Brevet FR2229950A1 — publié le 19741213

La présente invention concerne les procedés et dispositifs de détection et de mesure de deplacements de faible amplitude, le terme "déplacement" devant être interprété comme désignant des modifications d'emplacement dans le temps consécutives à un mouvement à partir d'une position de repos. Elle a plus particulièrement pour objet la mesure de deplacements non permanents, pouvant être rapides, dont l'amplitude dépasse un seuil prédéterminé, de l'ordre de 100 A. I1 existe déjà de nombreux procédés et dispositifs de mesure ou de détection de déplacements de très faible amplitude mais la plupart ne fournissent que des mesures relatives, donc impliquent un étalonnage qui peut introduire des causes d'erreurs et être compliqué ou difficile. La présente invention vise A fournir un procédé et un dispositif relativement simples, d'application très large et souple, écartant notamment ce défaut. Dans ce but, l'invention utilise une propriété des cristaux liquides smectiques mise en évidence par les inventeurs. Cette propriété, qui sera décrite en détail plus loin, consiste notamment en ce quwun déplacement en extension appliqué à un film de cristaus-liquides smectiques dans une direction perpendiculaire au plan des couches fait apparaitre, lorsque la dilatation mécaniquement imposée aux couches dépasse un seuil déterminé (indépendant de ltépaisseur de la lame, mais lié à la nature des cristaux liquides) une ondulation des couches décelable par des procédés optiques, y compris l'observation microscopique directe.Cette ondulation represente une instabilité qui tend à s'attinuer, si l'extension est maintenue, par perméation et, lorsque les couches présentent des défauts, par migration de ceux-ci. Le phénomène reste parfaitement réversible (de sorte qu'il est possible de mesurer des oscillations ou des déplacements rapides et répétés à partir d'une position de repos) aussi longtemps que ce déplacement ne dépasse pas une valeur donnée, qui, cette fois, dépend de ltépaisseur de la couche.Au-delà, les ondulations se fracturent et se fractionnent et, si l'extenstion cesse, il subsiste un désordre que révèle l'observation optique et qui ne s'atténue qu'avec une constante de temps élevée, souvent de l'ordre de la minute : on a ainsi une mémorisation temporaire. Un procédé suivant l'invention, basé sur le phénomène ci-dessus, de détection ou de mesure de déplacements d'amplitude qui peut être nettement inférieure au micron entre deux surfaces plates , consiste notamment en ce qu'on dispose, en contact avec lesdites surfaces, un film de cristaux liquides smectiques d'épaisseur supérieure à 1 micron et en ce qu'on observe optiquement la couche. On peut notamment disposer le film entre deux faces parallèles de deux plaques planes et appliquer le déplacement aux plaques dans le sens de ltécartement de celles-ci, à partir d'une position de repos où aucune contrainte n'est appliquée au film. On peut ainsi mesurer des déplacements rapides, sous la seule condition que leur amplitude soit supérieure à un seuil, qui peut être calculé. On peut ainsi obtenir des mesures absolues en surveillant l'apparition de taches de diffraction fournies par un pinceau monochromatique dirigé sur le film de cristaux liquides suivant l'angle de Bragg. Parmi les applications d'un tel dispositif, on peut notamment citer l'étalonnage de capteurs de déplacement ou de pression, tels que des quartz piézo-électriques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit dtun dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et du procédé que met en oeuvre ce dispositif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel - la figure 1 est un schéma de principe montrant les déformations qui interviennent dans un film de cristaux liquides smectiques A soumis à un effort mécanique tendant à augmenter son épaisseur, et les notations utilisées - la figure 2 est une courbe représentative des variations du vecteur d'ondes qc en fonction de l'épaisseur de la couche pour un matériau smectique donné, constitué par le pcyano-benzilidène-p-octyloxy-aniline ou CBOOA, à 780C - la figure 3 est un schéma de principe du dispositif. Avant d'en venir à la description d'un dispositif suivant l'invention, il peut être utile de donner quelques indications de nature théorique. Si l'on part d'un film d'épaisseur initiale d de cristaux liquides smectiques présentant des couches parallèles, qui seront considérées dans la suite comme parallèles au plan xy, film non perturbé et homéotropique, et si l'on impose à la face supérieure du film un déplacement t correspondant à une augmen tation de l'épaisseur du film, il apparait dans le film, pour les valeurs de t supérieures à un minimum, un phénomène d'ondulation des couches suivant une direction aléatoire, qui sera considérée par la suite comme celle de l'axe x. Ce phénomène se traduit par un déplacement u au point dont les coordonnées initiales sont x et z.En restant