Brevet FR2553883A1 — publié le 19850426

La présente invention concerne tous les appareillages (médicaux, peau artificielle, etc), o une mesure de pression et/ou une mesure de température doit être réalisée en de très nombreux points, rendant ainsi nécessaire l'emploi d'une méthode matricielle pour limiter le nombre de fils nécessaires à l'alimentation des capteurs. Des tentatives ont déjà été réalisées; elles mettaient en oeuvre des procédés optiques enregistrant la déformation d'un élastomère ou des procédés electriques utilisant des variations de capacité par écrasement d'unm condensateur. On a également tenté d'utiliser une transposition de la technique très répandue des jauges de contrainte piézorésistives en remplaçant le métal par des conducteurs élastomères, placés dans un réseau plan. Ces dispositifs présentent l'inconvénient soit d'être très difficiles à mettre en oeuvre comme c'est le cas des procédés optiques ou à capacité variable 15 soit d'effectuer une mesure erronnée due à la présence de contraintes latérales ou à l'effet de la température. Le dispositif suivant l'invention, qui utilise des jauges de contrainte en élastomère placées dans un réseau matriciel tridimensionnel, permet d'éviter ces inconvénients. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir d'un premier mode préféré de réalisation, donné ici à titre indicatif et, bien entendu, nullement limitatif. Un élément piézorésistif Cij (voir figure 1) est constitué en un matériau conducteur qui est à la fois déformable et élastique On conviendra de l'appeler 25 élastomère conducteur Il est placé à l'intersection de deux fils conducteurs Ai et Bj appartenants respectivement à des réseaux A 1, A 2 Ai An et B 1, B 2 B B, rectangulaires eatre eux et placés sur des surfaces ZA ou EB parallèles entre elles. La déformation de Ci J entraîne une variation de sa résistance (elle diminue lorsque l'élément est écrasé) On utilise cette propriété pour mesurer en chaque point i, j, de la surface EA ou ZB la pression qui lui est appliquée. Cette mesure de résistance utilise une alimentation 2 en série de laquelle une résistance 3 permet une détection du courant débité dans le circuit de mesure qui comporte les éléments suivants, placés en série: Des commutateurs C Ai et C Bj, constitués par exemple par des transistors à effet de champ, dont on assure la mise en conduction par un adressage logique suivant une technique très connue, dite de "multiplexage", L'ensemble des éléments du circuit existe dans le commerce sous forme de circuits intégrés. L'élément piézorésistif Cij qui est traversé par un courant perpendiculaire à ZA OU EB. Une diode zéner 1 ayant un seuil de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation dont le rôle est de permettre la sélection d'une seule résistance, celle de l'élément Cij. Le pilotage des commutateurs et le traitement de la mesure de courant issu de 3 qui est numérisée sont effectués par un processeur en ligne. Suivant un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention, on utilise 10 un élément thermosensitif Dij associé à l'élément piézorésistif Cij, afin de corriger les erreurs qui pourraient être introduites dans la mesure de pression, du fait que les matériaux élastomère conducteur présentent un coefficient de température souvent très élevé. La mesure s'effectue comme précédemment en utilisant le réseau B 1, B 2 15 B Bm qui reste commun aux deux mesures, et un nouveau réseau A'1, A'2 J A'i A'n équipé de commutateurs CA,1, CA,2 C Ai- C An correspondants. Les diodes zéner sont également communes aux deux réseaux de mesure, comme on peut le voir sur la figure 2. Suivant un troisième mode de réalisation de l'invention, on remplace 20 l'élément non linéaire du circuit que constituait la diode zéner 1, dont le rôle, on l'a vu, était de limiter le passage du courant de mesure à un seul élément Cij, par un tore de ferrite présentant un cycle rectangulaire. On modifie les commutateurs pour qu'ils permettent d'alimenter le transformateur que constitue le tore de ferrite placé à l'intersection de Ai et de 25 Bj au moins une fois dans un sens (par exemple Ai au + et Bj au -) et au moins une fois en sens inverse (par exemple Ai au et Bj au). Comme le montre la figure 3, les conducteurs Ai et Bj passent au travers du tore de ferrite Ils constituent ainsi un double primaire. L'élément piézorésistif constitue quant à lui le secondaire. La durée d'application de la tension au primaire pour chaque polarité d'alimentation est