Brevet FR2542447A1 — publié le 19840914

La présente invention concerne un capteur de force équipé de jauges de contrainte, pour mesurer des forces de flexion, de cisaillement, de torsion et analogues. Les capteurs de force connus comportent un support déformable destiné à subir sous l'effet d'une force F une déformation E proportionnelle à F1 une ou plusieurs jauges de contrainte constituées par des élément sensibles résistifs destinés à subir sous l'effet de la déformation E du support une variation ohmique proportionnelle à la déformation E du support. Les capteurs de force connus, les moins précis comportent un support déformable de forme simple, tel qu'une poutre travaillant en flexion, ou une lame élastique travaillant en cisaillement, sur lequel on fixe une ou plusieurs jauges de contrainte. L imprécision de ces capteurs tient principalement à l'incertitude de la position des jauges de contrainte sur le support déformable et de celle de la force appliquée sur ce dernier ee quSil convient de mesurer. En effet, un écart meme faible sur ces positions engendre des écarts importants sur les signaux électriques émis par les jauges de contrainte. Par ailleurs, un écart meme faible sur la position d'application de la force à mesurer sur un support déformable destiné par exemple à mesurer des forces de flexion, peut engendrer une force de torsion qui perturbe considérablement la mesure. Les capteurs de force connus, les plus précis, comportent un support déformable de forme complexe, constitué par exemple par un cadre deformable dont l'une des extrémités est destinée à etre encastrée dans un bati fixe et l'autre extrémité est destinée à être soumise à la force a mesurer. Sur l'une des branches d'un tel cadre déformable on fixe manuellement deux jauges de contrainte distinctesrcons- tituées par des éléments sensibles résistifs qui subissent une variation de leur valeur ohmique sous l'effet de la déformation du cadre. Dans les réalisations les plus perfectionnées, on relie électriquement à ces jauges de contrainte, des composants électroniques de compensation ajustables tels que des potentiomètres miniatures destinés à compenser les défauts de linéarité du signal émis en fonction des contraintes appliquées sur le support déformable. Les capteurs de force précités sont fabriqués selon une technique peu adaptée à la production industrielle en grande série et sont de ce fait d'un prix de revient éleve. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des réalisations précitées en créant un capteur de force de construction simple et peu onéreuse tout en étant très précis. Le capteur de force visé par l'invention, comporte un support déformable destiné à subir sous l'effet d'une force F une déformation z proportionnelle à F, une ou plusieurs jauges de contrainte constituées par des éléments sensibles résistifs destines à subir sous l'effet de la déformation E du support une variation ohmique proportionnelle à la déformation E du support, un ou plusieurs composants de com sensation ajustablespour compenser les imperfections du captueurs un réseau électrique d'interconnexion reliant les éléments sensibles résistifs et les composants de compensation. Suivant l'invention ce capteur est caractérisé en ce qu'il est constitué par un module sensible intégré d'une seule pièce, dans lequel les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le réseau électrique d'in- terconnexion sont intégrés au support déformable selon les techniques modernes de la micro-électronique, ce support déformable étant en un matériau présentant des caractéristiques mécaniques prédéterminées en fonction des contraintes qu'il doit subir et compatible avec la technique utilisée pour intégrer à ce support les éléments sensibles, les composants de compensation et le réseau électrique d'interconnexion et en ce que la disposition des éléments sensibles résistifs sur le support déformable et les caractéristiques de ces éléments sont prédéterminées en fonction des contraintes que le module sensible intégré doit mesurer. Du fait que le capteur conforme à l'invention soit constitué par un module sensible intégré d'une seule pièce dans lequel tous les composants de mesure, sont lors de la fabrication, intégrés au support déformable selon des techniques modernes de la micro-électronique, ce capteur est par ticulièrement adapté à la production industrielle en grande série et présente ainsi un prix de revient très réduit. On sait d'autre part que les techniques modernes de la micro-électronique permettent d'appliquer sur un support des circuits électriques intégrés extrèmement précis et fiables. Les capteurs conformes à l'invention présentent ainsi du fait de leur conception sous forme de modules sensibles intégrés, une excellente précision. Grace à l'invention, l'utilisateur peut