonner les deux branches de mesure déterminées par ces deux domaines, voire de les équilibrer à l'aide d'impédances. Par ailleurs, le capteur de l'invention peut être également utilisé pour mesurer des forces de flexion et comprendre alors de préférence un transducteur à sens de polarisation inverses. Selon une variante de l'invention, le transducteur comporte plusieurs grilles parallèles. C'est ainsi que sur la figure 12, on a représentó un transducteur comportant deux qrilles]2 et 32 parallèles et noyées dans le matériau piézoélectrique 10. Ces grilles délimitent ainsi plusieurs couches de mat6riau piézoélectrique. Dans le cas d'une réalisation du transducteur par collage les différentes couches peuvent être en matériaux de natures différentes. Il est à noter que le matériau piézoélectrique utilisable peut être un composite polymère-céramique piézoélectrique, tel qu'un matériau réalisé à partir d'une suspension de poudre piézoélectrique minérale dans un polymère qui n'a pas besoin alors d'être étiré mécaniquement pour être piézo(.lec- trique. Fnfin, il convient de préciser que les modes de réalisation de l'inven- tion ne se limitent pas à des transducteurs de forme plane. En effet, l'invention est également applicable è un transducteur en forme de coque développable (tel qu'un tube ou un cone) ou de coque non développable (telle qu'une calotte sphérique par exemple). 1. REVENDIF.ATIONS 1. Transducteur piézoélectrique comportant un film (]0) en matériau piézoélectrique polarisé, caractérise en ce qu'il comporte eqalement au moins un matériau renforçant (]2), incorporé dans la masse du film contrariant toute déformation du film selon certaines directions déter- minées. 2. Transducteur piézoélectrique selon la revendication.1, caractérisé en ce que le matériau renforçant est incorporé dans la masse du film, parallèlement aux faces principales (4, 5) du film (10), contrariant ainsi la déformation du film selon les directions parallèles h ces faces principales. 3. Transducteur piezoélectrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau renforçant (12) est un matériau poreux. 4. Transducteur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau renforçant (J2) est un matériau constitué. de fibres (33). 5. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fibres (13) du matériau renforçant (12) sont tressées entre elles pour constituer un qrillaqe. 6. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, earactérisé en ce que le matériau renforçant (12) est situé dans l'épaisseur du matériau piézoélectrique (]0) à égale distance de deux faces opposées du matériau piézoélectrique (]0). 7. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le matériau renforçant (12) est un matériau isolant électriquement. 8. Transducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau renforçant (12) est un matériau conducteur électriquement. 9. Transducteur piézoélectrique selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le film (11n) est polarisé perpendiculairement aux deux faces principales (4, 5) du film (10) et qu'il comporte sur ses faces principales (4, 5) une première et une deuxirme électrode (34, 15). 10. Transducteur piézoélectrique selon la revendication], caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs matériaux renforçant, disposés parallément. 11. Transdueteurpiézoéleetriqueselon la revendication], caractériséence qu'il comporte plusieurs couches de matériaux piézoélectriques de natures différentes et séparées par des matériaux renforçants. 12. Capteur de pression utilisant le transducteur piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier moyen de mesure de tension (2]) connecté à la première électrode (14) et au matériau renforcent (]2): un deuxième moyen de mesure de tension (22) connecté à la deuxième électrode (15) et au matériau renforçant (12): un dispositif additionneur (23) connecté aux deux moyens de mesure de tension (21, 22) effectuant la somme des résultats de mesure effectuées par le premier et le deuxième moyen de mesure et fournissant un signal représentant une valeur de force de pression exercée dans le matériau piézoélectrique (10) un dispositif soustracteur (24) connecté aux deux moyens de mesure de tension (21, 22) effectuant la différence des résultats de mesure effectués par le premier et le deuxième moyens de mesure et fournissant un signal représentant une valeur de gradient de force de pression développé dans le matériau piézoélectrique (10). 13. Capteur de pression utilisant le transducteur piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte: un premier moyen de polarisation (17) connecté entre la première électrode (14) et le matériau renforcent (12) et permettant de polariser le matériau piézoélectrique, situé entre la première électrode (14) et le matériau renforcant (12), selon un premier sens de polarisation- un deuxième moyen de polarisation (1 8) connecté entre la deuxième électrode (15) et le matériau renforcant 12) et permettant de polariser le matériau piézoélectrique, situé entre la deuxième électrode (15) et le matériau renforcent (12), selon un deuxième sens de polarisation opposé au premier sens de polarisation. 14. Capteur de pression selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un appareil de mesure de tension (20) connecté à la première et à la deuxième électrode et fournissant ainsi un résultat de mesure représentant un gradient de force de pression développé dans le matériau piézo6lectrique (10). 15. Capteur de pression selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un appareil de mesure de tension (20) connectS, d'une part, en commun à la première et deuxième électrode (14, 15), et d'autre part, au matériau renforcent (12), et fournissant ainsi un résultat de mesure reprê- sentant la valeur d'une force de pression exercée dans le matériau piézo- électrique (10).