J E u r o p â i s c h e s European Patent Office
Office européen des brevets © Numéro de publication : 0 547 948 A 1
.12! DEMANDE DE BREVET E U R O P E E N
@ Numéro de dépôt : 92403377.2 @ Int. Cl.5 : G01 B 7/18, G01 B 7/20, G01L 1/22
@ Date de dépôt: 11.12.92
(30) Priorite : 17.12.91 FR 9115640 @ Inventeur: Bureau, Jean-Marc THOMSON-CSF, SCPI, BP 329 F-92402 Courbevoie Cedex (FR) (43) Date de publication de la demande : Inventeur : Coussot, Gerard
23.06.93 Bulletin 93/25 THOMSON-CSF, SCPI, BP 329
F-92402 Courbevoie Cedex (FR) (S) Etats contractants designes :
DE GB IT (74) Mandataire : Guerin, Michel et al
THOMSON-CSF, SCPI, B.P. 329, 50, rue Jean-Pierre Timbaud
(g) Demandeur : THOMSON-CSF F-92402 Courbevoie Cedex (FR)
51, Esplanade du General de Gaulle F-92800 Puteaux (FR)
(S) Capteur mécanique comprenant un film de polymère.
(57) La présente invention propose un capteur mécanique utilisant un film de polymère dont la partie supérieure (A) est rendue conductrice, la partie inférieure (B) restant isolante. Sous l'ac- tion d'une contrainte, le capteur mécanique selon l'invention se déforme, générant une modulation de la résistance de la partie (A) permettant la mesure de la contrainte. Le poly- mère utilisé peut avantageusement être un poly-
mère thermostable. ,
Application : Capteur pour l'automobile, l'in- /S
dustrie, le médical ... U
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La présente invention concerne un capteur mé- canique utilisant un film de polymère, ce capteur per- mettant de mesurer des contraintes telles que des dé- placements, des déformations ou des pressions.
A l'heure actuelle, des domaines aussi variés que l'automobile, l'industrie, le médical ou le domestique nécessitent le contrôle de contraintes variées qui peu- vent s'exercer sur différentes pièces ou différents or- ganes.
Pour la réalisation de capteurs mécaniques, une des techniques les plus employées est l'utilisation d'un corps conducteur élastique, en contact avec l'ob- jet de mesure. Le déplacement ou la déformation de l'objet ou la contrainte que cet objet exerce sur le cap- teur mécanique engendrent la déformation du conducteur et provoquent une modulation de sa résis- tance.
Ainsi il existe déjà des capteurs mécaniques uti- lisant des films de polymère dont les propriétés iso- lantes et mécaniques (souplesse, élasticité) permet- tent de disposer d'un matériau isolant en couche min- ce facile à intégrer à un objet dont on veut mesurer la déformation (allongement, courbure... ), ce matériau étant capable de suivre des déformations importan- tes. Ces films de polymère sont recouverts d'une cou- che mince métallique qui constitue l'élément sensible à la contrainte.
Pour éviter les problèmes de vieillissement tels que l'oxydation, un métal noble est généralement em- ployé (par exemple l'or) cependant l'adhérence d'un métal noble sur un polymère est difficile à obtenir et la différence de propriétés mécaniques entre le poly- mère et la couche métallique (module d'élasticité, coefficient de dilatation thermique) provoquent des phénomènes de fatigue prématurés et conduisent à une dérive de la réponse du capteur en fonction de la température. De plus, l'élasticité du capteur mécani- que et donc son domaine de réversibilité sont limités par le métal.
Pour pallier ces différents inconvénients, la pré- sente invention propose un capteur mécanique utili- sant un film de polymère dont la partie supérieure (A) est rendue conductrice, le reste du film de polymère constituant une seconde partie isolante référencée (B). Plus précisément, l'invention a pour objet un cap- teur mécanique permettant par sa propre déforma- tion de mesurer le déplacement ou la déformation d'un objet ou la contrainte qu'il exerce. Ce capteur est caractérisé en ce qu'il comprend un film de polymère dont la partie supérieure (A) est rendue conductrice, la partie (B) inférieure étant isolante, la résistance de ladite partie (A) étant modulée par la déformation du capteur. De préférence, la partie supérieure (A) comprend des motifs conducteurs linéaires alignés dans l'axe de la déformation du capteur et mis en sé- rie de manière à augmenter la sensibilité du capteur.