dans le domaine des approximations linéaires, la densité d'énergie libre correspondant à ce point est de la forme Le premier terme du second membre correspond à l'éner- gie due à la dilatation tandis que le second terme correspond à I'élasticité de courbure. Si l'on suppose que le film reste constitué de couches en nombre invariable. une inclinaison des couches sous un anale se traduit par une compression qui constitue un terme négatif tendant à équilibrer les autres. La densité d'énergie libre deviens En clair, on voit qu'une dilatation uniforme sur toute la surface du film, de valeur 8 , peut être localement équili d brée par un angle d'inclinaison e . On peut considérer l'effet de la dilatation imposée a comme l'équivalent d'un champ magnétique déstabilisateur. En poursuivant une telle comparaison, on constate que le terme 62 a une forme identique au couplage avec un champ magnétique déstabilisateur H d'orientation x (x étant la direction du plan selon laquelle se forment les ondulations). Dans le domaine des cristaux liquides cholestériques, on a déjà observé un phénomène de formation d'ondulation sous l'faction d'un tel champ magnétique, à condition que l'intensité de celui-ci dépasse un seuil Hs. Dans le cas présent, le calcul montre et l'expérience confirme que les ondulations se forment lorsque le déplacement 3 dépasse en valeur absolue une valeur de seuil a5 > indépendante de l'épaisseur d, donnée par la formule où A est la longueur de pénétration, égale à (K/B) Dans la pratique, pour les cristaux liquides smectiques usuels, ce seuil sera de l'ordre de 100 A. On pourrait penser que 1'on pourrait arriver aux mêmes résultats en appliquant des champs magnétiques. Mais un calcul relativement simple montre que, pour arriver à des ondulations d'amplitude décelable, même dans le cas de films épais, de l'ordre de 70d microns, il faudrait des champs extrêmement intenses, de l'ordre de la dizaine de kilogauss. Au contraire, le seuil a5 de déplacement est toujours extrêmement faible, comme on l'a vu plus haut. Si le seuil as est indépendant de l'épaisseur d, la longueur d'onde de l'ondulation qui se forme est au contraire liée à cette épaisseur par la relation q c étant le vecteur d'onde. En d'autres termes, la longueur d'onde augmente avec l'épaisseur suivant une loi quadratique, comme indiqué sur la figure 2. L'amplitude des ondulations est elle-même une fonction croissante du déplacement imposé 3 . Toutefois, il faut faire ici deux remarques importantes. Dune part, les ondulations tendent à disparaitre spontanément. Divers mécanismes interviennent dans ce phénomène. Les défauts des cristaux liquides smectiques, s'il en existe, tendent à migrer. Les dislocations se propagent par perméation et tendent à réduire les tensions et à augmenter le nombre de couches jusqu'à ce que les déformations passent au-dessous du seuil. La durée de relaxation dépend notamment de l'épaisseur de la couche. Pour une couche de 1 micron, cette durée sera de l'ordre de 30 microsecondes. Elle se réduira à 0,1 microseconde environ dans le cas d'une couche de 1000 microns. En contrepartie, toute augmentation de l'épaisseur se traduira par une augmentation de la longueur d'onde des ondulations (c'est-àdire par une diminution du vecteur d'onde). D'autre part, le phénomène ne reste réversible qu'aussi longtemps que l'amplitude des ondulations, liée directement à et à l'épaisseur d, ne dépasse pas une valeur déterminée, qui dépend d'ailleurs de d. Pour les déformations 8 en dilatation comprises entre la valeur de seuil Xs et cette valeur-maximum, le relâchement des contraintes se traduit par un retour des couches à l'état de repos, dans lequel elles sont parallèles. Si, au contraire, on dépasse la valeur maximum, il se produit un fractionnement et une dislocation des ondulations, et en cas de relâchement des contraintes, le retour à ltétat de repos du cristal liquide exige un laps de temps important, qui peut atteindre et dépasser la minute, ce qui constitue une véritable mémorisation. On va maintenant décrire un dispositif permettant de détecter les déplacements dépassant un seuil donné, correspondant au seuil d'apparition du phénomène d'ondulation. Le dispositif comporte un film 10 de cristaux liquides smectiques A entre deux lames de verre Il et 12 dont les faces en regard sont parallèles. Etant donné que des lames de verre, même présentant un bon état de surface, conservent des irrégularités, la zone de travail devra avoir une dimension transversale en plan de l'ordre de 100 microns au moins. Pratiquement, on utilisera toujours des dimensions transversales nettement supérieures. Quant au film de cristaux liquides, il devra, pour la même raison, avoir une épaisseur dépassant légèrement la limite théorique inférieure liée à la profondeur de pénétration, de l'ordre de 120 A : en fait, 1000 A constitueront un minimum. La lame de verre 12 étant fixe, le dispositif permet de mesurer les déplacements vers le haut