Brevet FR2496380A1 — publié le 19820618

DISPOSITIF PIEZORESISTIF A COMMANDE ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à un dispositif piézorésistif à commande électrique. Le domaine de la présente invention est celui des résistances électri- quement contrôlées. Les dispositifs les plus connus dans ce domaine sont les transistors, les tubes électroniques et les relais. Dans les deux premiers cas, l'espace géométrique de la résistance variable est plus ou moins peuplé de porteurs de charges électriques, dont le nombre est contrôlé électriquement dans l'espace de commande alors que dans le troisième, un contact électri- que est ouvert ou fermé par un dispositif électromécanique. Les deux premiers dispositifs permettent un contrôle analogique de la résistance variable, alors que le dernier ne permet qu'un contrôle quantifié en tout ou rien. Le dispositif de la présente invention se rattache aux relais par le fait que la résistance est contrôlée par un procédé électromécanique, et aux transistors et tubes par le fait que la résistance peut être changée d'une façon continue. Il offre l'avantage dans le cas d'une commande associée à un mouvement partiel du dispositif de pouvoir être utilisée directement dans un système d'affichage, puisque des mouvements peuvent être mis à profit pour moduler un faisceau lumineux par réflexion ou transmission variables. Il comporte, donc, une résistance variable sous l'effet d'une déforma- tion ou d'une contrainte mécanique, couplée mécaniquement à un dispositif électromécanique susceptible de lui appliquer une déformation telle que sa résistance dépende de la tension appliquée au dispositif électromécanique, des moyens permettant de compenser la dérive thermique. L'invention a donc pour objet un dispositif piézoélectrique à commande électrique comprenant au moins un élément piézorésistif en matériau diélectrique chargé de particules conductrices et présentant un point de percolation et une paire de bornes d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transducteur électromécanique relié à ces bornes d'entrées et agissant sur cet élément piézorésistif par l'intermédiaire d'un élément transmetteur en matériau diélectrique, des moyens destinés à compenser la dérive thermique dûe à cet élément piézorésistif coopérant pour fournir un signal de sortie fonction du signal de commande électrique. L'invention a également pour objet un dispositif bistable comprenant ce dispositif piézoélectrique à commande électrique et un dispositif d'affi- chage comprenant au moins un tel dispositif piézoélectrique à commande électrique. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement le dispositif selon l'inven- tion; - les figures 2 et 3 représentent deux figures explicatives; - la figure 4 représente des diagrammes explicatifs; - la figure 5 représente une réalisation partielle d'un dispositif selon l'invention; - les figures 6 et 7 représentent une réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 8 et 9 représentent des applications du dispositif selon l'invention; - les figures 10 et 14 représentent des variantes de réalisation du dispositif selon l'invention La figure 1 représente schématiquement le dispositif suivant l'inven- tion. Le dispositif proposé comporte un piézorésistance 1 couplée mécani- quement à un transducteur électromécanique 2 qui peut être, par exemple un matériau à conversion électromécanique, préférentiellement du type polymère piézoélectrique. La piézorésistance sera de même préférentiel- lement du type polymère- chargé en particule conductrices (carbone ou métal). Un élément 3 sert à compenser au niveau des bornes de sortie 6 la dérive thermique dûe au piézorésistif. Les bornes de sortie 6 sont à considérer comme pouvant représenter une source de signal électrique mais aussi une source de signal optique, auquel cas il s'agit plus précisément d'un organe modulateur. La figure 1 représente, donc, un quadripole dont les bornes d'entrées 4 sont celles du transducteur électromécanique, et les bornes de sortie 6 celles d'un circuit 100 incorporant l'élément piézorésistif. Les bornes 5 sont des bornes d'alimentation de l'élément piézorésistif. Ce peut être, par exemple, une tension continue ou alternative. Dans le cas d'une tension alternative on peut ainsi créer une modulation du signal de sortie. Dans un premier temps on peut, alors, considérer le couplage élément piézorésistif-transducteur électromécanique. Ce transducteur électromécanique est réalisé, à titre d'exemple non limitatif, par un élément en matériau piézoélectrique. En se rapportant à la figure 2, o 120 est un socle de base, si l'on considère un polymère piézoélectrique 114, soient: x1 sa déformation relative e1 son épaisseur (101) d son