L’état de l’art réalisé permet d’apprécier les différentes solutions existantes pour la mesure de surpression aérienne. Les technologies de type capacitif, piézoélectrique, pié-zorésistif et optique vont être analysées.
1.4.1 Les capteurs de pression piézorésistifs
Les capteurs à jauge de déformation fonctionnent sur la mesure directe de la défor-mation d’un corps d’épreuve induite par la variation de pression. Le dispositif repose sur l’allongement ou la compression longitudinale de films fins ou de fils selon un effet résis-tostrictif permettant de mesurer la déformation d’un élément de surface d’un solide. De manière semblable, de telles jauges peuvent être insérées entre une ou plusieurs couches de substrat (jauges diffusées) générant sur l’élément sensible un effet de contrainte pro-portionnel à la déformation de la structure si l’on reste dans des conditions de petites
déformations c’est-à-dire dans le cadre de l’élasticité linéaire [21] Les jauges
piézorésis-tives sont généralement montées au sein d’un pont de Wheatstone permettant la mesure de variation de résistance de la jauge par récupération d’une tension de déséquilibre du pont. Les caractéristiques de mesures de la jauge sont estimées par le facteur de jauge (liée à la sensibilité du matériau constituant la jauge) et les coefficients thermiques et de
résistance de la jauge [21,32]. Des récents travaux ont pour objectifs d’optimiser ce type
de capteur afin d’espérer des fréquences de résonances environ dix fois plus importantes que celle des capteurs commerciaux actuel. L’optimisation de ce type de capteur passe par la miniaturisation de l’épaisseur de la membrane de silicium et des jauges
piézorésis-tives [32].
1.4.2 Les capteurs de pression optique
La nécessité de développer des capteurs membranaires de dimensions micrométriques pose également le problème de la lecture de la déformation des diaphragmes en silicium. L’exceptionnelle résolution des instruments optiques (nanométriques) a permis le déve-loppement de capteurs de pression à haute réponse fréquentielle par interrogation
op-tique via une fibre opop-tique [41]. Le principe de la méthode repose sur l’utilisation d’un
interféromètre de Fabry-Pérot représenté sur la Figure 1.25 qui inclut une cavité
déli-mitée par deux membranes semi-réfléchissantes dont une est utilisée en tant que corps d’épreuve. Une onde lumineuse incidente, issue typiquement d’une diode laser, est ré-fléchie par deux fois sur les miroirs cavitaires puis transmise à un photo-détecteur. Les signaux interférant en sortie génèrent une figure d’interférence dont le positionnement du spectre dépend intrinsèquement de la phase elle-même reliée à la longueur d’onde
de l’onde réfléchie et à la profondeur de la cavité [28,42]. La plupart des procédés créent
une cavité sur la fibre en dioxyde de silicium (SiO2) ou silicium (Si) qui est ensuite atta-chée thermiquement sur le dessus de la cavité. Ainsi, avec une fréquence de résonance de la structure de 4 MHz, le temps de monté de ces capteurs a été mesuré à une centaine de nanosecondes lors d’expérimentation avec des ondes de souffle. Afin de mesurer la propagation de l’onde de choc dans un cerveau, une équipe de recherche a développé un capteur optique à cavité Fabry-Pérot miniature avec une fréquence de résonance de la
FIGURE1.25 – Schéma de principe d’un système de mesure à base d’une cavité Fabry-Pérot [19]
Les études les plus récentes portant sur les capteurs optiques sont listées dans le
Ta-leau1.6.Les capteurs optiques de type Fabrit Perot présentent des temps de réponse de
l’ordre de la microseconde pour des pressions de l’ordre de la dizaine de bar.