avoir à sa disposition toute une gamme de capteurs fabriqués en grande série qui diffèrent par la forme du support déformable et par la nature et la disposition des éléments sensibles inté- grés et à ce support, présentant ainsi des caractéristiques variées adaptées aux mesures des forces que l'utilisateur désire effectuer. Selon une version avantageuse de l'inventionB le support déformable est une lame en acier ressort réfractaire revêtue par une couche d'alumine servant de substrat électriquement isolant pour les éléments résistifs sensibles, les composants de compensation et le réseau électrique d'intr- connexion qui sont appliqués sur ce substrat. Cette couche d'alumine peut être déposée sur la lame d'acier par pulvérisation selon un procédé connu. Les éléments sensibles résistifs peuvent être déposés sur la couche d'alumine, en utilisant des pates résistives à coefficient de température faible. De même les composants de compensation peuvent être déposés sur la couche d'alumine en utilisant des pâtes résistives présentant au contraire des coefficients de température élevés. Selon une version préférée de l'invention, le support déformable comprend quatre éléments sensibles résistifs identiques reliés électriquement de façon à former un pont de Wheatstone. Cette disposition des éléments sensibles résistifs est particulièrement adaptée à la réalisation de capteurs à lame de flexion ou à lame de cisaillement. Dans un premier mode de réalisation, le support déformable du capteur conforme à l'invention est directement ou par le biais de dispositifs élémentaires d'appui ou de fixation soumis à la force à mesurer. Dans un second mode de réalisation, le module sensible intégré constitué par le support déformable et les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le réseau électrique d'interconnexion intégré à ce support est monté dans un corps d'épreuve d'une façon telle que ce corps ne transmette au module sensible intégré que la compo sante des contraintes à mesurer, à l'exclusion des composants parasites pouvant nuire à la précision de la mesure. Cette dernière réalisation, convient particulièrement à la mesure des forces dont la valeur excède largement celle qui peut être appliquée sur le module sensible intégré seul. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue en plan du module sensible intégré d'un capteur de forces conforme à l'invention , - la figure 2 est une vue en coupe suivant le plan Il-Il de la figure 1 - la figure 3 est une vue en plan montrant la disposition de quatre éléments sensibles résistifs sur un support déformable destiné à mesurer des contraintes de flexion, - la figure 4 est une vue en plan montrant la disposition de quatre éléments sensibles résistifs sur un support déformable destiné à mesurer des contraintes de cisaillement, - la figure 5 est un schéma électrique montrant la disposition suivant un pont de Wheatstonede quatre éléments sensibles résistifs d'un capteur conforme à l'invention, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un module sensible intégré placé à l'intérieur d'un corps d'épreuve complexe, - la figure 7 est une vue en plan de ce corps d'épreuve - la figure 8 est une vue en coupe suivant le plan VLEa-VLLI de la figure 6. Dans la réalisation des figures 1 et 2, le capteur de force conforme a' l'invention, comprend un support -dé for- mable 1 destiné à subir sous l'effet dXune force Fa une déformation E proportionnelle a cette dernière, sur lequel sont disposées plusieurs jauges de contrainte 3a, 3b, 3c, 3d constituées par des éléments sensibles résistifs destinés à subir sous l'effet de la déformation E du support 1 une variation ohmique proportionnelle à la déformation E du support 1. Dans l'exemple représenté, le support 1 est une lame en acier ressort rectangulaire, présentant à ses coins quatre trous 2 qui permettent de fixer par exemple l'une des ex- trémités de cette lame â un bgti fixe et l'autre extrémité à un organe mécanique soumis à la force F à mesurer. La lame-support 1 comporte également des composants, tels que des résistances 4 reliées aux éléments sensibles résistifs 3a, 3d destinés à compenser les imperfections du capteur. Les éléments sensibles résistifs 3a, .. 3d sont reliés a' ces composants de compensation 4 et à des bornes 6a, 6b, 6d 0B0 6e de mesure du signal électrique émis par le capteur par un réseau électrique d'interconnexion 5. Conformément à lainvention; le capteur ci-dessus, est constitué par un module sensible intégré, d'une seule pièce, dans lequel les éléments sensibles résistifs 3a, 3d, les composants de compensation a et le réseau électrique d'interconnexion 5, sont intégrés au support déformable 1, selon des techniques modernes de la micro-électronieue. Par techniques modernes de la micro-électronique on entend, celles utilisées pour la réalisation de circuits intégrés miniatures et comprenant application de couches minces ou épaisses, conductrices, résistives ou isolantes en utilisant des masques ou analogues, les procédés de microgravure par exemple par bombardement ionique et analogue. Le support déformable 1 est en un matériau présentant des caractéristiques mécaniques prédéterminées en fonction des contraintes qu'il doit subir Ce matériau doit d'autre part ere coinpatible avec les techniques utilisées pour intégrer au support les éléments sensibles résistifs 3a, ... 