Brevet FR2640374A1 — publié le 19900615

DISPOSITIF DE MESURE DE DEFORMATION AU NDYEN DE JAUGES DEPOSEES EN CRUCHE EPAISSE PAR MICRO-BUSE SOUS PRESSION CONTROLEE. La présente invention se rapporte a un dispositif de mesure de déformation comprenant un corps d'épreuve déformable sur lequel s'exerce une grandeur physique dont l'effet engendre une déformation du corps d'épreuve, et au moins une jauge extensométrique disposée sur ledit corps1 jauge dont la résistance électrique subit une variation sous l'effet de la déformation du corps d'épreuve. Dans les dispositifs de ce type, la déformation que le corps d'épreuve subit par l'application de la grandeur physique a mesurer entraine une variation dimensionnelle de la jauge extensométrique ainsi qu'une variation de ses propriétés électriques, donnant lieu globalement a une variation de résistance électrique. Cette variation de résistance proportionnelle a l'allongement ou a la contraction relative de la jauge supposée parfaitement solidaire mécaniquement du corps d'épreuve, est l'image électrique de la déformation du corps d'épreuve et donc aussi celle de la grandeur physique qui y est appliquée. Ce phénomene bien connu d'élasto-résistance dans les métaux purs ou alliages, et de piézo-résistance dans les semi-conducteurs, s'exprime par la relation A R/R = K.A 1/1, ou A R représente la variation de résistance R'-R de la jauge (R' étant la résistance sous allongement ou contraction et R la résistance au repos), fl 1 représente la variation de longueur l'-l de la jauge (1' étant la longueur sous allongement ou contraction et 1 la longueur au repos), K désigne le facteur de jauge communément appelé GF ("Gage Factor") qui caractérise la sensibilité de la jauge a l'allongement ou a la contraction. En pratique, le dispositif est d'autant plus intéressant que le facteur de jauge K est élevé, et que sa susceptibilité aux grandeurs d'influence, en particulier sa suceptibilité a la température, est faible. La température, lorsqu'elle varie, affecte la résistance de la jauge de telle sorte que #R/R= &alpha;T, ou A # R/R est la variation relative de résistance de la jauge sous l'effet d'une variation de température # T, et OL est un coefficient connu sous le nom de coefficient de température en résistance (TCR) exprimé en ppm/ C. Les variations de température affectent également la sensibilité de la jauge de telle sorte que AK/K = ss zss T, où # K/K est la variation relative du facteur de jauge sous l'effet d'une variation de température #T, et ss est un coefficient plus connu sous le nom de coefficient de température en facteur de jauge (TOGF) exprimé en ppm/ C. Les valeurs de R, K, TCR et TCGF de la jauge extensométrique dépendent largement de la nature et de la composition du matériau constituant la jauge. A titre d'exemple, pour les jauges a fil métallique ou a trame pelliculaire, on a généralement les valeurs suivantes 2 # K # 4,5 10 # TCR # 1000 ppm/ C 20 :ffi; TOGF # # 100 ppm/ C. Pour les jauges a semi-conducteur, on obtient, en fonction du taux de dopage (concentration en impureté) 30 # K # 180 500 # TCR # 10 000 ppm/ c 200 # TOGF:$i 500 ppm/ c. On voit ainsi, en première approximation, que les jauges métalliques permettent à priori une compensation de température aisée mais n'offrent qu'une assez faible sensibilité, tandis qu'au contraire les jauges à semi-conducteur offrent une grande sensibilité, mais sont assez difficiles à compenser en température. Par ailleurs, d'une manière générale, les défauts de comportement aussi bien mécanique que thermique des jauges sont liés au matériau intermédiaire entre la jauge elle-même et le corps d'épreuve dont elle est sensée mesurer la déformation. Ce matériau a généralement polir but soit de faire adhérer la jauge au corps d'épreuve (colle), soit de l'isoler du corps d'épreuve (couche d'isolement dans le cas des jauges déposées sous vide) ou les deux à la fois. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de déformation du type à jauges de contrainte de fabrication simple réalisant un compromis, tant du point de vue de la sensibilité que celui du comportement thermique, entre les jauges métalliques et les jauges à semi-conducteurs, et offrant l'avantage d'un excellent comportement à long terme tant par le matériau utilisé pour la ou les jauge(s) elle(s)-même(s) que pour la manière dont la ou les jauge(s) est (sont) disposée(s) sur le corps d'épreuve. