Brevet FR2497345A1 — publié le 19820702

SONDE DE PRESSION A ELEMENTS PIEZOELECTRIQUES MULTIPLES L'invention se rapporte à des dispositifs transducteurs utilisant des films polymères susceptibles de présenter des phénomènes de piézoélectricité par application d'un champ de polarisation. L'invention s'applique notamment aux sondes et capteurs de pression utilisant de tels éléments transducteurs. Dans l'art antérieur, il est connu de réaliser des capteurs de pression qui contiennent des transducteurs piézoélectriques. Ces dispositifs délivrent des signaux électriques représentatifs des pressions qu'ils subissent. Le besoin en capteurs de pression minces et peu fragiles se manifeste chaque fois que l'insertion de ces capteurs dans le système à mesurer ne doit pas y perturber la répartition des forces. La perturbation créée par l'insertion d'un capteur est d'autant plus faible que les dimensions du capteur sont plus petites.La miniaturisation des capteurs s'accompagne inévitablement d'une fragilisation et d'une augmentation de prix ; c'est le cas en effet pour les sondes piézoélectriques utilisant soit des céramiques (titanozirconate de plomb: PZT), soit des monocristaux (Quartz, Niobate de Lithium: LiNbO3), et pour les sondes piézorésistantes au manganin. La plus petite de ces sonde ne peut pas être en pratique inférieure au millimètre. De plus, la perturbation apportée par l'insertion du capteur est d'autant plus faible que l'impédance acoustique du milieu actif constituant la sonde est plus voisine de celle des milieux entre lesquels la sonde est insérée.Lorsqu'il s'agit, par exemple, d'effectuer des mesures de répartition de pression dans les pièces de polymères, les sondes piézoélectriques et piézorésistantes connues sont mal adaptées du fait que les impédances acoustiques des minéraux qui les constituent sont quatre à dix fois supérieures à celles de polymères. Pour ces différentes raisons, il est connu de réaliser des dispositifs transdurteurs qui utilisent un film de polymère présentant des effets piézoélectriques induits par un champ de polarisation, dont les deux faces sont chacune recouvertes sur toute leur longueur d'une électrode. De tels dispositifs se prêtent difficilement à des mesures locales de pression car des signaux parasites des régions avoisinantes viennent influencer les signaux principaux issus de la région dont on veut connaître l'état des pressions. Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé de délimiter les seules régions intéressantes en créant sur le film des protubérances constituées par des petites masses de certains matériaux, comme du plomb, de manière que les pressions s'appliquent uniquement à ces régions. Les dispositifs ainsi obtenus sont d'une conception complexe et demendent une grande précision lors de leur fabrication. De plus, dans le cas de dispositifs multisondes, la fragilité est accrue, notamment aux points de contact entre les électrodes et les films piézoélectriques qui, lors de contraintes mécaniques intenses, peuvent se séparer. L'invention se propose de pallier ces difficultés en utilisant un film continu, mince et souple, de polymère pouvant présenter des effets piézoélectriques localisés à certaines zones du film grâce à une configuration particulière des électrodes ; cette configuration particulière n'entrainant aucune anisotropie sensible des propriétés mécaniques du film. Seules les zones qui sont encadrées par les électrodes présentent une polarisation et sont actives au sens de la captation des pressions. On arrive aisément et avec précision à obtenir une telle localisation de la polarisation rémanente après application de champs électriques par l'lntermédia're d'électrodes ayant une géométrie déterminÉe, et en faisant varier uniquement les coefficients piézoélectriques du film de polymère.D'autre part, on peut également disposer, autour d'un tel dispositif, de moyens de protection mécanique, qui assurent la rigidité mécanique nécessaire de l'ensemble, et des moyens de protection électrique qui soustraient le dispositif aux effets parasites des champs électriques extérieurs susceptibles d'interférer avec les signaux électriques engendrés par les variations de pression existantes ou les régions sensibles du dispositif. L'invention sera plus spécialement décrite dans le cas où elle concerne des capteurs de pression, mais elle s'applique à tous les transducteurs piézoélectriques minces et souples utilisant des polymères. L'invention a pour objet une sonde de pression comportant plusieurs éléments transducteurs piézoélectriques et un ensemble de connexions électriques destinées à transmettre les tensions électriques délivrées par lesdits éléments lorsqu'ils subissent des pressions locales, caractérisée 'en ce qu'elle comprend une feuille de matériau polymère susceptible d'acquérir par polarisation électrique transverse des propriétés piézoélectriques ; lesdites connexions électriques comportent un premier réseau de connexions disposé sur l'une des faces principales de ladite feuille et un second réseau de connexions disposé sur l'autre des faces principales de ladite feuille; lesdits réseaux ayant des zones de recouvrement matérialisant lesdits éléments transducteurs; les prolongements desdites zones servant de liaisons électriques avec des bornes situées à la périphérie de ladite feuille ; ledit matériau polymère étant polarisé sélectivement entre lesdites zones de recouvrement. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente un élément transducteur piézoélectrique - la figure 2 est un premier exemple de sonde selon l'invention ; - la figure 3 représente une première variante de réalisation d'une sonde selon l'invention; - la figure 4 représente en coupe une seconde variante de réalisation d'une sonde selon l'invention; - la figure 5 représente en coupe une variante de réalisation d'une sonde selon l'invention; - la figure 6 représente en coupe une quatrième variante de réalisation d'une sonde selon l'invention. La figure 1 représente un élément transducteur piézoélectrique. De part et d'autre d'un film polymère 1 qui peut être rendu piézoélectrique par application de champ électrique, à température supérieure ou égale à la température ambiante, sont déposées deux électrodes 2 et 3, qui ont une partie face à face 4. Cette partie peut être une surface circulaire, rectangulaire ou de forme quelconque et délimite la partie active de la sonde. Elle correspond à la région de l'espace où l'on désire connaître l'état des pression. Les parties des électrodes qui ne se recouvrent pas sont dites connexions de la sonde, car elles n'ont qu'une fonction de transmission des signaux électriques et ne participent pas directement aux effets piézoélectriques. Elles peuvent porter à leurs extrémités des parties élargies qui serviront à la prise des contacts. L'application d'une tension élevée entre les électrodes de la sonde ne crée un champ électrique intense que dans la partie active de la sonde, afin d'y induire localement une polarisation rémanente; tandis que dans les autres parties de la sonde, le champ électrique développé est insuffisant pour induire une polarisation rémanente. Seule la partie sensible présentera des effets piézoélectriques après l'application du champ électrique de polarisation, opération qui s'effectue généralement selon un palier de température supérieure à la température ambiante, pendant quelques minutes à quelques dizaines de minutes, suivi éventuellement d'une redescente à la température ambiante sous champ électrique appliqué. Il faut remarquer que la localisation de la zone sensible produite au stade de la polarisation intervient aussi lors de la captation des tensions induites par effet pézoélectriques. La délimitation des zones actives est donc précise puisque deux phénomènes limitateurs interviennent. La figure 2 représente une sonde de pression multiéléments selon l'invention. Dans le cas de la configuration particulière #d'une électrode inférieure continue 5 et de plusieurs électrodes 6, ayant plusieurs surfaces de recouvrement avec 5, les zones sensibles sont déterminées par ces surfaces. Un tel dispositif permet donc la mesure en différents points précis des variations de pression, sans que les pressions agissant entre ces points viennent perturber les résultats. L'homogénéité mécanique de l'ensemble est assurée par la continuité du film de polymère, qui peut résister assez bien aux différentes contraintes mécaniques et qui ne perturbe pas la répartition de pression qui existait avant introduction de la sonde. Une autre configuration intéressante des conducteurs est celle représentée figure 3 ou les électrodes supérieures (2) sont agencées suivant des lignes et les électrodes inférieures (3) suivant des colonnes. Les zones sensibles (4) se trouvent placées dans les régions de recouvrement d'une ligne et d'une colonne. La figure 4 montre que l'on peut partir d'un film polymère 8 dé section non rectangulaire. Par exemple, on peut utiliser un profil cannelé. Les parties d'électrodes 7 qui reposent dans les creux délimitent les zones actives où le champ électrique de polarisation a pu créer une polarisation permanente. Les parties d'électrodes 7 affectées à la fonction de connexion reposent sur des parties renflées du film polymère 8 qui ne présentent pas de polarisation rémanente. Un matériau de surmoulage 13 ayant les caractéristiques mécaniques du film 8 est appliqué de façon à obtenir une section rectangulaire comme l'illustre la coupe de la figure 4. Les dispositions des différents éléments sensibles ainsi que les caractéristiques du film piézoélectrique peuvent être très diverses, sans sortir du cadre de l'invention. Les conducteurs sont généralement obtenus par dépôts métalliques sous vide (Al, Cr-Au, Ni-Cr) de faible épaisseur (50 à 200 nom). Les dispositifs selon l'invention peuvent être munis d'une pretection métallique telle que représentée figure 5. Pour ce faire, on dépose sur les deux faces du