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WO2024213465A1 - Dispositif piezoelectrique flexible de mesure de deformation, unidirectionnel, bidirectionel ou omnidirectionnel - Google Patents

Dispositif piezoelectrique flexible de mesure de deformation, unidirectionnel, bidirectionel ou omnidirectionnel Download PDF

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Publication number
WO2024213465A1
WO2024213465A1 PCT/EP2024/059205 EP2024059205W WO2024213465A1 WO 2024213465 A1 WO2024213465 A1 WO 2024213465A1 EP 2024059205 W EP2024059205 W EP 2024059205W WO 2024213465 A1 WO2024213465 A1 WO 2024213465A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sens
piezoelectric
piezo
thin
deformation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/059205
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas LORNE
Emil GARNELL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wormsensing SAS
Original Assignee
Wormsensing SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wormsensing SAS filed Critical Wormsensing SAS
Publication of WO2024213465A1 publication Critical patent/WO2024213465A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials

Definitions

  • the invention relates to deformation sensors based on a piezoelectric measuring element, i.e. using the piezoelectric behavior of a material to transform into an electrical signal a deformation that it undergoes under the effect of external forces, for example when it is stuck to a surface and the latter deforms.
  • Strain sensors are used to estimate the surface deformation undergone by an element of any mechanical system when it is subjected to external forces (force and moments of force applied to it by external elements), in a wide range of applications: aerospace, machine tools, transport, hydrocarbon industry, food or even chemistry.
  • the first technology is based on resistive strain gauges.
  • This type of gauge includes an electrically conductive element, with a geometry giving it different sensitivities depending on the orientation of a strain imposed on it, which is referred to as its directivity. represents such a conductive element CE.
  • the arrows indicated SA for "sensitive axis" and TA for "transverse axis” indicate respectively an axis of maximum sensitivity and an axis of minimum sensitivity, the second being perpendicular to the first. In practice, the axis of maximum sensitivity is aligned with the expected direction of the deformation to be characterized. Resistive gauges have good directivity, but suffer from low sensitivity and need to be electrically powered to operate.
  • the second technology is based on piezoelectric sensors, which are generally more sensitive but also less directional than resistive gauges.
  • This type of sensor includes a so-called “piezoelectric” element, which generates, by piezoelectric effect, the appearance of electrical charges on its faces under the effect of a constraint applied to it.
  • piezoelectric piezoelectric element
  • a first type corresponds to a deformation sensor comprising a rigid housing HOUS housing a crystal Q such as a piezoelectric quartz crystal, as illustrated by the DynSens sensor of the which represents in A) a cross-sectional view and in B) a top view of the sensor.
  • the rigid housing has the function of limiting the amplitude of deformation of the crystal which, being relatively thick, cannot withstand excessive deformations without breaking.
  • the crystal is secured to a wall of the housing intended to be fixed to a flat and smooth surface by gluing using a high-rigidity adhesive.
  • the housing can also house an amplifier AMP connected to the crystal and to the outside by means of electrical connection wires CAB.
  • the axes TA and SA are defined in the same way as for the resistive gauge of the .
  • An application example is given by Fabio LM dos Santos et al., in “THE USE OF DYNAMIC STRAIN SENSORS AND MEASUREMENTS ON THE GROUND VIBRATION TESTING OF AN F-16 AIRCRAF”, International Forum on Aeroelasticity and Stuctural Dynamics, IFASD 2015-122.
  • a second type is that of piezoelectric surface deformation sensors.
  • the first advantage of these sensors is that they are passive, and therefore do not require an electrical supply.
  • Such sensors comprise a piezoelectric element, generally a quartz crystal, and a rigid and relatively bulky mechanical structure limiting the deformation of the piezoelectric element to a single direction. These sensors are generally fixed to a flat surface by screwing, as described for example in patent document US 4,314,481 A.
  • the use of a rigid and relatively bulky mechanical structure requiring a suitable geometry to be able to be implemented and intrinsically influencing the measurement carried out, strongly limits the field of application of this type of sensor.
  • a third type is that of composite structures comprising PZT (or lead zirconate titanate) bars located between sheets of polymer materials and interdigitated electrodes, structures called "Micro-Fiber Composites" in English terminology. They have the advantages of a directivity obtained by the geometry of the PZT bars and a greater flexibility than the piezoelectric sensors mentioned above, but have a complex structure and require a polarization obtained by means of the application of an electric field. Reference can be made to the conference article by Wilkie, W. K. et al.: “Low-cost piezocomposite actuator for structural control applications", Proceedings of the SPIE, Volume 3991, p. 323-334 (2000). A disadvantage of such sensors is their temperature dependence due to the presence of polymer material parts and insufficient flexibility for certain applications.