3d, les composants de compensation 4 et le réseau d'interconnexion 5. Par exemple, la lame-support 1 est réalisée en acier ressort réfractaire conservant ses performances mécaniques après expcsionauxtempératures élevées nécessaires à l'appli- cation des autres composants du module sensible intégré. Comme on l'expliquera plus en detail plus loin à l'aide d'exemples, la disposition des éléments sensibles résistifs 3a, ... 3d, des composants de compensation 4 et du réseau électrique d'interconnexion 5 et les caractéristiques de ces derniers sont prédéterminées en fonction des contraintes que le module sensible intégré doit mesurer. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, la lame-support 1 est recouverte par une couche d'alumine 7 qui est obtenue par pulvérisation de poudre d'alumine et qui sert de substrat isolant aux éléments sensibles résistifs 3a, ... 3d, aux composants de compensation 4 et au réseau électrique d'interconnexion 5. Les éléments sensibles 3a, ... 3d peuvent être appliqués sur le substrat d'alumine 7 en utilisant les méthodes de dépôt de couches minces, telle que effet Joule, pulvérisation cathodique ou dépôt chimique, bien connues de l'homme de l'art. Ces éléments sensibles seront constitués de matériaux piézorésistifs à faible coefficient de température. Tel est le cas, par exemple, des alliages nickel-chrome, nickel-cuivre et chromesilicium. Les composants de compensation de zéro et de compensation thermique ainsi que le réseau d'interconnexion, seront appliqués aussi sur le substrat 7 en utilisant les mêmes méthodes. Des effets nouveaux et lntéressants sont obtenus lorsque (voir figures 3 et 4) le support déformable la, lb comprend quatre éléments sensibles résistifs identiques 8a, 8b, 8c, Sd ; 9a, 9b, 9c, 9d reliés électriquement de façon à former un pont de Wheatstone,comme indiqué sur la figure 5. Dans le cas de la réalisation-de la figure 3, les quatre éléments sensibles résistifs 8a, 8b, Bc, Sd sont disposés sur une lame-support la dont l'une des extrémités est encastrée dans une partie fixe 10 (par exemple le baAti de l'appareil de mesure) et dont l'autre extrémité ll est destiné née à être soumise à une force F perpendiculaire au plan de la lame la qui a pour effet de faire travailler la lame la en flexion. Les quatre éléments sensibles résistifs 8a, 8b, 8c, 8d sont disposés au sommets d'un rectangle dont 1D Lzne des médianes M est confondue avec l'axe d'allongement de la lame la. Ainsi lorsque la lame la subit un effort de flexion, les deux éléments sensibles résistifs 8a et 8d sont contraints en traction et les deux autres éléments sensibles résistifs 8b et 8c sont contraints en compression. On peut montrer que la variation relative de la tension V aux bornes du pont de Wheatstone(voir figure 5) est proportionnelle à la déformation E subie par la lame la sous l'effet de la force F c'est-à-dire h V = KE V Dans le cas de la lame la travaillant en flexion, on montre que : Le terme de non linéarité est, lorsque K = 10, s = 0,3 et E = 10 égal à ego 0087 qui est très voisin de l'unité, de sorte que peut être considéré comme proportionnel à E. V Dans le cas de la réalisation selon la figure 4, la lame-support lb destinée à mesurer des contraintes de cisaillement présente une extrémité encastrée dans une partie fixe 12 et une extremité opposée encastrée dans une partie mobile 13 destinée à subir une force F appliquée perpendiculairement à la lame lb engendrant sur celle-ci une contrainte de cisaillement. Les quatre éléments sensibles résistifs 9a, 9b, 9c, 9d sont disposés aux sommets d'un rectangle dont l'une des diagonales D est confondue avec la direction d'allongement de la lame lb qui s'étend entre les parties 12 et 13. Lorsque la lame-support lb subit un effort de cisail lement, les éléments sensibles résistifs 9a et 9d sont contraints en traction tandis que les éléments sensibles résistifs 9c et Sb sont contraints en compression par rapport à la direction d'allongement de la lame lb. On peut montrer que dans ce cas AV = 2 E 7 Les capteurs représentés sur les figures 3 et 4, illustrent deux exemples de réalisation particulièrement simples qui permettent d'obtenir moyennant une disposition simple des éléments sensibles résistifs 8a, .. Sd et 9a, 9d des capteurs présentant des caractêristiques prédétermi- nées et adaptées aux contraintes que l'on veut mesurer. En modifiant les caractéristiques mécaniques des lames-supports la et lb et la valeur ohmique des éléments sensibles résistifs 8a, ... 