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure de déformation dans lequel la ou chaque jauge extensométrique peut hêtre disposée sur le corps d'épreuve en tout endroit de ce dernier, quelles que soient la structure et la forme de ce dernier, même à des endroits difficilement accessibles.L'invention a par ailleurs pour objet un dispositif de mesure de déformation qui se distingue par un corps d'épreuve assurant une limite de surcharge du dispositif de mesure de déformation. Dans le dispositif de mesure de déformation conforme à l'invention, la ou chaque jauge est formée par application directe en couche épaisse de pâte résistive au moyen d'une microbuse sous pression contrôlée sur un corps d'épreuve isolant au moins en surface. Dans le cadre de l'invention, le corps d'épreuve peut être constitué par un matériau isolant (céramique à base d'oxydes de zirconium, magnésium, aluminium, silicium, titane, nitrure de silicium) ou tout métal ou alliage recouvert d'un isolant, ou tout métal ou alliage émaillé. La ou chaque jauge extensométrique peut être constituée d'une pâte conductrice du type de celles habituellement utilisées pour la réalisation de circuits hybrides, contenant un ou plusieurs des éléments bismuth, titane, ruthénium, plomb, iridium, or, palladium, platine ou leurs alliages. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le corps d'épreuve peut comprendre une membrane annulaire encastrée entre une couronne extérieure et un pion central, la déformation de la membrane étant décelée par quatre jauges extensométriques disposées sur un même diametre et montées respectivement dans les quatre branches d'un pont. Afin de rendre le dispositif insensible aux défauts d'alignement de la force appliquée, le dispositif peut comporter 4 n jauges disposées sur n diametre et montées dans un même pont. De préférence, la hauteur du pion central est inférieure à la hauteur de la couronne d'une valeur telle que le pion central, tout en autorisant le débattement nécessaire à la mesure, serve également de butée de limitation de surcharge. Afin que le dispositif puisse être utilisé pour la mesure de forces à la fois en mode normal, inversé et différentiel, avec butée de limitation de surcharge, le corps d'épreuve peut comporter une couronne annulaire et un pion central en saillie sur les deux faces de la membrane. Suivant un autre mode de réalisation de I'invention, le corps d'épreuve est à déformation en S et comprend une lame mince rectangulaire dont les deux extrémités sont encastrées dans des pièces symétriques en saillie sur les faces opposées de la lame, pour l'application de la force à mesurer, la déformation de la lame étant décelée au moyen de quatre jauges disposées deux à deux au voisinage de chaque extrémité d'encastrement de la lame et montées respectivement dans les quatre branches d'un pont. Que le corps d'épreuve soit constitué par une membrane annulaire ou une lame mince rectangulaire, les quatre jauges peuvent être disposées sur une face ou sur les deux faces de la membrane ou lame. I1 suffit en effet de monter les quatre jauges en pont en tenant compte de la règle d'alternance des signes. En se référant aux dessins schématiques annexés, on va décrire ci-après plus en détail plusieurs mode de réalisation illustratif et non limitatif d'un dispositif conforme à l'invention; sur les dessins la figure 1 est une coupe d'un dispositif conforme à l'invention à corps d'épreuve circulaire et à quatre jauges extensométriques; la figure 2 est une vue de dessous du dispositif de la figure 1; la figure 3 montre le montage en pont des jauges du dispositif des figures 1 et 2; la figure 4 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif à quatre jauges sur un corps d'épreuve circulaire; les, figures 5a et 5b représentent des cas ou la force appliquée à mesurer présente un défaut d'alignement par rapport à l'axe du dispositif;; la figure 6a est une vue de dessous analogue à celle de la figure 2 montrant un dispositif avec seize jauges procurant quatre directions d'analyse préférentielles; la figure 6b représente le montage en pont- des seize jauges du dispositif de la figure 6a; la figure 7a représente un corps d'épreuve annulaire monolithique; la figure 7b représente un corps d'épreuve annulaire obtenu par assemblage; la figure 8 illustre la butée de limitation de surcharge sur un dispositif comprenant un corps d'épreuve circulaire; la figure 9a représente un corps d'épreuve symétrique; la figure 9b représente le corps d'épreuve selon la figure 9a dans un bottier; la figure 10a représente un autre mode de réalisation d'un corps d'épreuve conforme à l'invention; la figure 10b est une vue de dessus du dispositif de la figure 10a;; la figure 10c représente le montage en pont des quatres jauges du dispositif des figures 10a et 10b; la figure Il représente une autre disposition des jauges sur un corps d'épreuve suivant la figure 10a. Tel qu'illustré par la figure 1, un capteur extensométrique conforme à l'invention comprend