polymère métallisé un second polymère 9, généralement à partir d'une solution. La condition requise pour ce polymère est que son solvant ne dissolve pas le polymère piézoélectrique. Ainsi, le matériau piézoélectrique 1 étant par exemple le fluorure de polyvinylidène (PVF2), le polymère de revêtement 9 peut être le chlorure de polyvinyle (PVC), dont le solvant est le cyclohexanone. Cette opération s'effectue généralement par trempage. De plus, afin d'éviter les perturbations dûes à des champs électrostatiques extérieurs, on dépose une couche métallique de blindage 10 généralement évaporée, sur le polymère de protection, de part et d'autre de la sonde.Ces couches métalliques 10 sont réunies électriquement. On enrobe, enfin la sonde blindée électrostatiquement avec une couche de polymère 11, que l'on peut obtenir par trempage dans une solution de polymère de revêtement 9 utilisé précédemment. On aboutit ainsi à un capteur de pression mécaniquement protégé, électriquement blindé, tout en étant souple et mince, ayant certaines régions bien précises de mesure, de réalisaton aisée et de prix de revient faible. Une variante mécaniquement renforcée d'un dispositif transducteur suivant l'invention est obtenue en remplaçant les métallisations déposées sous vide et constituant l'écran électrostatique par des feuilles métalliques minces 12, par exemple de l'aluminium, comme il est représenté figure 6. Ce revêtement de métal peut utiliser des feuilles collées, ou une feuille pliée de part et d'autre du film polymère. Une caractéristique extrêmement importante de cette variante est dûe à la rigidité accrue de la sonde dans son plan, ce qui fait que la sonde n'est plus sensible aux composantes de la force excitée dans son plan, alors que la sensibilité perpendiculairement à son plan inchangée. Les modes de réalisation selon l'invention ont été décrits dans le cadre particulier des sondes de capteurs de pression, mais ils s'appliquent aux dispositifs transducteurs de différentes natures. Entre autres, les transducteurs piézoélectriques selon l'invention s'appliquent au cas particulier de la chronométrie de chocs, où la précision des mesures est nettement améliorée par la faible épaisseur du film piézoélectrique perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde de choc, et à la localisation exacte des points d'impact. REVENDICATIONS 1. Sonde de pression comportant plusieurs éléments transducteurs piézoélectriques et un ensemble de connexions électriques (2, 3) destinées à transmettre les tensions électriques délivrées par lesdits éléments lorsqu'ils subissent des pressions locales, caractérisée en ce qu'elle comprend une feuille de matériau polymère (1) susceptible d'acquérir par polarisation électrique transverse des propriétés piézoélectriques; lesdites connexions électriques comportant un premier réseau de connexions (2) disposé sur l'une des faces principales de ladite feuille et un second réseau de connexions (3) disposé sur l'autre des faces principales de ladite feuille; lesdits réseaux ayant des zones de recouvrement (4) matérialisant lesdits éléments trans ducteurs ; les prolongements desdites zones servant de liaisons électriques avec des bornes situées à la périphérie de ladite feuille; ledit matériau polymère étant polarisé sélectivement entre lesdites zones de recouvrement. 2. Sonde de pression suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les portions homologues des prolongements appartenant auxdits réseaux présentent un écartement supérieur à l'épaisseur de ladite feuille; ladite feuille ayant une épaisseur uniforme. 3. Sonde de pression suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite feuille (8) a un profil cannelé ; lesdites zones de recouvrement étant logées dans les creux de ladite feuille et lesdits prolongements étant situés selon les renflements de ladite feuille; l'ensemble de ladite feuille et desdits réseaux étant enrobé par un matériau (13) ayant les propriétés mécaniques de ladite feuille. 4. Sonde de pression suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que des moyens de blindage électrique (10) sont agencés autour de l'ensemble feuille-réseaux. 5. Sonde de pression suivant l'une #quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les réseaux sont formés d'électrodes (2,3) ayant la configuraton d'un L. 6. Sonde de pression suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un des réseaux comprend un ensemble d'électrodes parallèles; l'autre résaux comprend un autre ensemble d'électrodes parallèles croisé par rapport au premier ensemble. 7. Sonde de pression suivant lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'il comprend des moyens de protection mécanique sous la forme d'un gainage extérieur (11). 8. Sonde de pression suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que des moyens raidisseurs assurent la transmission des pressions sans permettre à la sonde de réagir à des sollicitations contenues dans le plan de ladite feuille (12).