8d ; 9a, ... 9d intégrés à ces lames, on comprend que l'on fabriquer toute une gamme de capteurs modulaires présentant des caractéristiques mecani- ques et électriques adaptées aux contraintes que l'on veut mesurer et qui sont directement utilisables après encastremeut dans l'appareil à mesurer. Dans la réalisation des figures 6 à 8, le module sensible intégré lc, constitué par une lame-support en acier auquel sont intégrés les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le réseau électrique d'interconnexion est monté à l'intérieur d'un corps d'épreuve complexe. Ce corps d'épreuve comprend un tube cylindrique rigide 10, par exemple en acier, fermé à ses extrémités opposées par des embouts rigides lla, llb qui peuvent également être en acier. Ces embouts rigides lla, llb font saillie de part et d'autre du tube rigide 10. Les parties en saillies de ces embouts rigides lla, llb sont destinées respectivement à être encastrées dans uns partie fixe et une partie mobile soumise à la force que l'on veut mesurer. Les embouts rigides llav llb comportent à cet effet des méplats 13a, 13b qui permettent d'obtenir un encastrement efficace du corps d'épreuve aux parties précitées de l'appareil de mesure. Le module sensible intégré, en forme de lame îc s'étend à l'intérieur du tube 10 entre les deux embouts lla et llb, dans un plan axial P du tube 1O. Les extrémités opposées de la lame lc sont encastrées dans des fentes 12axe 12b ménagés dans les embouts lla, llb. Lorsque le capteur complexe que l'on vient de décrire est soumis à des contraintes, le corps d'épreuve ne transmet au module sensible intégré lc qu'une partie de ces contraintes. Du fait de la structure de ce corps d'épreuve, les contraintes appliquées sur le module sensible intégré 1g sont débarassées des composantes parasites des contraintes appliquées sur le corps d'épreuve, de sorte que l'on obtient une très grande précision de la mesure Par ailleurs, ce corps d'épreuve, protège efficacement le module sensible intégré le contre les chocs mécaniques et les agents agressifs ou polluants extérieurs. On comprend qu'à partir du principe de la réalisation représentée sur les figures 6 à 8 on peut produire toute une gamme de capteurs modulaires présentant des caractéristiques prédéterminées, en modifiant la dimension du corps d'épreuve et de la lame-support du module sensible intégré lc, ainsi que la disposition et la valeur ohmique des éléments sensibles résistifs intégrés à la lame-support. Par ailleurs, à partir d'un même module sensible résistif, il est possible de réaliser toute une gamme de capteurs présentant des caractéristiques prédéterminées, simplement en modifiant le corps d'épreuve extérieur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exem ples que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le support déformable du capteur modulaire conforme à l'invention peut avoir une forme autre que celle d'une lame, l'essentiel étant que cette forme soit compatible avec l'intégration au support déformable, des composants sensibles du capteur, selon les techniques modernes de la micro-électronique. Par ailleurs, l'ensemble intégré constitué par les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le circuit électrique d'interconnexion peut encore être réalisé par dépôt sous vide d'alliages métalliques sur un ruban en matière plastique constituant le substrat isolant des composants précités. Ce ruban isolant est ensuite collé sur le support déformable, après enduction de la face non-active du ruban et ajustage éventuel des éléments sensibles résistifs et/ou des composants de compensation déposés sur le ruban. Par ailleurs, les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le circuit électrique d'interconnexion peuvent également être réalisés en appliquant sur le support déformable des polymères résistifs et/ou conducteurs du type P T F tels qu'une résine diallyphtalate chargée de particules conductrices comme le noir de carbone. Toutes ces techniques modernes de la micro-électronique permettent de réaliser sur le support déformable, un circuit électrique comprenant des éléments sensibles résistifs, des composants de compensation et un circuit d'interconnexion, présentant des caractéristiques extrèmement précises et parfaitement reproductibles lors d'une fabrication en très grande série. D'autre part, la lame 1, la, lb, lc constituant le support déformable, peut être en matière céramique telle que l'alumine, au lieu d'être en acier. REVENDICATIONS 1. Capteur de force comprenant un support déformable (1, la, lb, lc) destiné à subir sous l'effet d'une force F une déformation E proportionnelle à FR une ou plusieurs jauges de contrainte constituées par des éléments sensibles résistifs (3a, ... 