Le polymère utilisé est de préférence un polymè- re thermostable pouvant être un polyimide ou un po-
lyphénylquinoxaline ou bien un polysulfure de phény- lène.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation de capteur mécanique utilisant un film de 5 polymère caractérisé en ce qu'il comprend l'irradia- tion par un faisceau d'ions d'une surface du film de manière à définir une partie supérieure (A) conductri- ce, la partie inférieure (B) restant isolante. L'irradia- tion par un faisceau d'ions peut être effectuée au tra- 10 vers d'un masque afin de définir des motifs conduc- teurs linéaires alignés dans l'axe de la déformation du capteur. Ces motifs conducteurs peuvent également être obtenus en gravant, par gravure ionique réactive ou par photoablation grâce à un laser excimère, la 15 partie (A) préalablement irradiée.
Dans le procédé selon l'invention, le polymère employé peut avantageusement être un polyimide et l'irradiation ionique peut être générée par un faisceau d'ions N2+ d'énergie voisine de 150 keV.
20 L'invention sera mieux comprise et d'autres avan- tages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 montre un schéma de capteur mé- canique selon l'invention, se déformant en 25 flexion ;
- la figure 2 illustre l'évolution de la résistivité en fonction de la dose d'irradiation ionique pour plusieurs polymères thermostables [(1) Polyi- mide, (2) Polyphénylquinoxaline] ;
30 - la figure 3 montre le comportement de la résis- tance de surface d'un polymère thermostable irradié, en fonction de la température ; - la figure 4 illustre la courbe de réponse d'un
capteur mécanique selon l'invention, en fonc- 35 tion de l'angle de flexion du film.
Le capteur mécanique selon l'invention fonction- ne sur le principe de la modulation de la résistance de la couche irradiée au cours de la déformation.
Le capteur mécanique illustré à la figure 1 peut 40 être utilisé pour mesurer la flexion d'un objet (par exemple dans le domaine médical : la flexion d'un membre). Le capteur étant fixé à l'objet, il suit la flexion de cet objet et l'on démontre que si la partie conductrice (A) est sur la face convexe du film, la va- 45 riation de résistance AR de ladite partie est donnée
par la formule suivante : AR = KRoG
Ro où est la résistance de la partie (A) lorsque le film 50 n'est pas fléchi.
K est une constante dépendant de la géométrie de la jauge.
9 est l'angle de flexion exprimé en degrés.
La variation de résistance AR dépend donc uni- 55 quement de l'angle 9 mesurant la flexion. Le capteur mécanique selon l'invention est capable d'enregistrer de forts déplacements angulaires et n'est pas limité par des problèmes d'élasticité de la couche conduc- 2
trice tels que ceux rencontrés dans l'art antérieur ; en effet la partie conductrice (A) est intégrée au polymè- re et conserve ses propriétés mécaniques qui confè- rent au capteur selon l'invention un avantage impor- tant permettant de disposer d'un capteur en couche 5 mince facilement intégrable. Le capteur selon l'inven- tion est préférentiellement constitué d'un film polymè- re rendu plus conducteur par irradiation par faisceau d'ions et l'intérêt de l'utilisation d'un polymère irradié en surface pour la réalisation de capteur mécanique 10 réside principalement dans les propriétés physicochi- miques de la structure partie conductrice (A)/partie isolante (B) ainsi obtenue. En effet, la couche irradiée est intimement liée à la partie (B) par l'intermédiaire d'une interface graduelle et la surface irradiée est 15 chimiquement inerte et insensible à la corrosion.
Par ailleurs, des techniques telles que l'irradia- tion par faisceau d'ions permettent sur des films de polymère de réduire notablement les résistances pour constituer un capteur suffisamment sensible. 20
En effet, lors des mesures classiques de résis- tance, on détecte un courant qui permet de détermi- ner avec d'autant plus de précision la valeur de la ré- sistance que celle-ci est faible. Dans le capteur mé- canique selon l'invention, la partie supérieure (A) du 25 polymère peut être traitée par irradiation grâce à un faisceau d'ions de forte énergie. La figure 2 illustre à cet égard, le comportement de la résistivité de deux polymères thermostables en fonction de la fluence (correspondant au nombre d'ions bombardés par 30 cm2). Non traités, le polyimide et le polyphénylqui- noxaline présentent des résistivités d'isolant, lorsque l'énergie apportée par les ions est suffisamment in- tense grâce à des polymères de ce type on est capa- ble d'obtenir des films de polymères conducteurs en 35 surface avec des résistances surfaciques de l'ordre de 1 00 à 1 0 000 ohms par cm2. La profondeur de pé- nétration des ions peut typiquement être de l'ordre du micron sur un film dont l'épaisseur totale est de l'ordre de 100 à 200 microns. Pour cela, le faisceau d'ions 40 peut typiquement être un faisceau d'ions N2+ d'éner- gie voisine de 150 keV.
