PIEZOMETRIC AND THERMOMETRIC DEVICE PERMITTING PRESSURE AND TEMPERATURE MEASUREMENTS ACCORDING TO A MATRIX

Abstract: 1. Matrix device for measuring a pressure distribution on any plane or non-plane surface, comprising pressure-sensitive elements, consisting of a deformable conductor (C i , j ) placed between two layers of conductors (A1 , A2 ... Ai ... An ; B1 , B2 ... Bj ... Bm ) carried by two parallel surfaces (SIGMA A ; SIGMA B ) on which the pressure to be measured is exerted, in such a manner that it is connected via a diode in series to a first point of the first layer of conductors (A1 , A2 ... Ai ... An ) and to a second point of the second layer of conductors (B1 , B2 ... Bj ... Bm ), and that the current which passes through it with a direction substantially perpendicular to these two parallel surfaces (SIGMA A ; SIGMA B ) is used, in relation to the voltage applied to the circuit, to measure the resistance of the pressure-sensitive element consisting of the said deformable conductor (C i , j ) and consequently the pressure applied to this same element ; and in that the sequence of measurement of the pressure at the various points of the pressure-sensitive element consisting of the said deformable conductor (C i , j ) is performed by means of electronic switches (C Ai ; C Bi ), using, for example, MOS technology and which are controlled by multiplexing, in such a manner that all the pressure-sensitive elements constituted by the said deformable conductor (C i , j ) are alternately connected to the terminals of a power supply (2), with, in series, a resistor (3) which permits the measurement of the current passed through ; characterized in that these pressure-sensitive elements are piezoresistive elements, in that the said diode is a Zener diode, and in that there is added to the piezoresistive network another network, but this time comprising thermoresistive elements, operating in a similar manner but using as sensitive element (D i , j ) thermistors or any other temperature-sensitive resistive element, which permits the correction of the pressure measurement for the effects of temperature.

Description: La présente invention concerne tous les appareillages (médicaux, peau artificielle, etc...), où 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 électriques utilisant des variations de capacité par écrasement d'un 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, 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 Ci j (voir figure 1) est constitué en un matériau conducteur qui est à la fois déformable et élastique. On conviendra de l'appeler élastomère conducteur. Il est placé à l'intersection de deux fils conducteurs Ai et Bj appartenants respectivement à des réseaux A1 Au... Ai... Ph et B1, B2... B.... Bm, rectangulaires entre eux et placés sur des surfaces SA ou J parallèles entre elles. La déformation de Ci 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 SA ou EB 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 CAi et CBj, > 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'en semble des éléments du circuit existe dans le commerce sous forme de circuits intégrés. - L'élément piézorésistif Ci j qui est traversé par un courant perpendi culaire à #A ou l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation dont le role 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'in##ntion, on utilise un élément thermosensitif Di j associé à l'élément piézorésistif Ci 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 B1, B2... Bj...Bm qui Teste commun aux deux mesures, et un nouveau réseau A'1, A'z... A'i... A'n équipé de commutateurs CA,1, CA'2...CA,i...CA,n 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 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 Ci,j, par un tore de ferrite 4 présentant un cycle rectangulaire. On modifie les commutateurs pour qu'ils permettent d'alimenter le transformateur que constitue le tore de ferrite 4 placé à L'intersection de Aiet de 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 +). i J Cosse le montre la figure 3, les conducteurs Ai et Bj passent au travers du tore de ferrite; 4. Ils constituent ainsi un double primaire. L'élémentpiézorésistif Cij 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 4 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 4 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'alimentation, 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 titre indicatif et nullement limitative. Le tore 4 est traversé par les conducteurs Ai et B.. Lorsque les parois 6 et 7 de la capsule qui emprisonne le liquide conducteur se rapprochent, elles chassent le liquide et étranglent les lignes de courant 5, d'où une augmentation de la résistance. Le liquide conducteur peut être un électrolyte, un métal liquide, ou une suspension colloïdale quelconque. L'invention peut être appliquée à la mesure des pressions exercées sur le corps humain pour différents traitements médicaux : prothèses, alitement, etc... Elle peut également être utilisée en robotique comme peau artificielle pour la détection tactile et thermique.

Claims: REVENDICATIONS 1 - Dispositif matriciel pour la mesure d'une distribution de pression sur une surface quelconque (plane ou non), caractérisé en ce que l'élément plEzo- sensible est un conducteur déformable Ci j, placé entre deux nappes de conducteurs A1, A2... Ai... A et B1, B2... Bj... Bm portées par deux surfaces parallèles SA et 5B sur lesquelles s'exerce la pression à mesurer de telle sorte qu'il soit relié, par l'intermédiaire d'une diode zéner série à A. et B. et que le courant qui le traverse avec une direction 1 3 sensiblement perpendiculaire à 5A et SB soit utilisé, en relation avec la tension appliquée au circuit, pour mesurer la résistance de l'élément C. et par suite la pression appliquée sur ce meme élément. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézorésistif Ci j est alimenté par un transformateur ayant un noyau à cycle rectangulaire, dont le primaire est constitué par les conducteurs Ai et B. convenablement alimentés par des impulsions rectangulaires i 3 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 constitué par l'élément piézorésistif dont la résistance est mesurée par le courant débité dans le circuit Ai, Bj au moment du basculement de l'aimantation du 3 noyau et dont la valeur permet d'obtenir la pression exercée au point de coordonnée C. 3 - Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sequence de mesure de la pression aux différents points C. j est réalisée par des interrupteurs électroniques CAi et CRi, utilisant par exemple la technologie MOS 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,j des thermistances ou tout élément résistif sensible à la température, ce qui permet de corriger la mesure de pression des effets de la température. 5 - Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé à des fins médicales consistant en l'analyse des pressions et des températures présentes au contact d'un corps humain. B 8436 BL 6 - Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il 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'élément piézoresistif est constitué par un élastomère conducteur. 8 - Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément piézorésistif est constitué d'un liquide conducteur placé dans une envelopp± élastique. 9 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur à tore de ferrite est constitué par un liquide conducteur dans lequel ledit tore est immergé.

Inventors: DIDIER, JEAN-PIERRE, ROCHE, MICHEL
Applicants: DIDIER, JEAN-PIERRE, ROCHE, MICHEL
Application year: 1984
Main classification: G01L1
IPC codes: G01L1, G01L19