  • PVDF piezoelectric polyvinylidene fluoride
  • a fifth type is that of a vibration sensor described in patent document FR 3 122 985 and based on a thin layer of piezoelectric ceramic carried by a flexible support.
  • This sensor is flexible, but not directional and is not intended for a quantitative measurement of a deformation or a force.
  • the applicant's objective is to propose a strain sensor device combining advantages that can be found individually in the various existing strain sensors, based on the use of a thin piezoelectric element.
  • a first aspect of the invention is a thin monocrystalline piezoelectric element in the form of a plate extending in an extension plane defined by a first direction and a second direction normal to the first direction, with dimensions in the first direction and the second direction each greater than 100 ⁇ m and with a thickness of less than 50 ⁇ m, a ratio of the thickness to the dimension in the first direction or the dimension in the second direction being less than 0.1, the piezoelectric element having a first sensitivity S x to deformation in the first direction and a second sensitivity S y to deformation in the second direction, a crystalline orientation of the element being such that abs(S y /S x ) ⁇ 0.1, corresponding to a so-called "unidirectional" sensitivity, abs((S y +S x )/S x ) ⁇ 0.1, corresponding to a so-called "bidirectional" sensitivity, or for at least two first directions of the extension plane making an angle between them of between 30°
  • Such a thin piezoelectric element is suitable to form the basis of a passive strain sensor, which can combine accuracy, sensitivity, conformability, flexibility, lightness, stability, linearity, directivity and applicability to wide strain ranges.
  • this piezoelectric element can measure deformations greater than 5000 micrometers per meter with a resolution of the order of 1 nanometer of deformation per meter.
  • These figures compare with those of conventional resistive gauges which can measure deformations of up to 12000 micrometers per meter but with a much lower resolution, of the order of 1 micrometer of deformation per meter, or with those of piezoelectric gauges in a box which are only capable of measuring deformations limited to approximately 300 micrometers per meter with a resolution of 1 nanometer per meter.
  • This thin piezoelectric element may be provided with a pair of electrically conductive layers located respectively on two opposite faces of the thin piezoelectric element.
  • the invention extends to a deformation sensor comprising at least one thin piezoelectric element according to the invention, located on a flexible sheet.
  • the at least one thin piezoelectric element may be encapsulated between the flexible sheet and another flexible sheet;
  • the sensor may comprise at least one charge amplifier connected to the at least one thin piezoelectric element;
  • the sensor may comprise a plurality of thin piezoelectric elements according to the invention, oriented in different directions having at least a 30° difference between them;
  • the sensor may comprise a first, a second and a third piezoelectric thin elements, each having the characteristic abs(S y /S x ) ⁇ 0.1, the first direction of the second piezoelectric thin element being able to make an angle of 90° with the first direction of the first piezoelectric thin element, the first direction of the third piezoelectric thin element being able to make an angle of 45° with the first direction of the first piezoelectric thin element;
  • the sensor may comprise a first, a second and a third piezoelectric thin elements, each of which may have the characteristic abs(S y /S x ) ⁇ 0.1, the first direction of the second piezoelectric thin element being able to make an angle of 120° with the first direction of the first piezoelectric thin element, the first direction of the third piezoelectric thin element being able to make an angle of 240° with the first direction of the first piezoelectric thin element;
  • the sensor may comprise a plurality of charge amplifiers each connected to a respective one of the thin piezoelectric elements;
  • - a sensor can combine at least two sensors according to the invention electrically connected in parallel.
  • the invention also extends to an apparatus provided with at least one of the deformation sensors according to the invention.
  • the apparatus may be a ring provided with at least two deformation sensors of the unidirectional or omnidirectional type, the ring being configured to serve as a human/machine interface, or a smartphone equipped with at least one deformation sensor and configured to warn a user when a deformation measured on the basis of signals from the at least one sensor exceeds a predetermined threshold or to serve as a human/machine interface.
  • the objective of the present invention is to provide piezoelectric elements suitable for use in sensors combining the advantages of the various types of sensors mentioned above, in particular with regard to the aspects of sensitivity and directivity, but also of precision, conformability, flexibility, lightness, stability, linearity, directivity and applicability to wide ranges of deformations.
  • the sections below aim to explain how the inventors have managed to determine the characteristics necessary for piezoelectric elements so that, when integrated into sensors, the latter can produce such advantages.
  • the behavior of piezoelectric materials can be described by means of three tensors: the dielectric permittivity tensor at constant stress, the compliance tensor at constant electric field, and the piezoelectric tensor .
  • Voigt notation is used.