D'autre part, certains capteurs doivent pouvoir subir des températures élevées (mesure de parties chaudes, stérilisation pour le médical...). 45
En utilisant avantageusement un polymère ther- mostable dont le comportement en température est particulièrement stable le capteur selon l'invention peut répondre à de tels impératifs. Il peut s'agir de po- lyimides, de polyamide imides, de polybenzimidazo- 50 les ou bien encore de polysulfure de phénylène. La fi- gure 3 illustre l'évolution de la résistance surfacique en fonction de la température pour un polyimide irra- dié et témoigne de la bonne stabilité du polymère
thermostable après irradiation. 55
Pour augmenter la sensibilité du capteur proposé dans la présente invention, il est possible de définir des motifs conducteurs au niveau de la partie (A). Ces
motifs peuvent être des motifs linéaires alignés dans l'axe de la déformation du capteur et mis en série de manière à amplifier la réponse du capteur et donc sa sensibilité.
Pour définir ces motifs, on peut irradier la partie supérieure (A) au travers d'un masque ou bien utiliser un faisceau d'ions focalisé. Il est également possible de réaliser ces motifs sur une partie (A) irradiée du polymère, par gravure ultérieure. Pour cela on peut avoir recours à la gravure ionique réactive ou à la gra- vure par laser excimère au travers d'un masque préa- lablement réalisé par les techniques classiques utili- sant des résines de masquage.
Le capteur mécanique peut également être utilisé pour mesurer des variations de pression. Pour ce(a (es extrémités du film de polymère peuvent être fixées sur l'ouverture d'une enceinte dans laquelle on cherche à évaluer des variations de pression qui se traduisent alors par des déformations d'autant plus importantes que le module d'élasticité du matériau utilisé est faible. Ainsi, lorsqu'une pression est exer- cée sur un film de polymère de faible module d'élas- ticité, la déformation significative qui résulte de la contrainte exercée sur le film et qui est donc repré- sentative de cette pression, se traduit par une varia- tion de la résistance de la partie conductrice (A) du film, aisément détectable.
Pour illustrer le type de réponse qu'est suscepti- ble de fournir un capteur mécanique selon l'invention, un film de polyimide KAPTON irradié par un faisceau d'ions N2+ d'énergie 1 70 keV (pour une fluence de 2,5 1016 ions/cm2), présentant une surface de 5 mm sur 20 mm et une épaisseur de 250 a été soumis à dif- férentes contraintes de flexion. La réponse d'un tel film est illustrée à la figure 4 et valide d'emploi de ma- tériaux polymères rendus superficiellement conduc- teurs pour mesurer des déformations angulaires.
Revendications
1 . Capteur mécanique permettant par sa propre dé- formation de mesurer le déplacement ou la défor- mation d'un objet ou la contrainte qu'il exerce, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un film de polymè- re dont la partie supérieure (A) est rendue conductrice, la partie (B) inférieure étant isolante, la résistance de ladite partie (A) étant modulée par la déformation du capteur.
2. Capteur mécanique selon la revendication 1 , ca- ractérisé en ce que la partie supérieure (A) comprend des motifs linéaires alignés dans l'axe de la déformation du capteur et mis en série de manière à augmenter la sensibilité du capteur.
3. Capteur mécanique selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que la déformation
10 du film permet de mesurer une pression s'exer- çant sur la partie (B) concave du film.
Capteur mécanique selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le polymère est un polymère thermostable.
Capteur mécanique selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que le polymère est un polyimide.
Capteur mécanique selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que le polymère est un polyphé- nylquinoxaline.
7. Capteur mécanique selon la revendication 4, ca- 15 ractérisé en ce que le polymère est un polysulfure de phénylène.
8. Procédé de réalisation de capteur mécanique uti- lisant un film de polymère, caractérisé en ce qu'il 20 comprend l'irradiation par un faisceau d'ions de la surface du film de manière à définir une partie supérieure (A) conductrice, la partie inférieure (B) dudit film restant isolante.
9. Procédé de réalisation de capteur mécanique se- 25 lon la revendication 8, caractérisé en ce que l'irra- diation par un faisceau d'ions est effectuée au travers d'un masque de manière à définir des mo-
tifs conducteurs. 30
10. Procédé de réalisation de capteur de contrainte selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend la gravure locale de la surface (A) irra-
diée par un faisceau d'ions. 35
11. Procédé de réalisation de capteur mécanique se- lon la revendication 10, caractérisé en ce que la gravure est effectuée par gravure ionique réacti-
ve. 40
12. Procédé de réalisation de capteur mécanique se- lon la revendication 10, caractérisé en ce que la gravure est effectuée par photoablation grâce à
un laser excimère. 45
13. Procédé de réalisation de capteur mécanique se- lon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le polymère est un polyimide.