un corps d'épreuve 1 circulaire ayant une forme de révolution autour de son axe vertical z, ce corps d'épreuve étant sollicité en son centre, suivant l'axe z, de haut en bas par une force F ou une pression. Le corps d'épreuve I comprend une membrane annulaire 2 encastrée sur toute sa périphérie entre une couronne extérieure 3 et un pion central 4. Il y a lieu de noter que la membrane 2 se trouve à ras de la face supérieure de la couronne 1 et du pion central 4, le corps d'épreuve 1 prenant appui sur une base 5 par sa face inférieure.La hauteur du pion central 4 est inférieure à la hauteur de la couronne 1, de sorte que l'application de la force F au pion central 4 entrain, dans la membrane annulaire 2, une contrainte positive maximale à l'endroit de l'encastrement périphérique intérieur 6 de la membrane 2 (pion central 4) et une contrainte négative maximale à l'endroit de l'encastrement périphérique extérieur 7 de la membrane 2 (couronne annulaire 3). Cela se traduit par une déformation en "double S symétrique" de la membrane annulaire 2. Quatre jauges extensométriques J1, J2, J3 et J4 sont formées sur la face inférieure de la membrane 2, par application directe en couche épaisse de pâte résistive au moyen d'une microbuse sous pression contrôlée, suivie d'un traitement thermique, tel que cela est bien connu pour la réalisation des résistances dans la technologie de fabrication des circuits électroniques hybrides. Grâce à l'utilisation d'une microbuse, il est possible d'appliquer la pâte résistive sans difficulté au fond du creux délimité entre la couronne extérieure 3 et le renforcement central 4, ce qui serait impossible par d'autres techniques, par exemple la sérigraphie. Comme le montrent les figures 1 et 2, les quatre jauges J1, J2, J3, J4 sont formées sur un meme axe y correspondant à un diamètre, dans l'ordre J1, J2, J4, J3. L'application de la force F engendrant une contrainte positive à l'endroit de l'encastrement intérieur 6 de la membrane 2, les jauges J2 et J4 subissent un allongement, donc une augmentation de leurs résistances respectives R2 et R4, tandis que les jauges J1 et J3 subissent au contraire une contraction, donc une diminution de leurs résistances respectives R1 et R3. Selon la figure 3, les quatre jauges sont montées électriquement en pont de Wheastone, dans l'ordre 1, 2, 3 et 4 pour tenir compte à la fois de leurs signes opposés de variation de résistance (+ pour les jauges J2 et J4, - pour les jauges J1 et J3) et de la règle d'alternance des signes dans le pont, de sorte que le déséquibre résistif global du pont t R/R = # Rl/Rl - # R2/R2 + # R3/R3 - /R4/R4 soit maximal et ici égal à 2 (t Rl/Rl + A R2/R2). Pour une tension d'alimentation U du pont, il en résulte une tension de déséquilibre v (signal utile) de v = U/4 g A R/R = U/2 (# Rl/Rl + 8 R2/R2) Bien entendu, il est également possible, dans le cadre de l'invention, de former les jauges Jl à J4 sur la face supérieure de la membrane 2 du corps d'épreuve 1, comme le montre la figure 4. Le mode de réalisation décrit ci-dessus à quatre jauges extensométriques donne satisfaction lorsque la force F est appliquée suivant l'axe z. Il n'en est pas de même lorsque la force F est appliquée avec un défaut d'alignement e par rapport à l'axe z, comme le montre la figure 5a. De plus, il peut arriver que la force F soit appliquée sous un angle e par rapport à l'axe z du capteur et sous un angle 8 par rapport à l'axe d'analyse y du pont de jauges, comme indiqué sur la figure 5b. Dans ce cas, il est prévu, suivant l'invention, d'utiliser, sur un corps d'épreuve circulaire, un pont comprenant 8, 16, 32 etc. jauges deux à deux opposées sur 2, 4, 8 etc. diamètres répartis angulairement de manière régulière, de façon à annuler électriquement (par l'effet des jauges opposées) tout défaut d'alignement (e, t ) de la force appliquée F par rapport aux axes z, y du capteur. Les figures 6a et 6b montrent le positionnement, sur un corps d'épreuve I circulaire comprenant une membrane 2, une couronne annulaire 3 et un pion central 4, de 4 x 4 = 16 jauges Jll, J21, J31, J41 et J12, J22, J32, J42 et J13, J23, J33, J43 et J14,J24, J34, J44 réparties sur quatre axes d'analyse 1, 2, 3, 4 et leur association électrique en pont. On reconnaît que les quatre premières jauges Jll à J14 sur chacun des quatre axes se trouvent dans un première branche, les deuxièmes jauges J21 à J24 dans une deuxième branche, les troisièmes jauges J31 à J34 dans une troisième branche et les quatrièmes jauges J41 à J44 dans la quatrième branche du pont. La figure 7a représente un corps d'épreuve circulaire monolithique réalisé dans son ensemble (membrane 2, couronne annulaire 3 et pion central 4) par usinage ou