  • strain tensor and electric displacement in the material are connected to the electric field and the stress tensor by the following equations 1 and 2 called “piezoelectric equations”:
  • the tensor represents the electric charge generated by the piezoelectric material when a stress represented by the tensor is applied to it.
  • the analysis of the coefficient d 33 of the piezoelectric tensor gives the charge generated at the faces of a piezoelectric element in response to a component of the stress which is in the direction normal to these faces.
  • the coefficient d 31 gives the charge generated on these same faces in response to a component of the stress parallel to them.
  • the behavior of the material for different crystal orientations, or orientations of the piezoelectric element relative to the crystallographic axes of the crystal from which it originates, is obtained by applying the relevant transformations to the tensors defining the behavior of the material ( , , ).
  • the inventors of the present invention have opted for a different approach from those of the analyses found in the literature. More specifically, instead of being interested in the response of a piezoelectric element to a given constraint, the inventors were interested in the electric charge generated by a piezoelectric element in response to a deformation thereof. As we will see below, this approach leads to investigating particular crystalline orientations, presenting interesting directivity characteristics for the unidirectional, bidirectional or omnidirectional detection of deformations.
  • the dimensions of the thin piezoelectric element PIEZO considered in its extension plane are much larger than its thickness.
  • the thin element can thus be described as having the shape of a plate.
  • extension plane a thin piezoelectric element extending in an xy plane called "extension plane” hereinafter, defined by two directions x and y normal to each other and normal to a third direction z, which are directions specific to the thin piezoelectric element.
  • thin elements verifying the conditions according to which L x and L y are at least ten times, preferably at least one hundred times, larger than L Z , this last dimension corresponding to the thickness of the thin element.
  • the electric field is normal to the plates: the electric field has no component in the xy plane.
  • Eq. 6 shows that the electrical displacement caused by uniaxial deformation in a thin piezoelectric depends not only on the piezoelectric tensor after rotation, but also of the reduced compliance tensor after rotation. Analyze only the piezoelectric tensor after rotation as usually practiced in the literature is insufficient to characterize the sensitivity of a thin piezoelectric element to a deformation applied in a given direction.
  • the sensitivity S x to deformation is obtained by integrating the component D 3 of the electrical displacement over the entire surface of the thin piezoelectric element covered on both sides by electrodes, sensitivity calculated for uniaxial deformation .
  • S x A ⁇ D 3 /S 1 , where A is the surface area of the thin piezoelectric element covered on both sides by electrodes.
  • the sensitivity S x is thus expressed in pC/(micro_m/m), and represents the electric charge generated by the piezoelectric element when a deformation of 1 micro_m/m is applied to it in the x direction.
  • the objective here is to evaluate the directivity of the sensitivity of a thin monocrystalline element for a given crystal orientation of a bulk single crystal.
  • the crystal orientations will be considered as defined in the IEEE standards on piezoelectricity in "IEEE Standard on Piezoelectricity", ANSI /I EEE Std 176-1987 , 1988.
  • the directivity of the single-crystal piezoelectric thin element can be calculated analytically by applying a sequence R t of rotations to the thin element with respect to the crystallographic axes, corresponding to the definition of the IEEE crystal orientations (YXwl) q 1 /q 2 and illustrated by the .
  • the sequence R t of rotations is composed of 4 successive rotations, R x (90), R y (q 1 ), R x (q 2 ) and R z (q 3 ) in this order.
  • the first rotation R x (90) is done at an angle of 90° around the X axis, the xyz reference frame specific to the thin element being transformed into an x'y'z' reference frame.
  • the second rotation R y (q 1 ) is done by rotation at an angle q 1 around the y' axis, the x'y'z' frame being transformed into an x''y''z'' frame.
  • the third rotation R x (q 2 ) is done by rotation at an angle q 2 around the x'' axis, the x''y''z'' frame being transformed into a x'''y'''z''' frame.
  • the fourth rotation R z (q 3 ) is done by rotation at an angle q 3 around the axis z''', the x'''y'''z'' frame being transformed into a x''''y'''z'''' frame.
  • Each of the coordinate systems xyz, x'y'z', x''y''z'' and x'''y''z''' is respectively defined by the direction triplets x, y and z, x', y' and z', x'', y'' and z'', and x''', y''' and z'', and x'''', y'''' and z''', by successive application of the 4 rotations R x (90), R y (q 1 ), R x (q 2 ) and R z (q 3 ) to the piezoelectric element whose natural directions x, y and z initially correspond to the natural directions X, Y and Z of the massive single crystal considered.
  • the first three rotations R x (90), R y (q 1 ) and R x (q 2 ) are used to define the crystal orientation of the thin element in the bulk crystal.