de la face inférieure de la lame 11. il s'agira par exemple d'une lame de quartz piézo-électrique que l'on souhaite étalonner. Dans ce cas, la lame 11 pourra être en butée contre un organe non représenté, tandis que la lame 12 est de son coté placée dans un boîtier fixe 13. Dans le boîtier 13 est ménagée une fenêtre de passage d'un pinceau délié 14 de lumière monochromatique. Sur la figure 3, ce pinceau provient d'un laser 15 fournissant une lumière pour laquelle les lames Il et 12 sont transparentes. Le laser est disposé de manière que la lumière attaque le film 10 de cristaux liquides suivant l'angle de Bragg. Un écran 16 permet de déceler les taches de diffraction 17 qui apparaissent éventuellement.La partie optique de ce dispositif est similaire à celle qui a été décrite de façon plus complète dans l'article intitulé "Rayleth scattering induced by static bends of layers in a smectic A liquid cristal" de R. Ribotta, G. Durand et J.D. Litster dans 1,Solid State Communications, vol. 12, pages 27-29, 1973. La lame piézo-électrique 11 étant taillée de façon à se contracter lorsqu'elle est excitée à partir de sa position de repos, et donc à imposer une dilatation au film 10 de cristaux liquides (l'adhérence du film aux lames étant assurée par des moyens classiques), le dispositif permet de déceler toute déformation dépassant la valeur a5 correspondant au film, valeur qui peut être calculée. On peut ainsi déterminer quelle est la valeur du champ électrique appliqué à la lame Il qui conduit à la déformation & , déformation qui va se traduire par 1appa- s rition des taches de diffraction 17.Dans la pratique, on appliquera à la lame Il un champ électrique alternatif à fréquence compatible avec le temps de relaxation des couches et l'on fera une observation permanente en augmentant progressivement l'amplitude des déformations. On pourra également appliquer des impulsions de tension à fréquence convenable. Un second étalonnage pourra être effectué en déterminant l'apparition du phénomène de mémorisation, consécutive à la dislocation des couches. Pour cela, on appliquera des impulsions de courant d'amplitude croissante, avec une période de récurrence suffisamment élevée pour permettre de déterminer l'apparition du phénomène. La plupart des cristaux liquides smectiques sont utilisables pour mettre en oeuvre l'invention. Toutefois, on utilisera avantageusement un cristal liquide qui est smectique à température ambiante. Cependant, dans la mesure où le travail à une température différente ne constitue pas un inconvénient, on peut utiliser d'autres matériaux, tels que par exemple le p-cyanobenzilidène-p-octyloxy-aniline, qui présente des propriétés smectiques A entre 730C et 84"C. On pourra également utiliser le butoxy-benzilidène-p-n-anilino-acétophénone ou BBAA à une température de l'ordre de 890C, qui permet l'emploi d'un laser hélium-néon fournissant une longueur d'onde de 6328 A. Pour le CBOOA, la longueur de pénétration A est de l'ordre de 22 A et, en conséquence, le seuil de dilatation ss est de l'ordre de 100 A. Pour une couche de CBOOA de 100 microns d'épaisseur, la déform & ion 8 à partir de laquelle apparaît le phénomène de dislocation et de mémorisation est de l'ordre de 1000 A. REVENDICATIONS 1. Procédé de detection et de mesure de déplacements d'amplitude faible mais dépassant 100 A d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'on dispose1 en contact avec ladite surface, un film de cristaux liquides smectiques d'épaisseur supérieure à 1 micron et en ce qu'on observe optiquement la couche. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose le film,d'épaisseur comprise entre 100 microns et quelques milliers de microns, entre deux plaques et en ce qu'on applique le déplacement aux plaques dans le sens de l'écartement de celles-ci. 3. Dispositif de mesure de déplacement non permanent, caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques présentant des faces en regard parallèles qui délimitent un espace d'au moins 1 micron d'épaisseur, occupé par un film de cristaux liquides smectiques, le déplacement étant appliqué dans le sens de l'écartement des plaques parallèles et une au moins des plaques ayant une zone transparente, et un dispositif optique d'observation des diffractions d'un pinceau de lumière transmis à travers la zone transparente de la plaque et la couche. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'observation des diffractions d'un pinceau parallèle de lumière monochromatique dirigé sur la couche suivant l'angle de Bragg. 5. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérise en ce que les cristaux liquides sont du type smectique A. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la couche présente une épaisseur conprise entre 100 microns et quelques milliers de microns. 7. Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6 à la détection d'un déplacement dépassant une valeur limite correspondant au fractionnement des ondulations.