coefficient piézoélectrique S1 sa surface (102) s sa souplesse mécanique E1 et X1 respectivement le champ électrique (103) et la contrainte mécanique appliqués. On a alors: Ae tel xl =dE1+s1 X1 e1 (1) Pour le piezorésistant 115, soient: Ap p, la variation relative de résistivité et x2 sa déformation relative, on a alors: - pP= K x2 (2) x (2) S2 sa souplesse e2 son épaisseur (107) X la contrainte mécanique appliquée S2 sa surface (108) Ae2 x2 = S2 X2 e. (3) e2 En vue d'adapter l'impédance mécanique du piezoélectrique à celle du piezorésistant, on peut utiliser un transformateur mécanique 113 (levier par exemple), qui convertit le déplacement A e1 du piezoélectrique 114 en déplacement Ae2 du piezorésistant 115 tel que: Ae2= n Ael (4) L'équilibre des forces F1 et F2 s'écrit: F1 + n F2 =0 (5) n est le rapport des longueurs des bras de levier: n =, avec en 104 et2 en105oF1 =S 1X1 et F2=S2x2 X1 (6) Les six équations précédentes se ramènent à un système de trois équations, permettant de calculer.p en fonction de E1: P n els1X1 e2s2X2 =-ne1dE1 Ks X - p =0 I s2 X2 - S1 X1 + n 52 X2 = soit: eP =KdE1 n Ap =KdE 1. +n2 î e2 n2 e L'adaptation mécanique est obtenue pour la valeur de n correspondant au maximum de la fonction -- = f(n) soit, en annulant sa dérivée: n2 e2 s2 51 n e s S d'o la valeur de AP à l'adaptation mécanique p Ap - K dE s) 1/2 P 2 e 2 En effet piezoélectrique longitudinal, le champ E1 (103) est appliqué selon l'épaisseur e1 (101), soit V1 = e1 E1. La tension V1 (106) est appliquée aux bornes des électrodes 116 et 117 déposées sur deux faces du piézo- électrique Kd - 1 1/2 Ap K d 1 -P 2 1 Ve e2 s1 S2 En effet piezoélectrique transverse, comme représenté sur la figure 3, le champ E1 (109) est appliqué selon l'une des dimensions ú1 (110), ú'1 (111); hI par exemple, telle que: Si = QI Q'1 et V1= 91 E1 La tension V1 (112) est appliquée aux bornes des électrodes 118 et 119 déposées sur deux faces du piézoélectrique d'5 A K dt el s2 V' 12 d'o Ap = _ t V 61) 1/2 7 = 2 Vl t1 e2 SS52] La piézorésistivité dans les polymères s'obtient en les chargeant en particules conductrices telles que des particules de carbone ou de métal de très faibles dimensions (centaines d'angstroems). La résistivité est alors fonction de la concentration en particules conductrices, et en particulier, varie très rapidement au voisinage d'une concentration critique qui constitue le seuil de percolation. La figure 4 représente, d'une part, un diagramme p = f(c) qui est un réseau de courbes donnant l'allure des variations de résistivité p d'un polymère, en fonction de la concentration c en noir de carbone CORAX L pour diverses valeurs de la contrainte en unités de contrainte. La figure 4 représente, d'autre part, pour une concentration co donnée en noir de carbone CORAX L la variation de la résistivité en fonction de la contrainte p = f(x). Dans le cas du polypropylène (PP), le seuil de percolation varie avec les conditions de préparation (de 3 % à 13 % en Corax L), mais on peut estimer la pente de variation relative.P au voisinage du seuil à: p Kc Tc- seuil K t T)1 Ap ---1010bà- 1014 En première approximation, ce coefficient est proportionnel au coef- ficient piezorésistif K utilisé, puisqu'à une variation relative de dimension Ae A e correspond une variation égale de volume Iv; les variations géomé- triques de ce polymère étant bloquées dans les autres directions. Le nombre de particules conductrices étant constant, la variation relative de volume est proportionnelle à la variation de concentration Ac: Ae _ Av e v V 6 c (Vc étant le volume propre des particules de carbone) e=v = c v = A c e Ae=--, = - v v e puisque p =K Ae 0 e Ap et que p Kc Ac *-W=K c ===> K = - c Kc d'o, avec c 0,1 on obtient 109 configuration longitudinale, dans laquelle le film de polymère piézoélec- trique 2 (PVF2) est serrée contre le film piézorésistif 1 (PP-Corax) par un étrier ou par enrobage dans un matériau rigide 7, comme représenté à la figure 5. De même sont représentées les électrodes 8 et un film isolant 9. Si l'on considère S1= 52, Si S2 et e = e2 = 10 lJm on a, alors, le rapport n égal à 1 Ap K î1I AP K f / 1/2 ona p =-- dE V1 eIe2- pour PVF2 on a un coefficient piezoélectrique d = d33 = 15.1012 CN-1 donc, pour V1 = 5 volts par exemple | àp | 3.105 Cette variation relative est considérable, mais probablement non exploitable en pratique. En effet, dans l'exemple précédent, la variation relative d'épaisseur induite par effet piézoélectrique est A e2 d V i 2 '- =3.106 e2 2 e e2 = Or, les coefficients de dilatation thermique des polymères sont voisins de 10-4: une variation de température de 3.10-2 degré a donc le même effet sur.pP que l'application de la tension V1. A moins de stabiliser rigoureuse- ment la température