  • the fourth rotation R z (q 3 ) is used to study the directivity of the sensitivity for a plane of crystal orientation defined by the first three rotations.
  • the polar diagram of the allows us to deduce, for various crystal orientations defined by their q values 1 And q 2 , the sensitivity ratios between a so-called “transverse” sensitivity, considered in a direction perpendicular to a direction corresponding to a maximum sensitivity, and the so-called “longitudinal” sensitivity considered in the direction of maximum sensitivity, with ratios worth 55%, 100%, 0% and -99% for values of q 2 of 10°, 90°, 118° and 159°, respectively.
  • the sensitivity ratio is 1, with a sensitivity ratio of 100%.
  • the sensitivity is substantially constant on all orientations, and here of negative sign (omnidirectional sensitivity).
  • a criterion for qualifying the behavior of a thin piezoelectric element as unidirectional is that the absolute value of a ratio of sensitivities S x and S y to deformation in its extension plane (which corresponds to its crystalline orientation in the massive single crystal from which it comes) in a first direction and a second direction normal to each other (either abs(S Y /S X ) or in mathematical notation) is less than 10%, preferably 5%, more preferably 2%, even more preferably 1%, and most preferably 0.1%.
  • a criterion for qualifying the behavior of a thin piezoelectric element as bidirectional is that the absolute value of the ratio of the sum of the piezoelectric sensitivities to strain in a first direction and a second direction normal to each other to the piezoelectric sensitivities to strain in the first direction (either abs((S X +S Y )/S X ) or in mathematical notation) is less than 10%, preferably 5%, more preferably 2%, even more preferably 1%, and most preferably 0.1%.
  • the behavior of a thin piezoelectric element can be described as omnidirectional when, for all orientations in its plane of extension (which corresponds to its crystalline orientation in the massive single crystal from which it is derived), the ratios of a difference in sensitivities to deformation S x and S y respectively in a first direction and in a second direction normal to the first direction, both in the plane of extension, on the sensitivity S x (i.e. abs((S x -S Y )/S X ) or in mathematical notation) is less than 10%, preferably 5%, more preferably 2%, even more preferably 1%, and most preferably 0.1%.
  • the thin element will be considered to actually exhibit omnidirectional behavior when the criterion on the value of abs((S x -S Y )/S X ) is verified for two first directions making an angle between them of between 30° and 60°, preferably between 40° and 50°.
  • the method developed above to calculate a sensitivity to a deformation makes it possible to determine the crystalline orientations defined by the angles q 1 and q 2 having a perfectly unidirectional sensitivity: there exists a direction q 3 for which the ratio S Y /S X is perfectly zero, to the precision of the calculation.
  • the same approach can be carried out for omnidirectional or bidirectional sensitivities.
  • the method explained above focused on the deformation applied to a thin piezoelectric element, allows precisely to choose the crystalline orientations adapted to a desired behavior in response to a unidirectional deformation. This can be a unidirectional behavior, an omnidirectional behavior or a bidirectional behavior, depending on the practical applications envisaged.
  • lithium tantalate LiTaO3 in monocrystalline form which belongs to the 3m space group.
  • the method can be applied to all space groups of piezoelectric materials. Without the method being limited to it, other materials of interest can be mentioned: lithium niobate LiNbO3 (group 3m), lead magnesium niobate MgNb2(PbO3)3 (group P1), aluminum nitride AlN (group P6 3 mc), barium titanate BaTiO3, potassium niobate KNbO3 and lead titanate TiPbO3 (all three of the P4mm group).
  • FIG. 1 a cross-sectional view of a SENS piezoelectric sensor based on a thin piezoelectric element PIEZO of extension plane chosen to exhibit a particular behavior, unidirectional, omnidirectional or bidirectional to a unidirectional deformation applied to it in its extension plane.
  • the sensitivity behavior of the thin piezoelectric element is transferred to the sensor integrating this thin piezoelectric element.
  • Such sensors can be particularly adapted to specific situations as illustrated by figures 10 to 12 commented below, but they can also be used in the context of more general applications, as will become apparent later.
  • the SENS sensor comprises a flexible SH1 sheet on which the thin PIEZO element is fixed.
  • the sheets are preferably made of flexible materials chosen according to the intended application, and may be, for example, made of metal, polyvinyl chloride (PVC), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), biaxially oriented polyethylene terephthalate (Mylar®) or a composite material of epoxy resin and glass fibers.
  • the thin PIEZO element may be fixed to the SH1 sheet by means of a flexible adhesive such as an anisotropic conductive film (ACF) which also allows electrical contact as described in patent document FR 3 122 985.
