Capteurs de pression et de force

Ils reposent sur l'effet piézorésistif, c'est à dire l'effet d'une pression sur les caractéristiques d'une résistance (R=l/s) appelée jauge de contrainte, et soumise à la même déformation que la membrane qui la supporte, sous l’effet de cette pression. La variation géométrique d'une jauge de contrainte se traduisant par une variation de sa résistivité on pourra exploiter celle-ci pour identifier l'amplitude de la contrainte. Ainsi que l'on peut le déduire des caractéristiques précisées ci-dessus les formes de membrane imaginables tout autant que celles des jauges sont très diverses et seront adaptées au mieux à l’application concernée.

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les corps d'épreuve

Le tableau ci-dessous montre les différents types de corps d'épreuve utilisables

Notons que la figure b représente le cas le plus employé historiquement en raison de la linéarité de la déformation exploitable, tandis que la figure a correspond aux capteurs de microtechnologies silicium actuels et i au baromètre classique.

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jauges de contrainte

On distingue plusieurs technologies dans la réalisation de telles jauges :

• fils collés sur un support,
• jauges à trame pelliculaire,
• jauges diffusées,
• jauges en couche mince.

jauges à fil

Elles sont constituées d'un fil résistant de faible diamètre (12µm par ex) collé sur un support dont la nature varie selon le type d'application et le domaine de température: ce peut être un papier fin poreux (0.1mm d'épaisseur) ou le plus souvent un film polyimide. De même la colle reliant le fil à son support sera du type epoxy (-190,+100°C) phénolique (100 à 300 °C) ou un ciment réfractaire (au delà de 300°C).

Ces jauges devront généralement être protégées contre la corrosion et l'humidité à l'aide de produits susceptibles de former des films souples et étanches: vernis, résines époxy, élastomères silicones.

Divers procédés de montage tendent à augmenter la sensibilité en augmentant la longueur utile: procédé à grille plane, bobinage en dent de scie.

jauge à trame pelliculaire

De plus en plus on remplace les jauges à fils par ces dernières dont la technologie se prête mieux aux procédures automatisées propres aux fabricants de composants électroniques. Le fil est alors remplacé par un conducteur mince et plat obtenu par photogravure. Les récents progrès des techniques photolithographiques autorisent la réalisation de brins de jauge de 3µm de largeur séparés par moins de 2µm.

Ces jauges présentent de nombreux avantages: masse plus faible donc moindre inertie, dissipation thermique accrue, effet transversal réduit (on peut varier la largeur), épanouissement aux extrémités facilitant la connexion, géométries complexes adaptées à des cas très particuliers facilement réalisables. On donne ci- dessus quelques exemples de géométries courantes.

jauge à semiconducteur

Il est possible d'utiliser le silicium comme matériau de jauge plutôt qu'un alliage métallique. Le principal intérêt réside dans le facteur de jauge accru d'un facteur 50, par rapport aux jauges métalliques et aux possibilités très récentes de fabrication de l'ensemble du capteur en silicium. Dans ce dernier cas on évite ainsi toutes les opérations de montage des jauges sur une membrane. Cependant le silicium présente l'inconvénient majeur d'avoir un fort coefficient de dérive thermique.

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caractéristiques électriques

coefficient de sensibilité longitudinale

R = l /r² Sous l'effet d'une traction l augmente et r diminue, c'est l'inverse en cas de compression. On définit un facteur de sensibilité longitudinale

K = (R/R) / (l/l)

dont on va exprimer la valeur ci-après R/R = / + l/l - 2r/r or r/r = - l/l (étant le coefficient de Poisson)

d'après Bridgman /= cV/V avec V =r²l soit V/V = 2r/r +l/l

il vient donc DR/R =[c(1-2)+1+2]l/l

et K= c(1-2) +1+2

coefficient de sensibilité transversale

(l/l)_T = - (<l/l)_x ce que l'on écrit _y = -_x R/R = K_xx +K_yy =[K_x-K_y]_x On a donc du fait que les brins sont nécessairement raccordés entre eux par une liaison transversale une sensibilité réelle légèrement plus faible que K_x. En écrivant R/R = K _réel (l/l )_x


Kréel est d'environ 0.75% inférieur à Kx pour une jauge à fil classique. Cette erreur peut être réduite pour les jauges à trame pelliculaire en élargissant les bandes de raccordement.

influence de la température

deux effets liés à la température peuvent fausser les résultats :

• d'une part la dilatation différentielle entre jauge et support
• d'autre part, les effets thermoélectriques liés à un écart de température entre deux points de raccordement (on peut éliminer ce problème en alimentant les jauges en alternatif).

dilatation

jauge l_f = l_f0 [1+ _f(T-T₀)]

membrane support l_m = l_m0 [1+ _m(T-T₀)]

on peut admettre à T₀ que l_f0=l_m0=l₀à T: l_m-l_f = l₀ [_m-_f][T-T₀]

posons T-T0 = T il vient: (R/R)_T = (K_x+K_y)[l_m-l_f] / l₀ = A T

ex: pour une jauge en constantan collée sur aluminium on trouve: A = 5.310^-5/°C et sur acier A = 310^-5/°C

Ce résultat est loin d'être négligeable aussi choisit-on de travailler avec un pont de jauges plutôt qu'une seule jauge afin de minimiser cette influence de la température.

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pont de mesures

On travaille en pont de wheatstone constitué de 4 jauges de résistance identique en l'absence de contrainte. Les jauges sont placées de façon symétrique sur la pièce en déformation de telle façon que J1 et J3 subissent des allongements positifs tandis que J2 et J4 seront comprimées.


sous l'action d'une contrainte, R_i devient R_i+dR_i avec dR_i >0 ou<0, et on montre facilement que

d(V_A-V_C) = E/4R [ dR₁ - dR₄ + dR₃ - dR₂ ]

Cette relation montre bien que la contribution à d(V_A-V_C) due à la température est nulle car à température homogène tous les dR_i sont identiques, tandis que la sensibilité aux contraintes est maintenue en plaçant les jauges comme précisé ci-avant ;

En pratique le pont n'est jamais parfait et on sera amené à ajouter une compensation de dérive de température du coefficient de jauge ainsi qu'un dispositif d'équilibrage du zéro. Dans ces conditions l'électronique associée pourrait être du type de celle figurée ci-dessous.


Les capteurs à jauges peuvent se présenter sous de nombreuses apparences selon leur destination. A titre indicatif et non limitatif nous donnons ci-dessous quelques exemples.

Fig. Quelques exemples de présentation de capteurs à jauges de contrainte (Keller, CH-Winterthur)