moulage. Le corps d'épreuve I circulaire suivant la figure 7b est formé de trois pièces séparées obtenues par usinage ou moulage, savoir une membrane circulaire 2a, une couronne annulaire 3a et un pion central 4a, les trois pièces étant assemblées par des procédés usuels pour donner, à l'état assemblé, l'équivalent du corps d'épreuve monolithique 1 selon la figure 7a. La figure 8 montre que la hauteur du pion central 4 est supérieur à la hauteur de la couronne annulaire 3, ce qui fait que lorsque le corps d'épreuve 1 est en appui par la couronne 3 sur une base plane 5, le pion 4 se trouve, au repos, à une distance e au-dessus de la base 5. Lors de l'application de la force F dans le sens d'une compression sur le pion central 4, ce dernier se rapproche de la base 5 pour venir finalement en butée mécanique sur cette dernière pour une force F prédéterminée entratnant une déformation prédéterminée de la membrane 2. Une augmentation ultérieure de force F n'entratne pas une déformation supplémentaire de la membrane 2, de sorte que ce corps d'épreuve permet une très grande possibilité de surcharge, uniquement limitée par la résistance à la compression du matériau constituant le pion central. La figure 9a représente un corps d'épreuve 11 symétrique, c'est -dire pouvant mesurer des forces de traction et de compression. Ce corps d'épreuve 1 comprend une membrane annulaire 12 entourée par une couronne annulaire 13 faisant saillie sur les deux faces de la membrane 12, et un pion central 14 s'étendant également sur les deux faces de la membrane 12, sur une hauteur inférieure à celle de la couronne 13. Selon la figure 9b, le corps d'épreuve 11 muni de quatre jauges disposées suivant un axe selon la figure 1 ou de 4n jauges disposées suivant n axes selon les figures 6a et 6b est monté dans un bottier 15 constitué de deux demi-coquilles cylindriques 15a et 15b assemblées par une série de boulons dont seuls les axes 16 sont représentés. Cela permet d'obtenir un dispositif de mesure de forces de traction-compression avec butée de limitation de surcharge en traction et en compression, la face 14a ou la face 14b du pion central 14 pouvant entrer en butée avec la demi-coquille 15a ou 15b du boitier 15. La figure lOa illustre un capteur susceptible d'être sollicité par une force de traction-compression F, avec un corps d'épreuve 21 monolithique subissant une déformation de flexion en S symétrique par rapport au point central d'inflexion. La partie déformable du corps d'épreuve 21 est une lame rectangulaire 22 encastrée entre deux pièces symétriques 23 et 24 indéformables. Selon la figure 10b, quatre jauges extensométriques sont disposées sur une même face de la lame 22, les deux jauges J1 et J3 étant disposées à proximité d'une extrémité de la lame 22 symétriquement de part et d'autre de la ligne médiane longitudinale de cette dernier, et les deux autres jauges J2 et J4 étant disposées de la même manière à proximité de l'autre extrémité de la lame 22. Pour pouvoir former les jauges J1 et J3 situées en dessous de la pièce d'encastrement 23, c'est-à-dire à un endroit non accessible, la pièce d'encastrement 23 comporte deux trous de passage 25 au-dessus des jauges J1 et J3, la taille des trous 25 étant suffisante pour permettre de déposer les jauges en couche épaisse à l'aide d'une microbuse. On reconnatt sur la figure 10a que l'autre pièce d'encastrement 24 comporte également deux trous de passage 26 pour que les deux autres jauges J2 et J4 puissent, en cas de besoin, être déposées en couche épaisse sur l'autre face de la lame 22. La figure 10c représente le montage électrique en pont des quatre jauges J1 à J4. Selon la figure 11 qui représente un corps d'épreuve 21a à déformation en double S analogue au corps 21 de la figure 10a, à cette différence près qu'il n'est pas monolithique, mais formé par assemblage d'une lame 22a et de deux pièces d'encastrement 23a et 24a, quatre jauges J1 à J4 sont disposées sur les deux faces de la lame 22a, à savoir deux jauges J1 et J2 sur une face 27 de la lame 22a, la première à proximité de la pièce d'encastrement 23a et la seconde à proximité de la pièce d'encastrement 24a, et deux jauges J3 et J4 sur la seconde face 28 de la lame 22a, la première à proximité de la pièce d'encastrement 24a et la seconde à proximité de la pièce d'encastrement 23a.Les quatre jauges J1 à J4 sont montées électriquement en pont de la manière visible sur la figure vioc. Des essais effectués sur des échantillons de corps d'épreuve tels que décrits ci-dessus et munis de jauges extensométrique réalisées suivant l'invention par dépôt en couche épaisse de pâte résistive à l'aide d'une microbuse à pression contrôlée montre que les jauges conformes à