  • ACF anisotropic conductive film
  • the SENS sensor may be fixed to a surface to be characterized by means of an adhesive, for example a cyanoacrylate glue or an epoxy resin.
  • a charge amplifier C.AMP is also fixed on the sheet SH1 and functionally connected to two conductive layers EL1 and EL2 acting as electrodes, respectively formed on two opposite faces of the thin PIEZO element.
  • the function of the charge amplifier is to produce a voltage corresponding to the charge applied at the input and which corresponds to the charge generated by the PIEZO element during its deformation, for the purposes of electronic processing of the generated electrical potential and to carry out an effective measurement of the deformation of the PIEZO element.
  • a wire connection element such as a ribbon cord, is connected to the charge amplifier to connect the sensor to an external measuring device.
  • the thin piezoelectric element PIEZO preferably has a thickness of less than 50 ⁇ m, more preferably less than 25 ⁇ m, even more preferably less than 10 ⁇ m.
  • a ratio of the thickness of the PIEZO element to its dimension L X in a first direction of its extension plane, and/or of a dimension Ly in a second dimension of its extension plane normal to the Lx direction is less than 0.1, preferably less than 0.05, more preferably less than 0.01.
  • the SH1 sheet and, where applicable, the SH2 sheet may have a thickness between 5 and 300 ⁇ m.
  • the SENS piezoelectric sensor considered as a whole is sufficiently flexible to follow the deformations of the object to be characterized on which it is fixed.
  • the practitioner will be able to decide for each application the characteristics of the thin piezoelectric element PIEZO, its support, and other elements such as the electrode layers or the means of making electrical contacts.
  • a sensor based on a thin piezoelectric element with unidirectional behavior, and therefore with unidirectional behavior itself, can be used to characterize the deformation of a mechanical part subjected to deformations in multiple directions, but that we seek the component of these deformations in a particular direction. We can also know the expected direction of deformation of the mechanical part, and seek to characterize this expected deformation in particular.
  • An advantage of a sensor based on an element with unidirectional behavior is not to measure the disturbances resulting from parasitic external forces to which the system could be exposed in its environment.
  • a force F situation illustrated in (B)
  • the load cell deforms and two of the four sensors are in a state of compression Comp while the other two are in a state of extension Ext.
  • a thin piezoelectric element with omnidirectional behavior can be used when the mechanical part considered is subjected to radial deformation and/or if the deformation is the same in an axial direction and a transverse direction, for example a membrane subjected to a variation in acoustic pressure and whose deformation is to be characterized. illustrates such a situation, with a circular rigid armature ARM fixing the periphery of a MEM membrane which can be made to vibrate for example under the effect of an acoustic wave.
  • the membrane can be made of a thin piezoelectric element deposited on a flexible support.
  • a thin piezoelectric element with bidirectional behavior can be used for example when a cylindrical beam BEAM is subjected at its ends to a couple of forces opposite to each other F T+ and F T- about the longitudinal axis of the beam (torsion).
  • each point on the surface of the beam simultaneously undergoes a compression Comp in a first direction and an extension Ext in a second direction normal to the first direction, as illustrated by the .
  • placing a sensor equipped with a thin piezoelectric element with bidirectional behavior with its x and y axes respectively aligned with the compression direction and the extension direction is suitable for efficient detection of the deformation, which makes it possible to trace the force torque undergone by the beam by means of a single sensor.
  • the senor can be sensitive to both directions of deformation provided that it is adequately positioned on the cylindrical beam.
  • two resistive strain gauges would be necessary due to their largely unidirectional sensitivity.
  • the flexibility of the thin piezoelectric element is advantageously exploited to fix the whole of one of its faces in intimate contact with the curved surface of the mechanical part studied.
  • the deformability provided by the flexibility of the thin piezoelectric element is particularly used.
  • FIG. 13, 14 and 15 illustrate several possible configurations for sensors combining thin piezoelectric elements with unidirectional behavior in a direction Sens_Dir specific to each element.
  • Each of these sensors has a structure similar to that of the SENS sensor illustrated by the , the thin piezoelectric elements of these sensors sharing the same support Supp on which they are placed, support possibly formed of the flexible SH1 sheet of the SENS sensor.
  • each of the thin elements can be connected to a dedicated amplifier as in the SENS sensor described above, possibly integrated on the support Supp.
  • the amplifier can be a charge amplifier.
  • a sensor SENS_1 comprising two thin piezoelectric elements PIEZO_0° and PIEZO_90° fixed on a same support Supp and having their respective directions Sens_Dir oriented at 90° to each other.
