Brevet FR2470447A1 — publié le 19810529

ê47 La présente invention qui résulte de la colla- boration de Monsieur Claude PASCAL du Commissariat à l'Energie Atomique et de Messieurs Roland CANET, Pierre DELHAES et Adolphe PACAULT du Centre de Recherche Paul PASCAL (CNRS), a pour objet une jauge piézorésistive et son procédé de fabrication. De façon plus précise, elle se rapporte à des jauges piézorésistives carbonées utilisables pour la mesu- re de pressions, et en particulier pour la mesure de pressions de l'ordre de 500 bars, engendrées par des ondes de chocs. On connait des jauges piézorésistives comportant un élément de carbone piézorésistif maintenu entre deux conducteurs de cuivre. Cependant, de telles jauges ont l'inconvénient de ne pas présenter une sensibilité suffi- sante pour la mesure de pressions de l'ordre de 500 bars. La présente invention a précisément pour objet des jauges piézorésistives qui ne présentent pas l'incon- vénient précité. La jauge piézorésistive selon l'invention com- prend un élément piézorésistif intercalé entre deux élec- trodes et elle se caractérise en ce que ledit élément piézorésistif est constitué par des particules conductri- ces piézorésistives noyées dans une matrice isolante. Avantageusement, les particules piézorésistives sont des particules de carbone ou de graphite. On peut également utiliser des particules piézorésistives métal- liques, par exemple des particules d'aluminium ou de titane. Selon l'invention, la matrice isolante est de préférence en matière plastique, par exemple en résine époxyde ou en résine polyimide. Avantageusement, les électrodes sont en cuivre, et l'ensemble constitué par les deux électrodes et l'élé- ment piézorésistif est disposé sur un support isolant et recouvert d'une feuille isolante, le support et la feuille étant réalisés en matière plastique, par exem- ple en résine polyimide. La jauge piézorésistive telle que caractéri- sée ci-dessus tire avantageusement profit du fait qu'en utilisant comme élément piézorésistif un matériau com- posite hétérogène dans lequel eont mélangés un matériau conducteur de l'électricité présentent des propriétés piézorésistives, constitué par exemple par des particu- les de graphite, et une matrice électriquement isolante, réalisée par exemple en matière plastique, on obtient une jauge piézorésistive dont la résistivité électrique est fonction de la pression et qui présente une grande sensibilité et un très bon coefficient de piézorésisti- vité. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une jauge piézorésistive. Ce procédé consiste: a) à préparer un support isolant en matière plastique comportant sur sa surface deux conducteurs métalliques disposés à un écartement donné, et b) à former entre lesdits conducteurs un élément piézo- résistif constitué par des particules conductrices piézorésistives noyées dans une matrice isolante. De préférence, selon le procédé de l'invention, on recouvre ensuite d'une feuille isolante en matière plastique l'ensemble constitué par le support isolant comportant sur sa surface les deux conducteurs entre les- quels est intercalé ledit élément piézorésistif. Selon l'invention, l'élément piézorésistif peut être formé par dispersion de carbone pulvérulent dans une résine, par dispersion d'un polymère carbonisé dans un autre polymère, ou encore en créant in situ sur un polymère des points carbonés, par exemple par application sur une matrice de résine d'un peigne à pointes chauffées ou par irradiation laser de la matrice de résine. De préférence, selon l'invention, on forme ledit élément piézorésistif en déposant entre lesdits conducteurs une dispersion aqueuse de graphite collol- dal, en séchant ladite dispersion, en déposant égale- ment entre lesdits conducteurs une résine polymérisable et en polymérisant ladite résine déposée. Le procédé tel que caractérisé ci-dessus tire avantageusement profit du fait qu'en utilisant un milieu hétérogène tel qu'une dispersion aqueuse de graphite col- loidal (ou uAquadagf, sorte de gel thixotropique), on obtient une jonction piézorésistive présentant une plus grande sensibilité et un meilleur coefficient de piézo- résistivité. Pour obtenir après séchage un dépôt de graphite présentant des qualités satisfaisantes, on