TABLEAU1.6 – Caractéristiques des capteurs optiques à cavité Fabry-Pérot de la littérature
1.4.3 Les capteurs de pression piézoélectrique
Une structure classique comprend un élément piézo-électrique mono-cristallin mas-sif et hautement rigide tel que le quartz ou la tourmaline. La nature de l’effet piézo-électrique confère à ces capteurs un caractère dynamique exclusif nécessaire à l’enregistrement d’un pic de surpression mais peu sensible aux sollicitations à basse fréquence. Le fonctionne-ment du capteur est basé sur la compression mécanique d’un éléfonctionne-ment sensible selon son
épaisseur [13]. Les éléments massifs tels que le quartz où les céramiques se présentent
sous la forme de disques circulaires dont l’épaisseur est parfois du même ordre de gran-deur que le diamètre. L’élément cristallin est soumis directement à la pression ou alors simplement surmonté par une membrane protectrice métallique ou isolante. L’ensemble est précontraint par intégration dans un système en étau renforcé sur la face arrière de l’élément par un support rigide et, est utilisé en mode capacitif grâce à la mesure de la
va-riation des charges électriques induites en surface par la vava-riation de contrainte [16,38]. La bande passante de ces capteurs est limitée actuellement à quelques MHz. La réduction en termes de dimension des membranes piézoélectriques pose également le problème de la diminution des charges produites et de la nécessité d’y implanter des amplificateurs de charge intégrés. Également sont régulièrement inclus d’autres mécanismes destinés à compenser l’accélération (masse supplémentaire par désadaptation d’impédance) ainsi qu’un boîtier protecteur.
FIGURE1.26 – Vue en coupe d’un capteur développé par la société PCB [38]
1.4.4 Les capteurs de pression capacitif
Les capteurs dynamiques de pression utilisent l’effet capacitif de l’élément sensible. Dans un premier cas, le modèle le plus simple consiste en un capteur à cavité composé d’un diaphragme conducteur ou substrat souple métallisé (type silicium) constituant l’une des deux armatures d’un condensateur séparé par un milieu diélectrique. Si le diélec-trique choisi est l’air et pour un système planaire, la capacité étant inversement propor-tionnelle à l’espace entre les armatures, la déflexion membranaire peut être reliée à la
va-riation de capacité de la structure pour être alors intégrée à une chaîne de mesure [7]. En
revanche ce type de capteur comporte généralement une bande passante limité (<1kHz)
et, est plus adapté à la mesure de pression statique ou présentant des variation lente [7].
1.4.5 Capteurs du commerce
Les capteurs de pression du commerce pour la mesure de suppression aérienne en environnement extrême sont généralement des capteurs de pression piézoélectriques ou piézorésistifs. Le fabricant PCB et Kistler ont développé tout un ensemble de capteurs spécialement optimisés pour la mesure de suppression lors d’expérimentation de
déto-nique. Le Tableau1.7compare les performances annoncées par les constructeurs.
L’avantage du capteur Kulite XTEH et ENDVECO 8540 de technologie piézorésistif est de pouvoir mesurer des signaux de pression continue. Les capteurs KISTLER 211B et PCB 113 sont des capteurs couramment utilisés pour la mesure de signaux de pression dyna-miques. Cependant ils ne peuvent pas mesurer des signaux continus. Leurs fréquences de
résonances se situent entre 500 KHz et 1,5 MHz. Pour la mesure de pression ultra rapide, les capteurs MULLER M60 et PCB 113A24 sont ceux qui ont les fréquences de résonances les plus élevées. Cependant il ont des fréquences de coupure basses relativement élevées qui les rendent non appropriés pour la mesure de signaux dans les basses fréquences. Par ailleurs, pour les capteurs piézoélectriques un conditionneur (intégré ou non) doit être prévu afin de fournir un signal de mesure.
TABLEAU1.7 – Caractéristique des capteurs du commerce utilisés pour la mesure de surpression
dynamique
1.4.6 Conclusion
La littérature sur le développement de nouveaux capteurs de surpression aérienne pour la détonique est peu très développée. Les derniers travaux sur des capteurs à mem-brane et à détection optique montrent des fréquence de résonance limitées à 4 Mz. La plupart des capteurs commerciaux dédiés à ces applications sont de type piézoélectriques avec des fréquences de résonances inférieures à 3 MHz.