soigneusement déterminée, compte tenu de la valeur de cette tension d'alimentation pour que: Si un seul conducteur (Ai ou Bj) est alimenté, le champ magnétique appliqué au tore reste inférieur au champ coercitif De ce fait, l'induction ne bascule pas, et le secondaire ne reçoit aucune tension. Si deux conducteurs (Ai et Bj) sont alimentés, le champ appliqué au tore est supérieur au champ coercitif Il en résulte un basculement de l'induc tion et le secondaire est alimenté et débite un courant qui est fonction de la résistance de l'élément piezorésistif Ce courant est prélevé au primaire et peut être lu comme précédemment aux bornes de l'aliment et traité en conséquence. On a représenté sur la figure 4 une des très nombreuses variantes de secondaire possibles utilisant un élément piézorésistif liquide, donnée à S titre indicatif et nullement limitative. Le tore 4 est traversé par les conducteurs Ai et Bj Lorsque les paro 6 et 7 de la capsule qui emprisonne le liquide conducteur se rapprochent, chassent le liquide et étranglent les lignes de courant S, d'o une augmen de la résistance. Le liquide conducteur peut être un électrolyte, un métal liquide, ou i suspension colloïdale quelconque. L'invention peut être appliquée à la mesure des pressions exercées su: corps humain pour différents traitements médicaux: prothèses, alitement, Elle peut également être utilisée en robotique comme peau artificielle pou: 15 détection tactile et thermique. 4 2553883 REVEND I CATIONS 1 Dispositif matriciel pour la mesure d'une distribution de pression sur un surface quelconque (plane ou non), caractérisé en ce que l'élément piézo sensible est un conducteur déformable Ci,, placé entre deux nappes de conducteurs A 1, A 2 Ai An et B 1, B 2 Bj Bm portées par deux surfaces parallèles EA et EB sur lesquelles s'exerce la pression à mesure de telle sorte qu'il soit relié, par l'intermédiaire d'une diode zéner série à Ai et Bj et que le courant qui le traverse avec une direction sensiblement perpendiculaire à EA et EB soit utilisé, en relation avec 1 tension appliquée au circuit, pour mesurer la résistance de l'élément C 10 et par suite la pression appliquée sur ce même élément. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézorésistif Ci, est alimenté par un transformateur ayant un noyau à cycle rectangulaire, dont le primaire est constitué par les conducteurs Ai et Bj convenablement alimentés par des impulsions rectangulaires d'amplitudes calibrées, de telle sorte que la présence d'impulsions sur un seul de ces deux conducteurs soit insuffisante pour provoquer le basculement de l'aimantation du noyau, et dont le secondaire est constit par l'élément piézorésistif -dont la résistance est mesurée par le couran débité dans le circuit Ai, B au moment du basculement de l'aimantation À ' 20 noyau et dont la valeur permet d'obtenir la pression exercée au point de coordonnée Cij. 3 Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la séquence de mesure de la pression aux différents points Ci, est réalisé par des interrupteurs électroniques C Ai et C Bi, utilisant par exemple la technologie M O S et qui sont commandés par multiplexage, de sorte que tous les conducteurs Ci j sont alternativement reliés -aux bornes de l'alimentation 2, en série de laquelle une résistance 3 permet la mesure du courant débité. 4 Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que qu'on ajoute au réseau piézorésistif un autre réseau thermorésistif, fonctionnant de façon analogue mais utilisant comme élément sensible Di,. des thermistances ou tout élément résistif sensible à la température, ce qui permet de corriger la mesure de pression des effets de la température S Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu': est utilisé à des fins médicales consistant en l'analyse des pressions el des températures présentes au contact d'un corps humain. 6 Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'i est utilisé en robotique, comme peau artificielle, sensible aussi bien à la pression qu'à la température. 7 Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élémeni piézorésistif est constitué par un élastomère conducteur. 8 Dispositif suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce que l'élemenl piézorésistif est constitué d'un liquide conducteur placé dans une envelol élastique. 9 Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le secondaire 10 du transformateur à tore de ferrite est constitué par un liquide conductet dans lequel ledit tore est immergé.