ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ДАТЧИК МАТРИЧНОГО ТИПА
PIEZOELECTRIC POLYMER SENSOR OF MATRIX TYPE

Изобретение относится к сенсорэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим полимерным датчикам.
Аналогом предлагаемого пьзоэлектрического полимерного датчика является полимерный пьезоэлектрический датчик, реализуемый в [1]. Основой данного технического решения является получение полимерных композитов, в частности композиционных полимерных пьезоэлектриков, используемых в качестве пьезодатчиков, различного рода активаторов, термостойких покрытий. Получаемый пьезоэлектрический датчик представляет полимерную пленку, содержащую поливинилиденфторид (ПВДФ), металлизированную с двух сторон. Данная двухсторонняя металлизация необходима для присоединения внешними выводами к измерительному устройству. Техническим результатом является то, что полимерная пленка датчика характеризуется термостойкостью и высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами.
Основным недостатком данного датчика является невозможность оценки состояния контролируемого оборудования на месте, для решения данной проблемы в предлагаемом устройстве используется массив датчиков с различной чувствительностью. Такой подход позволяет единовременно получать вектор значений, оценивать его при помощи высокопроизводительного ANFIS-процессора без использования сложного интегрально-дифференциального аппарата, что резко уменьшает время ответа, риски, связанные с отказом отдельных элементов датчика, а также практически исключает вероятность случайного срабатывания в следствии высокого уровня помех и шумов.
Также известен полимерный пьезоэлектрический датчик, реализуемый в [2]. Получаемый пьезоэлектрический датчик, как и в первом аналоге, представляет полимерную пленку, содержащую ПВДФ, металлизированную с двух сторон. Техническим результатом является то, что формируемый пьезоэлектрический датчик является гибким, его можно реализовать неограниченной длины и является менее чувствительным к условиям окружающей среды, чем существующие аналоги.
Недостатком данного устройства является высокая вероятность отказа в следствие большой длины датчика, а также чувствительность к случайным помехам. В случае датчика матричного типа в следствии его повреждения из строя выходит только один элемент и это практически не сказывается на работе датчика в целом.
Прототипом предлагаемого технического решения является пьезоэлектрический датчик, включающий полимерную пленку, содержащую ПВДФ, первый и второй адгезионные слои, первую и вторую пластину электродов, расположенные с обеих сторон и стеклянную подложку. Металлические пластины необходимы для присоединения внешними выводами к измерительному устройству [3]. Технический эффект связан с уменьшением влияния рабочей температуры. Конструкция датчика позволяет компенсировать флуктуации напряжения, вызванные рабочей температурой.
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность вследствие большой массы датчика, а также чувствительность к случайным электрическим помехам, как и в предыдущем прототипе.
Задачей данного изобретения является оценка правильной работоспособности оборудования на основе акустических данных и выработка управляющего сигнала в дискретной форме: {"норма", "внимание", "опасность"}.
Поставленная задача решается путем создания чувствительного элемента в виде полимерной пленки, содержащей поливинилиденфторид, имеющей вдоль по длине разную толщину - боковом сечении имеет клиновидную форму, с обеих сторон полимерной пленки вдоль поверхности попарно сформированы локальные металлические тонкопленочные контакты, выполненные, например, из алюминия, каждый из которых имеет электропроводящую дорожку, сооединяющую контакт с расположенной по периферии полимерной пленки контактной площадкой.
n
Данные парные металлические контакты обеспечивают создание массива сенсоров, характеризуемых различной толщиной полимерной пленки, и, как следствие, различными зависимостями выходного напряжения от акустического сигнала. Количество таких сенсоров - 2, где n находится в диапазоне от 1 до 16. Указанный диапазон обосновывается следующим образом. 2 сенсора - это уже массив. Выше 256 сенсоров использовать нецелесообразно, чтобы обеспечивалась возможность обработки снимаемых сигналов существующими стандартными процессорами. Данные попарно расположенные контактные площадки каждого сенсора посредством внешних выводов присоединяются к соответствующим клеммам контроллера. Данный массив сенсоров с контроллером образует пьезоэлектрический датчик матричного типа.
Совокупностью отличительных признаков изобретения является то, что полимерная пленка вдоль по длине имеет разную толщину - в боковом сечении имеет клиновидную форму, с обеих сторон полимерной пленки вдоль поверхности сформированы попарно металлические локальные металлические контакты. Наличие массива сенсоров - чувствительных элементов с разной толщиной пленки, разными пьезоэлектрическими параметрами и использование высокопроизводительного ANFIS-процессора обеспечивает возможность быстрой оценки состояния контролируемого оборудования, высокую чувствительность, скорость ответа, шумо- и помехозащищенность, и низкую вероятность отказа.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг. 1 приведено поперечное сечение полимерной пленки, содержащей металлизацию 4-х сенсоров, где 1 - полимерная пленка, 2 - локальный металлический контакт. На фиг. 2 представлен вид сверху пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа, где 1 - проводящая дорожка, 2 - контактная площадка. На фиг. 3 представлен вид снизу пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа
Пьезоэлектрический полимерный датчик матричного типа изготавливают следующим образом. На стеклянную подложку, расположенную под углом 0,25 градуса к горизонтали, наносят 4% раствор поливинилиденфторида-трифторэтилена в 80% диметилсульфоксида и 20% ацетона. Выдерживают подложку в данном положении при 100°C до затвердевания (около 1 часа). Для кристаллизации полимерной пленки вышеупомянутую структуру нагревают до температуры 180°C, выдерживают в течение 30 секунд, и помещают в воду комнатной температуры. Далее полимерную пленку отделяют от подложки. Магнетронным распылением с использованием шаблона на обе стороны полимерной пленки последовательно наносят тонкую (0,1 мкм) пленку алюминия для формирования локальных металлических контактов, проводящих дорожек и контактных площадок. Внешними проводниками присоединяют попарно от каждого сенсора контактные площадки к клеммам контроллера.
Таким образом, предлагаемое решение конструкции пьезоэлектрического полимерного датчика матричного типа по сравнению с прототипом имеет ряд существенных преимуществ для систем автономного управления и контроля состояния оборудования, связанных с высокой производительностью, выработкой управляющего сигнала в дискретной форме, что позволяет резко разгрузить каналы телеуправления высокой чувствительностью, шумо- и помехозащищенностью, и низкой вероятностью отказа.
Источники информации
1. Патент РФ №2610 063.
2. Патент США №20160016369.
3. Патент США №20160305832 - прототип.