du dispositif, il faut se contenter d'un coefficient piezorésistif moindre. Même dans ce cas, il faut compenser la dérive en température; pour ce faire on peut envisager une structure différentielle, comprenant deux piezorésistants, dont seul l'un deux est soumis à la déformation imposée par le piezoélectrique, ou bien, dont les deux sont soumis à des contraintes opposées. C'est ce qui explique la présence du compensateur de dérive thermique 3 de la figure 1. Un type de montage possible est réalisé à la figure 6. Deux éléments piézorésistifs 10, Il montés en série sont excités en opposition par deux transducteurs électromécaniques 12 et 13. On obtient donc deux variation de résistances + AR et - AR. On a ainsi réalisé un montage amplificateur, la tension de sortie étant égale à: Vs =-y + GV1 En limitant le coefficient piézorésistif à environ 106 (utilisation PVC plutôt que PP) la variation relative Ap dans l'exemple p considéré précédemment est 0,6 par volt appliqué-: le gain du montage est alors pour V = 100 volts par exemple G = 30. On pourrait considérer un montage ne comportant qu'un seul transduc- teur 12 par exemple qui excite l'un des éléments piézorésistif 10, l'autre 11 n'étant pas excité. Une autre variante serait de considérer un montage en "pont"; deux branches comportant des éléments piézorésistifs telles que la branche 10, 11, une branche additionnelle étant représentée en pointillés sur la figure 6; le signal de sortie étant obtenu entre les points milieux M1 et M2 de ces deux branches. Un des transducteurs 12 excitant les éléments piézorésistifs et 16 et l'autre 13 les éléments piezorésistifs 11 et 15 pour obtenir respectivement des variations + AR et - AR, ce qui permet de doubler l'effet précédent. On peut alors réaliser la première variante de ce montage de la figure 4 en utilisant deux structures accolées telles que celle décrite à la figure 5, en considérant les transducteurs électromécaniques comme des éléments piézoélectriques. On obtient alors la figure 7, dans laquelle on a conservé les indications de la figure 6. On a, ainsi, réalisé un bimorphe piézoélectrique portant deux films de piézorésistants 10 et 11. L'un des côtés de ce bimorphe peut alors être rendu fixe en la bloquant dans un encastrement 17; en effet lorsque la tension V1 que l'on peut, par exemple décomposer en deux tensions + V12 et - V12 appliquées de part et d'autre de la masse est appliquée aux films piézoélectriques 12 et 13, par exemple en PVF2, le bimorphe se courbe entrainant respectivement une extension et une com- pression dans les films piézorésistants 10 et 11. Si l'on considère la face 121 de ce bimorphe, celle-ci peut être utilisé en élément d'affichage, l'électrode externe constituant un miroir mobile. On peut rendre cet élément bistable en réinjectant tout ou partie de la tension de sortie à l'entrée. Ce qui permet de simplifier la structure de la figure 7 en supprimant les films isolant 9, cela revient en effet à relier les points E et M1 de la figure 7. On obtient alors la structure de la figure 8. Le potentiel au point M1, sortie du bistable peut occuper deux états qui sont des valeurs se rapprochant de + V/2 et de - V12 mais inférieures en valeur absolue. Ces états sont stables du fait du rebouclage entre entrée et sortie. Au premier état stable soit le potentiel de M1 proche de + V,2, correspond une faible valeur de résistance du piézorésistant 10 et une forte valeur de résistance du piézorésistant 11. Ces valeurs de résistance.sont celles que l'on obtient sur la courbe p = f(x) de la figure 4 à partir des valeurs p1 et p2 de p. Ces valeurs de résistances sont dûes à l'application de tensions égales mais de sens opposés aux bornes de piézoélectriques 12 et 13, la résistance R que l'on a introduit permettant un rappel à la masse. En appliquant une impulsion positive au point entrée 15, on peut alors inverser les tensions aux bornes des piézoélectriques pour une valeur d'amplitude supérieure au seuil de fonctionnement dont l'amplitude est liée aux piézoélectriques et à la valeur de résistance R, on fait alors basculer le bistable dans son deuxième état stable qui correspond à une valeur de résistance forte du piézorésistant 10 et une valeur de résistance faible du piézorésistant 11, et donc à un potentiel en M1 proche de - V/2. En appliquant alors une impulsion négative d'amplitude supérieure au seuil du fonctionnement on peut revenir dans le premier état. Cette structure très simple peut être étendue à une matrice de bistables, constituant ainsi un panneau d'affichage: soit on utilise les bimorphes en miroirs mobiles, l'électrode de la face 121 servant alors de miroir mobile, soit le point milieu M1 des piézorésistants, dont le potentiel est d'une valeur