  • This example illustrates a configuration with two thin piezoelectric elements having a specific orientation relative to each other, but the invention is not limited to this particular configuration, and the number and respective orientations of the thin piezoelectric elements are not limited to this particular configuration and can be adapted to the requirements of any application, as decided by the practitioner.
  • SENS_2 sensor comprising three thin piezoelectric elements PIEZO_0°, PIEZO_90° and PIEZO_45° fixed on the same support Supp, the directions Sens_Dir of PIEZO_90° and PIEZO_45° being respectively inclined by 90° and 45° relative to the direction Sens_Dir of PIEZO_0°.
  • the three thin piezoelectric elements each satisfy the characteristic abs(Sy/Sx) ⁇ 0.1, i.e. they exhibit unidirectional behavior.
  • SENS_3 sensor comprising three thin piezoelectric elements PIEZO_0°, PIEZO_120° and PIEZO_240° fixed on the same support Supp, the directions Sens_Dir of PIEZO_120° and PIEZO_240° being respectively inclined by 120° and 240° relative to the direction Sens_Dir of PIEZO_0°. Furthermore, the three thin piezoelectric elements each satisfy the characteristic abs(Sy/Sx) ⁇ 0.1, i.e. they exhibit unidirectional behavior.
  • the SENS_2 and SENS_3 sensor configurations implement the known principle of combining resistive strain gauges (see ) so as to form what are called strain gauge rosettes, which make it possible to characterize the deformation of the surface of a mechanical part even when this deformation is not unidirectional. If the principle of placing the thin elements in order to efficiently trace measurements back to the components of the deformation is known, the replacement of the resistive gauges having excellent directivity by the thin piezoelectric elements with unidirectional behavior according to the invention makes it possible to obtain a sensitivity to deformation that is usually unattainable for comparable applications. This replacement is made possible by the determination of specific crystalline orientations which give the thin piezoelectric elements according to the invention a unidirectional behavior.
  • One possibility of using the thin piezoelectric elements according to the invention is their coupling, i.e. configuring them in such a way that the electrical charges generated by at least two piezoelectric elements during their use are added together, for example by electrically connecting their respective electrodes.
  • One application may be the correction of their directionality errors.
  • the output of the resulting sensor called “combined sensor” will be the sum of the electrical charges generated by the two sensors.
  • the advantage is that the coupling thus achieved in the combined sensor compensates for the maximum directionality error of 10% of each of the two elementary sensors taken individually: the combined sensor will be perfectly omnidirectional.
  • the same principle can be applied to other systems, for example to several imperfectly unidirectional elementary sensors to obtain a perfectly directional combined sensor, the elementary sensors being able to be of different sizes and of relative orientations determined so as to correct the imperfections of directionality of these sensors.
  • FIG. 1 a perspective view of a first application example with a ring R instrumented by three SENS sensors according to the invention. These sensors are preferably of the unidirectional or omnidirectional type.
  • This instrumentation of the ring allows it to be transformed into a human/machine interface in order to control, for example, an electronic device such as a computer, a smartphone, a television or a multimedia player.
  • an electronic device such as a computer, a smartphone, a television or a multimedia player.
  • Three SENS piezoelectric deformation sensors are glued to the ring, which integrates the EL electronic equipment and possibly the energy source necessary to measure the electrical charges generated by the sensors, analyze them, and send the information wirelessly to an external device such as those mentioned above.
  • the following actions can thus be detected, and associated with predetermined actions, such as for example (i) a single press by pressure between the fingers associated with a validation action, (ii) a double press associated with a back-up action in a menu of an application controlled by the ring, and (iii) a rotation in one direction or the other associated with controlling scrolling up or down in a list or controlling the volume of a music player.
  • predetermined actions such as for example (i) a single press by pressure between the fingers associated with a validation action, (ii) a double press associated with a back-up action in a menu of an application controlled by the ring, and (iii) a rotation in one direction or the other associated with controlling scrolling up or down in a list or controlling the volume of a music player.
  • a first application of such a system addresses the problem that a smartphone can be damaged when it is subjected to too much deformation, which typically happens when it is placed in the back pocket of a pair of pants and the user sits down.
  • the integration of one or more SENS sensors according to the invention in a smartphone makes it possible to measure the deformation of the phone continuously, and to warn the user using a visual or audible message when the deformation exceeds a predefined threshold beyond which the smartphone could be damaged.
  • the SENS sensors are fixed on the RF rear face intended to cover the main body MB of the SMART smartphone and connected to the data processing system of the smartphone.
  • the four sensors are arranged so as to measure the deformations in the two main axes (defined by the directions of the long and short sides of the smartphone), as well as the torques applied to the phone in all directions.
  • the sensors are preferably unidirectional, with two sensors oriented parallel to a long side of the smartphone and two others oriented parallel to a short side of the smartphone.
