Brevet FR2494437A1 — publié le 19820521

La présente invention a trait à un dispositif de mesure comportant une jauge de contrainte. Plus précisément elle a pour objet un dispo- sitif permettant des mesures aussi précises que les meilleurs dispositifs de l'art antérieur, mais en étant beaucoup moins coûteux que ceux-ci. Cette invention trouve de nombreuses applications dans le domaine de la métrologie et notamment du pesage électronique. Parmi les méthodes actuellement utilisées pour réaliser des jauges de contrainte, la plus connue consiste à utiliser un film mince de polyimide sur le- quel on colle une feuille très mince (environ 5 im) d'un matériau résistif, à base de nickel, de chrome et de cuivre par exemple. La couche résistive est ensuite gravée en fines bandes pour obtenir une résistance de valeur et de forme appropriées, puis la jauge est col- lée directement sur le corps d'épreuve. Si de telles jauges permettent des mesures très précises (jusqu'à 10-4 de l'étendue de mesure) leur fabrication est très délicate. En effet, la mani- pulation et le collage de feuilles très minces n'est pas chose aisée et la fabrication même de feuilles de Um d'épaisseur est encore plus difficile. On comprend que le prix de revient de telles jauges soit très élevé et leur emploi dans des capteurs réalisés en grande série est difficilement envisageable. Une autre méthode consiste à réaliser la jauge directement sur le corps d'épreuve par dépôt sous vide d'abord d'une couche isolante, puis d'une couche résistive. L'utilisation d'un isolant minéral de très faible épaisseur permet une bonne stabilité du capteur et de bonnes qualités métrologiques mais cette méthode présente elle aussi des inconvénients. La surface du corps d'épreuve sur laquelle est effectué le dépôt doit subir un polissage très soigné afin d'éviter les trous dans l'isolant. D'autre part, le débit des machines utilisées s'exprimant en unités de surface par unité de temps, le prix des capteurs est proportionnel à la sur- face du corps d'épreuve sur laquelle ils sont placés et celle-ci est parfois assez grande pour des raisons de résistance mécanique. Enfin, en raison de la sensibili- té des corps d'épreuve, tant aux produits chimiques qu'aux traitements thermiques, les procédés de fabrica- tion peuvent être très compliqués, ce qui augmente con- sidérablement leur coût. - Enfin une troisième méthode utilise comme corps d'épreuve une plaque de silicium monocristallin dans laquelle on réalise les résistances par diffusion d'un dopant comme dans les circuits intégrés. Si cette méthode permet la production en grande série, la sensi- bilité du silicium aux changements de température ne permet pas d'obtenir actuellement des précis-ions meil- leures que 10-2 de l'étendue de mesure. La présente invention a justement pour objet un dispositif qui remédie à ces inconvénients grâce à une jauge perfectionnée qui permet à la fois des mesu- res précises et une fabrication du dispositif en grande série et à faible coût. Selon la principale caractéristique du dis- positif objet de l'invention, celui-ci, du genre de ceux qui comprennent un corps d'épreuve pouvant se dé- former sous l'action de la grandeur à mesurer, est ca- ractérisé en ce que ledit corps d'épreuve comporte au moins une face sollicitée en compression sur laquelle est fixée au moins une jauge de contrainte, celle-ci comprenant une couche sensible aux déformations fixée sur un support en verre mince, dit pelliculaireu, l'épaisseur de ce dernier étant comprise entre 60 et 400 gm environ et de préférence voisine de 150 um. Les propriétés élastiques des lames de verre minces sont connues et l'idée de les utiliser comme corps d'épreuve, notamment pour les mesures de pres- sion, n'est pas nouvelle. Cependant, on est limité aux cas o les déformations de celui-ci ne sont pas trop grandes car, lorsque le corps d'épreuve se déforme, une partie de celui-ci est sollicitée en traction et la limite à la rupture du verre est environ 8 fois plus faible en traction qu'en compression. Dans la présente invention, au contraire, la lame de verre mince ne sert que de support à la jauge et se trouve collée sur une face du corps d'épreuve qui est sollicitée en compres- sion: c'est l'ensemble de la lame de verre mince qui se trouve sollicité en compression et on peut mesurer des contraintes avec une sensibilité huit fois plus im- portante. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée-à titre purement illustratif et nullement limitatif en référence au des- sin annexé qui représente une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'inven- tion. -Sur la figure, on voit un corps d'épreuve 1, qui peut être par exemple une lame d'acier, dont une extrémité 2 est encastrée dans une paroi 3 tandis que l'autre extrémité 4 est libre. Sous l'action de la grandeur à mesurer (force par exemple), le corps 1 se déforme, l'une de ses faces 5 étant sollicitée en trac- tion tandis que l'autre face 6 est sollicitée en com- pression. Sur la face 6 se trouve une jauge de con- trainte 7 qui comprend une couche mince 8 sensible aux déformations: dans le cas présent, il s'agit d'une couche résistive déposée sur une lame de verre mince 9; la jauge 7 est collée sur le corps d'épreuve par l'intermédiaire d'une couche de scellement 10. Un jeu de fils de liaison 11 relie