3d ; ga, ... Sd ;; 9a, .. 9d) destinés à subir sous l'effet de la déformation E du support une variation ohmique proportionnelle à la déformation E du support un ou plusieurs composants de compensation (4) ajustables pour compenser les imperfections du capteur, un réseau électrique d'interconnexion (5) reliant les éléments sensibles résistifs et les composants de compensation, caractérisé en ce que ce capteur de forces est constitué par un module sensible intégré, d'une seule pièce, dans lequel les éléments sensibles résistifs (3a, ... 3d ; 8a, .. 8d ; 9a, .. 9d), les composants de compensation (4) et le réseau électrique d'interconnexion (5) sont intégrés au support déformable (1, la, lb, lc) selon des techniques modernes de la micro-électronique, ce support déformable étant en un matériau présentant des caractéristiques mécaniques prédéterminées en fonction des contraintes qu'il doit subir et compatibles avec la technique utilisée pour intégrer à ce support les éléments sensibles, les composants de compensation et le réseau électrique d'interconnexion, et en ce que la disposition des éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et du réseau électrique d'interconnexion et leurs caractéristiques sont prédéterminées en fonction des contraintes que le module sensible intégré doit mesurer. 2. Capteur de force modulaire, conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le support déformable est une lame (1, la, lb, lc) en acier ressort réfractaire revêtue par une couche d'alumine (7) servant de substrat électrique isolant pour les éléments résistifs sensibles (3a, .... 3d ; 8a, ... Sd ; 9a .... 9d), les composants de compensation (4) et le réseau électrique d'interconnexion qui sont appliqués sur ce substrat. 3. Capteur de force modulaire, conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support déformable (la, lb) comprend quatre éléments sensibles résistifs identiques (8a, ... Sd ; 9a, ... 9d) reliés électriquement de façon à former un pont de Wheatstone. 40 Capteur de forces modulaire,conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les quatre éléments sensibles résistifs (Sa, . sud , 9a! ... 9d) sont disposés sur le support ( la, lb) de façon que lors de l'utilisation du capteur, deux de ces éléments sensibles résistifs soient con- traints en traction et les deux autres soient contraints en compression. 5. Capteur de force modulaire, conforme à la revendication 4,destiné à mesurer des contraintes de flexion, caractérisé en ce que les quatre élements sensibles résistifs (8a, 0 n e 8d) sont disposés aux sommets d'un rectangle dont l'une (M) des médianes est confondue avec la direction d'allongement de la lame (la) 6. Capteur de force modulaire, conforme à la revendicati on 4, destiné à mesurer des contraintes de cisaillement, caractérisé en ce que les quatres éléments sensibles résistifs (9a, ... 9d) sont disposés aux sommets d'un rectangle dont l'une (D) des diagonales est confondue avec la direction d'allongement de la lame (lb). 7. Capteur de force modulaire, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments sensibles résistifs sont en alliage de nickel et de chrome, de nickel et de cuivre ou de chrome et de silicium. 3. Capteur de force modulaire conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le module sensible intégré constitué par le support déformable (lc) et les éléments sensibles résistifs, les composants de compensation et le réseau d'interconnexion intégrésà ce sup port (lc) est monté dans un corps d'épreuve (lo) d'une façon telle que ce corps ne transmette au module sensible intégré que la composante des contraintes à mesurer. 9. Capteur de force conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que le corps d'épreuve comprend un tube cylindrique rigide (10) fermé à ses extrémités opposées par des embouts rigides (lla, llb) engagés à l'intérieur du tube et faisant saillie de part et d'autre du tube, et en ce que le module. sensible intégré est disposé à l'intérieur du tube (10) entre les deux embouts engagés dans ce dernier, les extrémités opposées du module sensible intégré (lc) étant encastrées dans les embouts 10. Capteur de force conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que le module sensible intégré comprend un support déformable constitué par une lame d'acier (lc) dont les extrémités opposées sont encastrées dans les embouts (lla,llb), cette lame s'étendant dans un plan axial (P) du tube (10). 11. Capteur de force conforme à l'une des revendications 1 ou 3 à 10, caractérisé en ce que le support déformable est une lame (1, la, lb, lc) en matière céramique telle que l'alumine.