proche de + V12 onde - V/2, est utilisé pour commander l'affichage proprement dit qui peut être réalisé à l'aide de cristaux liquides par exemple. En effet, le substrat de la matrice de commutation est constitué de deux films PVF2 collés; les dépôts locaux de films piezo- résistants peuvent être obtenus par enduction de solution et évaporation de solvant; les électrodes peuvent être déposés par évaporation; les éléments de commutation peuvent être ensuite découpés à l'emporte pièce sur trois côtés, le côté non découpé servant de charnière. Cette réalisation est illustrée à la figure 9. Celle-ci représente une vue d'un élément bistable selon la figure 8. Les films piézoélectriques inférieurs 13 et supérieurs 12 sont collés. On voit sur le film supérieur le dépôt de piézorésistant 10, et les électrodes 21 et 24 de part et' d'autre du piézorésistant. L'électrode supérieure est reliée à l'électrode colonne 20; l'électrode inférieure est reliée à son homologue 23 sur le film inférieur via un trou 18 à paroi métallisée. On voit sur le film inférieur la disposition d'électrode, reliée à l'électrode ligne 22. Une métallisation 19 est représentée à l'interface piézorésistant-piézoélectrique et elle est reliée à l'électrode colonne 122. Les transducteurs électromécaniques peuvent être réalisés à l'aide d'un matériau piézoélectrique mais il est bien entendu que tout autre type de transducteur est utilisable. L'intérêt de travailler dans la zone du seuil de percolation, est que l'on se trouve alors dans une zone linéaire de la courbe de la résistivité en fonction de la contrainte. Et, comme on l'a vu précédemment, plus ce seuil est marqué plus la variation relative de la résistivité est forte, pour une faible variation de contrainte, ce qui permet d'obtenir des gains élevés, et dans le cas d'un montage bistable un seuil de basculement bien défini. On a considéré jusqu'à présent l'utilisation du dispositif de l'invention dans des montages amplificateurs, et dans des montages bistables, mais on peut aussi l'utiliser dans tout montage o l'utilisation d'un quadripole de son type est intéressant, notamment, par exemple, dans les oscillateurs. Il peut permettre alors de compenser une dérive de température en conservant une le fréquence très stable. Les éléments piézorésistifs peuvent être soumis à des contraintes perpendiculaires à leurs grandes faces, mais il est aussi possible de les soumettre à des contraintes parallèles à ces faces, on peut alors par exemple, réaliser les électrodes par dépôt à la surface d'un film piézorésistif, ces électrodes délimitent de façon transversale des éléments piézorésistifs. Cette contrainte représente donc un étirement du film. Or l'étirement a une réponse directionnelle par effet de Poisson. Si l'on considère la longueur I et la largeur a du film piézorésistif on a: La _ A ta = a_1l avec a coefficient de Poisson Ainsi a est le rapport de la contraction relative à l'allongement relatif. Ainsi si l'on considère un film piézorésistif 42 soumis à un allongement Y comme sur la figure 10, dans la direction de l'axe OY on a un allongement et dans la direction de l'axe OZ une contraction. On a donc entre les électrodes 25 et 26, et entre les électrodes 26 et 27 des variations dans le sens contraire des valeurs de résistances; on peut alors considérer les montages décrits précédemment notamment à la figure 6. Ainsi, on peut réaliser le montage en pont de la figure 6 avec quatre piézorésistances 10, 11, 15, 16, en considérant quatre électrodes 28, 29, 30, 31 disposées comme sur la figure 11. On retrouve les différentes piézo- résistances entre les diverses électrodes: en reprenant les indications de la figure 6 on retrouve les points M1 et M2. Il peut être intéressant de travailler avec des électrodes déposées en surface en forme de peignes interdigités sur les 2 faces d'un film piézo- résistif 42 dans deux directions perpendiculaires, pour obtenir plus facile- ment certaines valeurs de résistances, par exemple. Ces électrodes en forme de peignes interdigités permettent de conserver une orientation des effets, d'utiliser un écartement faible entre peignes pour obtenir des valeurs de résistance faibles et de travailler dans deux zones de surface de part et d'autre du film de faible épaisseur; ce qui permet ainsi de travailler avec un peigne sur chaque face du film, ces deux peignes étant découplés l'un par rapport à l'autre. Ainsi on obtient sur la figure 12, des résistances comprises respectivement entre les électrodes 32 et 33, et 34 et 35, la face inférieure étant représentée en 36, variant de façon inverse par effet de Poisson. On peut alors considérer les montages décrits précédemment notamment à la figure 6. Un autre montage pour obtenir deux résistances