utilise de préférence une dispersion dont les grains de graphite ont une granulométrie moyenne inférieure à 1 IL. Par ailleurs, on ajuste la fluidité de la dis- persion aqueuse de graphite colloïdal à une valeur ap- propriée. Lorsque la dispersion est constituée par de l'Aquadag, de bons résultats sont obtenus avec des con- centrations en graphite de 200 à 800 g/1, et de préfé- rence d'environ 400 g/l de dispersion. Selon l'invention, on dépose également entre lesdits conducteurs une résine polymérisable et on po- lymérise ladite résine déposée. L'adjonction entre les conducteurs métalliques d'une résine polymérisable présente l'avantage de permettre d'ajuster à une valeur appropriée le coefficient de compressibilité de la jonction piézorésistive et d'obtenir ainsi: un élément sensible qui ne présente pas une hystéré- sis importante et permet de ce fait une restitution satisfai- sante des profils de détente. Pour obtenir ce résultat, la résine utilisée doit être mélangée intimement au graphite et la concentra- tion volumique en graphite de la jonction doit être suffi- sante par exemple supérieure à 60 % pour que la jauge obtenue présente une résistance électrique appropriée. De préférence, selon l'invention, on ajoute la résine polymérisable, après avoir séché la dispersion aqueuse de graphite colloidal en faisant diffuser cette résine entre les grains de graphite obtenus par séchage de la dispersion. Dans ce cas, on dépose avantageusement la résine polymérisable en imprégnant les grains de graphite d'une solution constituée par la résine polymérisable diluée dans un alcool tel que le méthanol. S15 Avantageusement, la résine polymérisable est une résine époxyde mélangée à un durcisseur, par exemple une résine époxyde mélangée à un durcisseur de la famil- le des polyamines, la proportion de durcisseur étant avan- tageusement de 20% en poids par rapport au poids de résine. Ainsi, la résine en solution diffuse lentement entre les grains de graphite puis elle se polymérise entre ces grains, ce qui permet d'obtenir une jonction piézo- résistive constituée par un mélange homogène de graphite et de résine polymérisée, qui présente un coefficient de compressibilité satisfaisant. Pour assurer une diffusion satisfaisante de la résine, il est nécessaire que la solution d'imprégnation présente une fluidité convenable. Lorsque la résine est de l'Araldite dilué dans du méthanol, la solution d'imprégnation contient avanta- geusement de 0,5 à 5 g de résine époxyde "Araldite" pour 2 à 8 ml de méthanol. Par ailleurs, la quantité de solution utilisée pour l'imprégnation doit être contrôlée pour que la jonction piézorésistive obtenue ait une concentration suffisante en résine polymérisée et présente un coefficient de compressi- bilité satisfaisant'. Selon l'invention, on utilise une quantité de solution d'imprégnation telle que le rapport Ro / Raq dans lequel R0 représente la résistance électrique du dépôt de graphite et de résine polymérisée et Raq représen- te la résistance du dépôt de graphite avant l'addition de résine, soit supérieur à 5. De même, la quantité de résine ajoutée doit être contrôlée pour que la résistance électrique de la jauge obtenue soit suffisante. Généralement, une résistance de l'ordre de 50 ohms est requise. Pour obtenir une résistance de cet ordre, on contrôle, selon le procédé de l'invention, la résistance du dépôt de graphite en ajustant l'épaisseur du dépôt de graphite colloïdal de façon à obtenir une résistance Raq de 6 à 10 ohms et on règle la quantité de solution d impré- gnation utilisée à une valeur telle que, avant polymérisation de la résine, la résistance électrique Rar du dépôt de graphite imprégné de résine soit de 80 à 90 ohms. Dans ces conditions, on obtient un élément piézorésistif présentant une sensibilité importante et un comportement élastique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif, se référant au dessin annexé sur lequel: - la fig. 1 est une vue en perspective d'une jauge piézo- résistive, selon l'invention, - la fig. 2 est un diagramme illustrant les variations de la résistance électrique (en ohms) de jauges piézoré- sistives obtenues par le procédé de l'invention, en fonc- tion de la force exercée (en tonnes) pour 5 cycles de