14. Procédé de réalisation de capteur mécanique se- 50 lon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que l'irradiation provient d'un faisceau d'ions N2+ d'énergie comprise entre 150 et 200
keV. 55
4
I
i^-rz 1 1 -
1015 1016 1017 d o s e
(nbre ions/cm2)
300 4
250
200 4
150 4
100
Résistance de s u r f a c e f ( f t / c m 2 )
F I G . 3
T e m p é r a t u r e ( ° C )
100 200 300 £00
30
20 +
1 0 4 _R_
Ro
F I G . 4
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Angle de flexion ( d e g r é s )
6
à des brevets ice européen ^ p ^ ^ D£ RECHERCHE EUROPEENNE Nun,ero de " demïlM'e EP 92 40 3377 Page 1
DOCUMENTS CONSIDERES COMME PERTINENTS
Catégoi Citation du document avec indication, en cas de besoin, des parties pertinentes Revendication! CI .AS S EMENT DE LA DEMANDE (Int. CI.5 ) EP-A-0 065 419 (COLVERN LTD)
* le document en entier * US-A-4 199 650 (M. J .MIRTICH)
* colonne 1, ligne 10 - colonne 3, ligne 58; revendications 1-8; tableau 1 * EP-A-0 451 636 (HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK GMBH)
* le document en entier *
EP-A-0 087 665 (TOKYO ELECTRIC CO LTD)
* page 5, ligne 9 - page 7, ligne 7 *
* page 10, ligne 11 - ligne 30;
revendications 1,2,11; figures 4,5 * THIN SOLID FILMS.
vol. 182, no. 1, 20 Décembre 1989, LAUSANNE CH
pages 333 - 344
E.KAGERER ; M.E.KÔNIGER 1 ION BEAM SPUTTER DEPOSITION 0F THIN FILM SENSORS FOR APPLICATIONS IN HIGHLY L0ADED CONTACTS1
* le document en entier * PATENT ABSTRACTS 0F JAPAN
vol. 015, no. 273 (E-1088)ll Juillet 1991
& JP-A-3 093 201 ( SUMIT0M0 ELECTRIC IND LTD ) 18 Avril 1991
* abrégé *
- / - -
Le présent rapport a été établi pour toutes les revendications
1-5, 8-10, 12-14 1-5, 8-10, 12-14
1 , 2 , 4 , 5 , 7,8,10, 13 1 , 4 , 5 , 8 , 13
1-3, 3-11,14
G01B7/18 G01B7/20 G01L1/22
DOMAINES TECHNIQUES RECHERCHES flnt. ci.S ) G01B
G01L
L,8
un oc ia nomnm
LA HAYE i) aie acMvemeai de la recherche
19 MARS 1993 Exaniaatew
BROCK T.J.
CATEGORIE DES DOCUMENTS CITES X : particulièrement pertinent a lui seul
Y : particulièrement pertinent en combinaison avec un autre document de la même catégorie A : arrière-plan technologique
O : divulgation non-ecrite P : document intercalaire
T : théorie ou principe à la base de l'invention E : document de brevet antérieur, mais publié a la date de dépôt ou après cette date D : cité dans la demande
L : cité pour d'autres raisons
& : membre de la même famille, document correspondant r
à Office européen
des brevets RAPPORT DE RECHERCHE EUROPEENNE Numéro de la demande EP 92 40 3377 Page 2
DOCUMENTS CONSIDERES COMME PERTINENTS Catégorie Citation du document avec indication, en cas de besoin,
des parties pertinentes Revendication! concernée EP-A-0 321 255 (MEDEX INC)
* le document en entier *
CLASSEMENT DE LA DEMANDE (Int. Cl.S ) 1 , 4 , 5 , 7 ,
8
DOMAINES TECHNIQUES RECHERCHES (Int. Cl. 5 )
Le présent rapport a été établi pour toutes les revendications Um it la recherche
LA HAYE Date cT achèvera»! de la recherche
19 MARS 1993 BROCK T.J.
CATEGORIE DES DOCUMENTS CITES X : particulièrement pertinent a lui seul Y : particulièrement pertinent en combinaison avec un autre document de la même catégorie A : arrière-plan technologique
O : divulgation non-écrite P : document intercalaire
T : théorie ou principe i la base de l'invention F, : document de brevet antérieur, mais publié a la
date de dépôt ou après cette date D : cité dans la demande
L : cité pour d'autres raisons
& : membre de la même famille, document correspondant 8