l'invention présentent un facteur de jauge GF de l'ordre de 14 et un coefficient TCR de l'ordre de 60 ppm/ C. Le coefficient TCGF est de l'ordre de 200 à 400 ppm/ C. La sensibilité du dispositif n'est que légèrement fonction de la résistance par carré de la couche épaisse constituant les jauges, comprise entre 10 k/0 et 100 k/o, la sensibilité diminuant plus fortement lorsque cette résistance atteint 1 kÇ; De manière typique, il est possible d'obtenir un signal de sortie de 5 mV/V pour un taux de travail de 300 microdéformations, sur un pont de quatre jauges actives. A ce niveau de contrainte, la résistance à la fatigue du capteur dans son ensemble est plus élevée que celle des capteurs équivalents à jauges collées. Elle est comprise entre au moins 107 et 108 cycles de déformations avant rupture. Les applications possibles du dispositif de mesure de déformation conforme à l'invention sont nombreuses et variées. Elles concernent notamment la mesure, le contrôle et le régulation de paramètres physiques dans les processus industriels, ou sur des machines destinées aux industries les plus diverses (industries chimiques, pétrochimiques, pharmaceutiques, médicales, agroalimentaires, etc.), dans la mesure où ces paramètres se traduisent par une déformation résultant de l'application d'une force, d'une pression, d'une accélération, ou de tout mouvement ou échauffement générateur de déformation. Pour le dépôt par microbuse de pâte résistive sur le corps d'épreuve, en vue de la réalisation des jauges conformes à l'invention, il est possible de faire appel à des machines connues utilisées jusqu a présent pour les dépits en couche épaisse pour la réalisation de prototypes de circuits hybrides. A titre d'exemple, les machines suivantes conviennent particulièrement dans le cadre de l'invention. Machine modèle 400 de la Société MICROPEN Business Park, 3800 Monroe Avenue PITTSFORD, N.Y. 14 434, USA. Machine modele GRAPRO de la Société PRECIMECA 18, rue d'Arras 92000 NANTERRE France. I1 y a lieu de noter que ce dépôt en couche épaisse peut se faire sous basse pression contrôlée (dépôt ou "écriture" en couche épaisse) ou sous haute pression contrôlée (projection ou "spray"). REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de déformation à jauges extensométriques comprenant un corps d'épreuve déformable sur lequel s'exerce une grandeur physique dont l'effet engendre une déformation du corps d'épreuve, et au moins une jauge extensométrique disposée sur ledit corps, jauge dont la résistance électrique subit une variation sous l'effet de la déformation du corps d'épreuve, caractérisé par le fait que la ou chaque jauge (J) est formée par application directe en couche épaisse de pâte résistive au moyen d'une microbuse sous pression contrôlée sur un corps d'épreuve (1, 11, 21) isolant au moins en surface. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve est constitué par une céramique à base d'oxyde de zirconium, magnésium, aluminium, silicium, titane, nitrure de silicium. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les jauges sont constituées d'une pâte résistive contenant un ou plusieurs des éléments bismuth, -titane, ruthénium, plomb, iridium, or, palladium, platine ou leurs alliages. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les jauges sont appliquées sur des parties en creux ou des parties d'accès difficile du corps d'épreuve. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve comprend une membrane annulaire (2) encastrée entre une couronne extérieure (3) et un pion central (4) et que quatre jauges extensométriques (J1, J2, J3, J4) montées dans les quatre branches d'un pont sont disposées sur un même diamètre sur la membrane. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que 4 n jauges extensométriques montées dans un meme pont sont disposées sur n diamètres. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que la hauteur du pion central (4) est inférieure à la hauteur de la couronne (3) d'une valeur telle que le pion central, tout en autorisant le débattement nécessaire à la mesure, serve également de butée de limitation de surcharge. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (11) comporte une couronne annulaire (13) et un pion central (14) sur les deux faces de la membrane (12). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (21) comprend une lame rectangulaire (22) encastrée à ses deux extrémités et subissant une déformation en S symétrique par rapport au point central d'inflexion de la lame, quatre jauges extensométriques (J1, J2, J3, J4) montées dans les quatre branches d'un pont étant disposées sur une face ou sur les deux faces de la lame, à proximité des encastrements de cette dernière.