la jauge à un amplificateur (non représenté). La jauge peut être réalisée par n'importe quel moyen connu notamment par dépôt sous videpar pul- vérisation ou évaporationd'un matériau résistif sur la lame de verre mince. De très nombreux matériaux résistifs peuvent être utilisés, notamment des métaux ou alliages métal- liques, par exemple à base de nickel-chrome, chrome- oxyde de silicium, platine, tantale etc... et la tech- nique de dépôt sous vide permet de ne déposer qu'une couche très mince (environ 100 nm): on réalise ainsi une économie appréciable de métal et la résistance de la jauge est d'autant mieux définielors de la gravure des motifs, que la couche est plus mince. L'épaisseur de la lame de verre doit être suffisamment faible pour ne pas gêner la déformation du corps d'épreuve, mais pas trop cependant pour que l'on puisse manipuler la jauge sans-trop de difficultés. Un bon compromis a été obtenu avec-des verres d'épaisseur comprise entre 60 et 400 1im et de préférence voisine de un. Quant au collage du support en verre mince de la jauge sur le corps d'épreuve, il peut se faire par tout moyen connu: collage avec des colles rapides au méthyl-2-cyanoacrylate ou des époxydes à 2 composants, par utilisation d'un verre de scellement sérigraphiable ou par soudure. On peut aussi envisager la fixation à l'aide d'une couche de soudage fixée sur la face du support en verre mince opposée à la couche sensible et soudée au corps d'épreuve. Le dispositif objet de l'invention présente de nombreux avantages et d'abord un prix de revient extrêmement bas. Celui-ci s'explique par le fait qu'une 249443' lame de verre mince constitue un substrat très économi- que (environ 0,01F par capteur), permettant une produc- tion automatisée en grande série par traitement collec- tif, et par le fait que le matériau résistif déposé en couche très mince par des techniques rapides et bien reproductibles, conduit à une faible consommation de métal. Le choix des matériaux résistifs est très vaste et la technique de dépôt sous vide permet une excellen- te liaison entre ce matériau et le verre. De plus, le support de la jauge est suffisamment rigide, ce qui facilite sa manipulation en vue du collage. Enfin, le procédé de fabrication du disposi- tif est indépendant du corps d'épreuve utilisé. Quant aux performances métrologiques d'un tel capteur, elles sont comparables à celles obtenues avec les meilleurs jauges classiques à trame pellicu- laire: précision de l'ordre de 103 a d l'éten- due de mesure et signal de mesure d'amplitude compara- ble. Ce dernier point est très important car le signal des jauges classiques, déjà très faible, est responsable pour l'essentiel du prix des amplificateurs associés. Diminuer encore la sensibilité conduirait à des prix d'électronique incompatibles avec la plupart des applications. Il va de soi que l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit et qu'on peut imaginer des variantes sans sortir pour au- tant du cadre de l'invention. Par exemple on peut envi- sager de placer plusieurs jauges sur un même support ou utiliser plusieurs corps d'épreuve comportant chacun une ou plusieurs jauges. En ce qui concerne la nature des couches sen- sibles, on peut envisager d'autres couches résistives telles que les couches très fines d'or (épaisseur infé- rieure à 5 ns) ou de bismuth, connues pour leur très grande sensibilité, mais aussi pour leur très grande instabilité. On peut aussi envisager des couches autres que résistives, par exemple des couches semiconductri- ces ou autres dans lesquelles on réaliserait des compo- sants actifs du type transistor; ou des couches dié- lectriques à partir desquelles on constituerait des condensateurs; ou des couches en matériau magnéto - strbtif à perméabilité fonction de la contrainte. L'intérêt de l'utilisation d'un support de verre, selon l'invention, réside dans sa bonne compati- bilité avec les techniques de fabrication de ces dispo- sitifs. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'une grandeur varia- ble, du genre de ceux qui comprennent un corps d'épreu- ve (1) pouvant se déformer sous l'action de la grandeur à mesurer caractérisé en ce que ledit corps d'épreuve comporte au moins une face sollicitée en compression (6) sur laquelle est fixée au moins une jauge de con- trainte (7), celle-ci comprenant une couche sensible aux déformations (8) fixée sur un support en verre min- ce dit "pelliculaire" (9), l'épaisseur de ce dernier étant comprise entre 60 et 400 tnm environ et de préfé- rence voisine de 150 Um. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ladite couche sensible aux déforma- tions est une couche résistive. 3. Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la couche résistive (8) de la jauge de contrainte (7) est en métal ou alliage métallique et en ce que son épaisseur est comprise entre 50 et 500 nm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche sensible est déposée sous vide par pulvérisation ou évaporation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit support en verre mince est fixé au corps d'épreuve par collage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une couche de soudage est fixée sur la face du support en verre mince opposée à la couche sensible et en ce que cette couche de soudage est soudée au corps d'épreuve.