variant de façon inverse consiste à faire subir une flexion à un élément réalisé en deux films piézorésistifs 43, 44 séparés par un film isolant 27, comme sur la figure 13. On dispose à la surface de chacun de ces films deux électrodes. Lorsqu'il y a flexion le film 43 est soumis à une élongation et le film 44 à une contraction. Ainsi les piézorésistances comprises respectivement entre les électrodes 38 et 39, et 40 et 41 varient en sens inverse. Il est aussi possible de considérer dans le cas de l'étirement un transducteur électromécanique réalisé grâce à un élément piézoélectrique. Comme cela est illustré à la figure 14, il est notamment possible de réaliser un film 49 comprenant à la fois un élément piézorésistant 45 et un élément piézoélectrique 46, en considérant deux matériaux de viscosités sensi- blement égales lors du coulage, à base de PVF2 par exemple. On peut alors déposer des électrodes 47 et 48 à la surface du film. Les deux éléments piézorésistif 45 et piézoélectrique 46 ont été représentés schématiquement par deux volumes cylindriques en pointillés. Cela nous permet alors de réaliser les différents montages précédents de façon intégrée sur un seul film avec un transducteur réalisé avec un élément piézoélectrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézorésistif à commande électrique comprenant au moins un élément piézorésistif (1) en matériau diélectrique chargé de particules conductrices et présentant un point de percolation et une paire de bornes d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transducteur électro- mécanique (2) relié à ces bornes d'entrées (4) et agissant sur cet élément piézorésistif (1) par l'intermédiaire d'un élément transmetteur en matériau diélectrique, des moyens destinés à compenser la dérive thermique (3).d0e à cet élément piézorésistif (1) coopérant pour fournir un signal de sortie (6) fonction du signal de commande électrique (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est monté dans un montage différentiel formant ainsi les moyens destinés à compenser la dérive thermique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce montage différentiel est réalisé en associant un deuxième élément piézo- résistif au premier élément piézorésistif. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézorésistif est réalisé sous la forme d'un film. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trans- ducteur électromécanique est un élément piézoélectrique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est réalisé sous la forme d'un film. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézorésistifs et piézoélectriques, ainsi que leur électrodes de commandes sont disposés sous la forme de couches superposées. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux éléments piézorésistifs (10, 11) et deux éléments piézoélectriques (12, 13) sont ainsi empilés. 9. Dispositif bistable selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux films piézoélectriques (12, 13) sont situés de part et d'autre d'une électrode centrale reliée à l'entrée (15), rappelée à la masse par l'inter- médiaire d'une résistance R, deux électrodes déposées de part et d'autre de ces films étant reliées entre elles en un point (M1) qui est la sortie, les films piézorésistifs (10, 11) et enfin les électrodes extérieures déposées succes- sivement sur les faces extérieures étant reliées à la masse par l'inter- médiaire de deux générateurs de tensions de valeurs égales (V/2) et opposées. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que les électrodes de commande des éléments piézorésistifs, réalisés sous la forme d'un film, sont obtenues par dépôt à la surface de ce film. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les électrodes de commande des éléments piézorésistifs sont disposées sur une même face de ce film. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les électrodes de commande des éléments piézorésistifs sont déposés sur chacune des faces de ce film. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ces électrodes de commandes ont la forme de peignes interdigités déposés de part et d'autre du film piézorésistif et dans deux directions perpendiculaires. 14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le trans- ducteur électromécanique qui est un élément piézoélectrique (46) est réalisé dans un même film que l'élément piézorésistif (45) qui est un élément piézo- électrique, de même type que cet élément piézoélectrique (46), chargé de particules conductrices. 15. Dispositif d'affichage selon l'une quelconque des revendications précédentes et comprenant au moins un dispositif piézorésistif à commande électrique tel que décrit dans l'une quelconque des revendications précé- dentes.