  • omnidirectional SENS sensors are used to detect and locate a press on the back of the phone, with a view to using the sensors as a human/machine interface.
  • the signals measured by the four sensors are compared: the closer the press is to a sensor, the greater the deformation measured; the press can thus be detected and located using the four sensors.
  • the following interactions of the user with his phone can be identified and associated with control actions: (i) single press, (ii) double press, (iii) pressing a key on a virtual touch keyboard located on the back of the smartphone, each key corresponding to a respective press zone on the back of the smartphone.
  • a piezoelectric thin film according to the invention provided with its electrodes can be manufactured as described below.
  • a so-called “piezoelectric on insulator” substrate or POI for Piezoelectric On Insulator in English terminology, a structure comprising a piezoelectric layer fixed on a substrate, a silicon oxide layer being interposed between these two layers) commercially available is used as a source of the piezoelectric thin film.
  • This type of substrate can be obtained for any crystalline orientation and for any type of piezoelectric material.
  • a first layer of platinum electrode 400 nm thick is deposited on the free surface of the piezoelectric thin layer by chemical vapor deposition (for example by PECVD for Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
  • a glass support provided with a separation layer (for example a so-called “LTHC” layer for "Light to Heat Conversion release Coating") is temporarily bonded to the platinum electrode deposited in the first step, using a liquid polymerized by exposure to ultraviolet radiation, so as to form a glass-POI wafer.
  • a separation layer for example a so-called “LTHC” layer for "Light to Heat Conversion release Coating”
  • the glass-POI stack is thinned by mechanical grinding of the free face of the POI substrate until it reaches approximately the buried silicon oxide layer of the POI. Dry etching removes the remaining silicon and the oxide layer and selectively stops at the piezoelectric layer.
  • a second 400 nm platinum electrode layer is then deposited on the exposed face of the piezoelectric thin layer by chemical vapor deposition.
  • the stack consisting of the thin piezoelectric film between its two electrode layers is transferred and bonded to a final substrate.
  • the glass support is then removed by peeling off at the separation layer (by laser irradiation in the case of an LTHC separation layer) used to peel off the polymerized liquid, leaving the thin piezoelectric stack and its electrode layers on its final substrate.
  • a strain sensor or the behavior of such sensor as unidirectional, bidirectional, or omnidirectional is to say that such sensor incorporates a thin piezoelectric element whose sensitivity is unidirectional, bidirectional, or omnidirectional as defined in the description, respectively.

Landscapes

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Abstract

Elément mince piézoélectrique (PIEZO) monocristallin se présentant sous forme d'une plaque s'étendant dans un plan d'extension (xy) défini par une première direction (x) et une seconde direction (y) normale à la première direction, de dimensions (LX, LY) dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d'épaisseur (LZ) inférieure à 50 µm, un rapport de l'épaisseur sur la dimension (LX) dans la première direction ou la dimension (Ly) dans la seconde direction étant inférieur à 0,1, l'élément piézoélectrique présentant une première sensibilité (Sx) à la déformation selon la première direction et une seconde sensibilité (Sy) à la déformation selon la seconde direction, une orientation cristalline de l'élément (PIEZO) étant telle que abs(Sy/Sx) < 0,1, abs((Sy+Sx)/Sx) < 0,1, ou pour au moins deux premières directions (x) du plan d'extension (xy) faisant entre elles un angle comprise entre 30° et 60°, abs((Sx-Sy)/Sx) < 0,1.

Description

DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE FLEXIBLE DE MESURE DE DEFORMATION, UNIDIRECTIONNEL, BIDIRECTIONEL OU OMNIDIRECTIONNEL DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L'invention concerne les capteurs de déformation basés sur un élément de mesure piézoélectrique, c’est-à-dire mettant à profit le comportement piézoélectrique d’un matériau pour transformer en signal électrique, une déformation qu’il subit sous l’effet d’efforts extérieurs, par exemple lorsqu’il est collé à une surface et que celle-ci se déforme.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
Les capteurs de déformation permettent d’estimer la déformation de surface que subit un élément d’un système mécanique quelconque lorsqu’il est soumis à des efforts extérieurs (force et moments de force qui lui sont appliqué par des éléments extérieurs), dans un large panel d’applications : aérospatial, machine-outil, transports, industrie dans les hydrocarbures, l’alimentaire ou encore la chimie.
Deux technologies sont utilisées pour constituer des capteurs de déformation.
