Однако, несмотря на отсутствие коммерческого успеха, печатные пьезоэлектрические датчики обладают некоторыми очевидными преимуществами перед пьезорезистивными аналогами. По мере совершенствования технологий производства и алгоритмического анализа данных для извлечения информации из высокочастотных измерений, могут ли пьезоэлектрические датчики наконец приблизиться к коммерческому внедрению?
Отличительные особенности
Благодаря своей печатной форме и гибкости, как пьезоэлектрические, так и пьезорезистивные датчики обладают рядом преимуществ перед неорганическими датчиками давления. Они легкие и экономичные в крупномасштабном производстве, что облегчает пространственно-разрешенное измерение давления. Кроме того, их тонкопленочный формат позволяет устанавливать их в местах, где датчики на основе жестких материалов могут испытывать трудности.
Однако между типами датчиков существуют некоторые ключевые различия. Пьезорезистивные датчики относительно просты в изготовлении: слой «чувствительного к силе резистора (FSR)», состоящий из проводящих частиц, внедренных в эластомерную матрицу, обеспечивает зависящий от давления проводящий путь между двумя вертикально расположенными или чередующимися электродами. В этих датчиках используются недорогие материалы, простые технологии изготовления, и их относительно легко калибровать.
В отличие от них, печатные пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэлектрических полимерах, таких как PVDF:TRFE, которые затвердевают, образуя кристаллические домены с диполями. Воздействие электрического поля выравнивает диполи этих доменов, создавая пьезоэлектрический материал. Этот дополнительный этап производства, наряду с более сложным процессом калибровки, означает, что пьезорезистивные датчики до сих пор остаются доминирующим выбором среди печатных датчиков давления.
Однако, несмотря на эти недостатки, печатные пьезоэлектрические датчики обладают рядом очевидных преимуществ. Среди них — способность обнаруживать высокочастотные колебания, поскольку они требуют гораздо меньшей деформации, чем пьезорезистивные материалы, так как нет необходимости сжимать эластомеры. Кроме того, поскольку пьезоэлектрические датчики генерируют небольшое напряжение в ответ на сжатие, они потребляют очень мало энергии. Фактически, если измерения и последующая беспроводная связь происходят относительно нечасто, пьезоэлектрические датчики могут накапливать достаточно энергии для собственного питания.
Перспективные приложения
Хотя печатные пьезоэлектрические датчики пока с трудом завоевывают рынок, они постепенно набирают популярность в областях применения, требующих их ключевой отличительной особенности: способности обнаруживать высокочастотные вибрации.
Одно из применений таких технологий — мониторинг состояния оборудования с целью проведения профилактического обслуживания. Установка тонкопленочных пьезоэлектрических датчиков на промышленное оборудование позволяет обнаруживать вибрации с изменениями амплитуды и частоты, которые могут указывать на наличие изношенных деталей. Аналогичный подход может быть применен и к крупным сооружениям, таким как мосты, туннели и т. д., для раннего предупреждения о повреждениях и потенциальных обрушениях.
Еще одно особенно инновационное применение, разработанное французской компанией CEA-LITEN, использует печатные пьезоэлектрические устройства для мониторинга состояния батареи. Тонкопленочный печатный пьезоэлектрический актуатор генерирует высокочастотные ультразвуковые волны, которые распространяются по батарее. Затем эти волны детектируются пьезоэлектрическим датчиком с очень похожей архитектурой. Отслеживание времени прохождения волн и их частотной зависимости позволяет осуществлять мониторинг акустической плотности в реальном времени и, следовательно, состояния батареи.
В качестве последнего примера можно привести использование пьезоэлектрических датчиков для контроля давления в шинах, разработанных австрийской компанией Joanneum Research под брендом Pizoflex. В этом случае ключевой особенностью является не способность обнаруживать высокочастотные вибрации, а скорее возможность сбора энергии. Тонкопленочный датчик размещается внутри шины, и его минимальный вес предотвращает разбалансировку колеса. Он собирает достаточно энергии для беспроводной передачи показаний давления каждые 30 секунд, что исключает необходимость сложной проводки во вращающемся компоненте.