compression successifs, - la fig. 3 représente schématiquement le dispositif utilisé pour tester les propriétés desjauges piézorésisti- ves de l'invention, et 24 0447 - les fig. 4a, 4b, 4c, sont des courbes illustrant la variation de potentiel (en volts} en fonction du temps (en lis) obtenus lors d'essais de pressions sous ondes de choc effectués sur une jauge obtenue par le procédé de l'invention. Exemple 1. Cet exemple se rapporte à la fabrication d'une jauge piézorésistive comportant. une jonction piézorésistive obtenue à partir d'une dispersion aqueuse de graphite colloidal. Dans cet exemple, on utilise un support isolant ayant une épaisseur de 0, 1 mm, réalisé en une résine polyimide connue sous la marque Kapton. Comme on peut le voir sur la fig. 1, le support i est revêtu de deux conducteurs en cuivre 3, d'une largeur de 5 mm, disposes à 20 mm l'un de J'autre. Selon le procédé de l'invention, on dépose entre les deux conducteurs 3, dans la zone 5, une disper- sion aqueuse de graphite colloidal constituée par de l'Aquadag et on ajuste l'épaisseur du dépôt 5 d'Aquadag à la valeur voulue pour obtenir une résistance de 6 à ohms. Après séchage de la dispersion, pendant envi- ron 6 heures à la température ambiante, on recouvre par un collage au moyen d'une résine époxyde telle que l'Aral- dite, l'ensemble ainsi obtenu avec une feuille protectri- ce de Kapton en disposant l'ensemble recouvert de la feuille entre deux pièces méta]lliques chauffées à une température de 177 C. On précise que les dimensions de la jonction piézorésistive 5 sont de 20 mm/5mm. On contrôle ensuite les propriétés de la jauge ainsi obtenue en la soumettant à des essais de pression en régime statique et en régime dynamique. Pour les essais statiques, on soumet la jauge piézorésistive à une force exercée par une presse hydrau- lique et on-réalise cinq cycles de compression successifs. On détermine les variations de la résistance électrique de la jauge en fonction de la force exercée, pendant ces différents cycles de compression. Les résultats obtenus sont donnés sur la fig. 2 dont les courbes I, II, III, IV et V représentent respectivement les variations de la résistance électrique (en ohms) en fonction de la pression exercée (en tonnes) lors du ler., du 2ème, du 3ème, du 4ème et du 5ème cycle de compression. On note que la variation relative de résistance déterminée sur tout le domaine de pressions défini par la formule AR/RQ dans laquelle AR représente la variation de résistance et R0 la résistance initiale de la jauge, est de: - 0,80 pour le premier cycle, et - 0,66 +.0,01 pour les quatre cycles suivants. Par ailleurs, le coefficient K défini par 1 R -3 -1 K =- - Ap entre 0 et 10 kbar est égal à - &0 x 103 Kbar1 pour la première compression et -(65+1) x 10-3 Kbar-1 pour les cycles suivants. On remarque ainsi que le dépôt d'Aquadag présente un coefficient de piézorésistivité très important et que de plus lors de cycles de compression successifs, la jauge a un comportement reproductible à partir du 2ème cycle de compression. Les essais dynamiques de pression ou essais de chocs sont réalisés au moyen du dispositif représenté sur la fig. 3. Pour ces essais, la jauge piézorésistive 10 est placée sur une enclume 12 en aluminium, de 20 mm d'épaisseur, et sous une plaque 14 d'aluminium ayant une épaisseur de 4 mm. Le choc est engendré par une feuille d'explosif 16 disposée au-dessus de la plaque 14 et reliée à un détonateur 18. - On précise que la jauge est collée entre les plaques au moyen d'Araldite et que les fils de sortie 20 de la jauge 10 sont reliés à un pont de mesure relié à un oscilloscope, ce qui permet d'enregistrer par photogra- phie l'évolution de la tension aux bornes de la jauge en fonction du temps. Les résultats obtenus lors de cinq essais différents sont donnés dans le tableau ci-dessous. Tableau I :::Tension de crète :: Pression * Essai Pression (ar-aux bornes de la jauge m: engendrée (kbar): (volts) : 1: 5: 12: 2 10 13 : 3: 4: 6,3: 4 4 8 ::: 4 : 5:: 4: = _ = _ = _ = a_= _ = _ = _ = _ = _ = _ _ = _ = _ =, = _ - _ = _ - _ = _, _ = _ - _ = _ 5 t =e Au vu de ces résultats, on constate que la jauge obtenue par le procédé de l'invention présente une très bonne sensibilité. Exemple 2. Cet exemple se rapporte a la fabrication de jauges piêzorésistives dont l'élément piézorésistif est constitué par un mélange de graphite et de résine époxy. Dans cet exemple, on part également d'un support isolant réalisé en Kapton, ayant une longueur de à 60 mm, sur lequel sont disposés à 5 mm l'un de l'autre deux conducteurs en cuivre de 2,2 mm de large. On dépose au pinceau dans la zone 5 une couche de 3 mm de large d'Aquadag ayant une concentration en graphite mesurée par extrait sec de 408 g/l, et on ajuste l'épaisseur du dépôt pour qu'il présente après séchage, une résistance comprise entre 8 et 10 ohms. Cette résistance est mesurée en courant continu par un multimètre à affichage digital, ce qui permet de suivre la diminution de la résistance au cours du séchage de l'Aquadag et d'ajuster cette résistance à la valeur voulue. Après 6 heures de séchage à température ambian- te, on imprègne le dépôt de graphite obtenu au moyen d'une solution de résine époxy et d'un durcisseur dans du métha- nol. La résine époxyde est de lW"Araldite D" et elle est mélangée avec un durcisseur de la famille des polyamines de marque "HY 956", la solution renfermant pour 4 ml de méthanol, 1 g d'"Araldite Dl et 0,2 g de durcisseur "HY 956". On dépose goutte à goutte cette solution sur la zone 5 recouverte de graphite jusqu'à obtenir une résistance passant par une valeur maximale de 80-90 ohms en cours d'imprégnation. On laisse ensuite les jauges pendant 2 h à la température ambiante, puis on les conditionne pendant 12 h à 80 C dans une étuve sèche. Ensuite, on colle sur l'ensemble ainsi obtenu une feuille protectrice de Kapton en disposant l'ensemble recouvert de la feuille entre deux pièces métalliques chauffées à 1770C. On constate alors une diminution de la résistance d'une dizaine d'ohms, mais la résistance finale se stabilise vers 50 ohms après un repos de 24 h environ. On a regroupé dans le tableau 2 ci-dessous les résultats obtenus en ce qui concerne l'évolution de la résistance électrique au cours des différentes étapes du procédé, résistances qui varient en fonction de l'épais- seur du dépôt d'Aquadag et de la quantité de solution d'imprégnation ajoutée. Tableau 2 ::: Résistance :: Raq obtenue: maximale du Résistance rauge n : après séchage: Rsistance n: de 1' adag * dépôt de après colla- aUge de 1 vAquadag:.t:finale (0) d graphite hit- ge à chaud ("): :(0): prégné () 'R 1 9,2: 9 40:49,4 : 2 7,1 89 38:51,4 3 9,8 60 29:37,3 4: 8,6: 80: 43:56,8 : 5: 7,6 80 36 : 6: 10,6 82: 41:49,8 7 8,6: 82 43 5],4 : 8: 7,6: 80 38:48,7 : 9 l';, 82 37 49,8 : 10 9,4: 86: 39: 50,2 Au vu de ce tableau, on constate qu'on peut ajuster la valeur de la résistance finale de la jauge à environ 50 ohmn en ajustant l'épaisseur du dépôt d'Aquadag pour qu'il présente après séchage une résistance de 6 à 10 ohms et en ajustant ensuite la quantité de solution d'imprégnation utilisée pour que le dépôt de graphite imprégné présente avant polymérisation de la résine une résistance de 80 à 90 ohms. On contrôle les propriétés des jauges ainsi obtenues en les soumettant L des essais de choc en utilisant le dispositif représenté sur la fig. 3. Les résultats obtenus sont donnés sur les fig. 4A, 4B et 4C qui représentent l'évolution de la tension (en volts) aux bornes de la jauge en fonction du temps (en microsecondes) pour 3 essais réalisés respectivement à une pression maximum de 11,3 Kbârs (fig.4A) 17,3 Kbars (fig. 4B) 18 Kbars (fig. 4C). Les profils de pressions obtenus sont bons. Par ailleurs, on note que ces jauges présentent une grande sensibilité et un très bon coefficient de piézo- résistivité. - RPVENDICATIONS 1. Jauge piézorésistive comprenant un élément piézorésistif intercalé entre deux électrodes, caracté- risé en ce que ledit élément piézorésistif est constitué par des particules conductrices piézorésistives noyées dans une matrice isolante. 2. Jauge piézorxésistive selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules piézorésistives sont des particules de carbone ou de graphite. 3. Jauge selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que la matrice isolante est en matière plastique. 4. Jauge selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que la matière plastique est une résine époxyde. 5. Jauge selon la revendication 3, caractérisée en ce que la matière plastique est une résine polyimide. 6. Jauge selon l'une quelconque-des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que les électrodes sont en cuivre. 7. Jauge piézorésistive selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'en- semble constitué par les deux électrodes et l'élément piézorésistif est disposé sur un support isolant en ma- tière plastique et recouvert d'une feuille isolante en matière plastique. 8. Jauge selon la revendication 7, caractérisée en ce que le support isolant et la feuille isolante sont en résine polyimide. 9. Procédé de fabrication d'une jauge piézo- résistive, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à préparer un support isolant en matière plastique comportant sur sa surface deux conducteurs métalli- ques disposés à un écartement donné, et b) à former entre lesdits conducteurs un élément piézo- résistif constitué par des particules conductrices piézorésistives noyées dans une matrice isolante. 10. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce que l'on recouvre d'une feuille isolante en matière plastique l'ensemble constitué par le support isolant comportant sur sa surface les deux conducteurs entre lesquels est intercalé ledit élément piézorésistif. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 9 et 10, caractérisé en ce que les particules piézorésistives sont des particules de carbone ou de graphite. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 9 à 11, caractérisé en ce que la matrice isolante est en matière plastique. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la matière plastique est une résine époxyde ou une résine polyimide. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 9 et 10, caractérisé en ce que l'on forme ledit élément piézorésistif en déposant entre lesdits conduc- teurs une dispersion aqueuse de graphite colloïdal, en séchant ladite dispersion, en déposant également entre lesdits conducteurs une résine polymérisable et en poly- mérisant ladite résine déposée. 15. Procédé selon la revendication 14, caracté- risé en ce que l'on dépose ladite résine, après avoir séché la dispersion aqueuse de graphite colloïdal, en faisant diffuser ladite résine entre les grains de gra- phite obtenus par séchage de ladite dispersion. 16. Procédé selon la revendication 15, caracté- risé en ce que l'on dépose ladite résine en imprégnant les grains de graphite obtenus par séchage de ladite dis- persion, au moyen d'une solution constituée par ladite résine polymérisable diluée dans un alcool. 17. Procédé selon la revendication 16, caracté- risé en ce que l'alcool est le méthanol. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 14 à 17, caractérisé en ce que ladite résine poly- mérisable est une résine époxyde mélangée à un durcisseur de la famille des polyamines. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 16 à 18, caractérisé en ce que la quantité de solution utilisée pour l'imprégnation est telle que le rapport RO/Raq dans lequel R0 représente la résistance électrique du dépôt de graphite et de résine polymérisée et Raq représente la résistance du dépôt de graphite, avant l'addition de résine, soit supérieur à 5. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 16 à 18, caractérisé en ce que l'on ajuste l'épais- seur du dépôt de graphite colloidal de façon telle qu'après séchage le dépôt de graphite présente une résistance R Raq comprise entre 6 et 10 ohms et en ce que l'on règle la quantité de solution utilisée pour l'imprégnation à une valeur telle qu'avant polymérisation de la résine le dép8t de graphite imprégné présente une résistance électrique de 80 à 90 ohms. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 14 à 20, caractérisé en ce que les grains de gra- phite de la dispersion aqueuse de graphite colloïdal ont une granulométrie moyenne inférieure à 1 iL. 22. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 14 à 21, caractérisé en ce que la dispersion aqueu- se de graphite colloidal contient 200 à 800 g/l de graphite. 23. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 16 à 22, caractérisé en ce que la solution utili- sée pour l'imprégnation comprend de 0,5 à 5 g de résine époxyde pour 2 à 8 ml de méthanol.