La première technologie est basée sur les jauges résistives de déformation. Ce type de jauge comprend un élément conducteur électriquement, présentant une géométrie lui conférant des sensibilités différentes selon l’orientation d’une déformation qui lui est imposée, ce que l’on désigne comme sa directivité. La représente un tel élément conducteur CE. La variation de sa résistance électrique sous l’effet de la déformation, combinée à sa directivité, connue, permettent de déduire l’amplitude de la déformation, et éventuellement de l’effort appliquée ayant générée cette déformation. Les flèches indiquées SA pour « sensitive axis » et TA pour « transverse axis » indiquent respectivement un axe de sensibilité maximale et un axe de sensibilité minimale, le second étant perpendiculaire au premier. En pratique, l’axe de sensibilité maximale est aligné avec la direction attendue de la déformation à caractériser. Les jauges résistives ont une bonne directivité, mais souffrent d’une faible sensibilité et ont besoin d’être alimentées électriquement pour fonctionner.
La seconde technologie est basée sur les capteurs piézoélectriques, généralement plus sensibles, mais également moins directifs que les jauges résistives. Ce type de capteur comprend un élément dit « piézoélectrique », qui génère, par effet piézoélectrique, l’apparitions de charges électriques sur ses faces sous l’effet d’une contrainte qui lui est appliquée. On peut trouver plusieurs types de tels capteurs.
Un premier type correspond à un capteur de déformation comprenant un boîtier rigide HOUS abritant un cristal Q tel qu’un cristal de quartz piézoélectrique, comme illustré par le capteur DynSens de la qui représente en A) une vue en coupe et en B) une vue d’en haut du capteur. Le boîtier rigide a pour fonction de limiter l’amplitude de déformation du cristal qui, relativement épais, ne peut pas supporter des déformations trop importantes sans casser. Le cristal est solidaire d’une paroi du boîtier destinée à être fixée à une surface plane et lisse par collage au moyen d’un adhésif de haute rigidité. Le boîtier peut également abriter un amplificateur AMP connecté au cristal et à l’extérieur par l’intermédiaire de fils de connexion électrique CAB. Les axes TA et SA sont définis de la même manière que pour la jauge résistive de la . Un exemple applicatif est donné par Fabio L. M. dos Santos et al., dans « THE USE OF DYNAMIC STRAIN SENSORS AND MEASUREMENTS ON THE GROUND VIBRATION TESTING OF AN F-16 AIRCRAF », International Forum on Aeroelasticity and Stuctural Dynamics, IFASD 2015-122.
Un second type est celui des capteurs piézoélectriques de déformation de surface. Le premier avantage de ces capteurs est qu’ils sont passifs, et qu’ils ne nécessitent donc pas d’être alimentés électriquement). De tels capteurs comprennent un élément piézoélectrique, généralement un cristal de quartz, et une structure mécanique rigide et relativement volumineuse limitant la déformation de l’élément piézoélectrique à une direction unique. Ces capteurs sont généralement fixés à une surface plane par vissage, comme que décrit par exemple dans le document de brevet US 4,314,481 A. L’emploi d’une structure mécanique rigide et relativement volumineuse, nécessitant une géométrie adaptée pour pouvoir être mise en œuvre et influençant de manière intrinsèque la mesure effectuée, limite fortement le champ applicatif de ce type de capteur.
Le boîtier et la structure mécanique rigides de ces deux premiers types de capteur limitent fortement les gammes de déformations auxquelles ils sont susceptibles d’être appliquées.
Un troisième type est celui de structures composites comprenant des barres de PZT (ou titano-zirconates de plomb) situées entre des feuilles de matériaux polymères et des électrodes interdigitées, structures dites « Micro-Fiber Composites » en terminologie anglaise. Elles ont pour avantages une directivité obtenue par la géométrie des barres de PZT et une flexibilité plus importante que les capteurs piézoélectriques cités ci-dessus, mais ont une structure complexe et requièrent une polarisation obtenue au moyen de l’application d’un champ électrique. On peut se référer à l’article de colloque de Wilkie, W. K. et al. :« Low-cost piezocomposite actuator for structural control applications », Proceedings of the SPIE, Volume 3991, p. 323-334 (2000). Un inconvénient de tels capteurs est leur dépendance à la température en raison de la présence de parties en matériaux polymères et une flexibilité insuffisante pour certaines applications.
Un quatrième type est celui de capteurs de déformation basés sur un film polymère piézoélectrique, nommés « PVDF » en raison du matériau employé pour former le film piézoélectrique : le fluorure de polyvinylidène piézoélectrique nommé PVDF en terminologie anglaise. Il s’agit de capteurs souples et légers mais devant être polarisés, imprécis, non directifs et soumis à des dérives dans le temps, notamment dues au manque de stabilité de la polarisation, ou avec la température. On peut se référer à la demande de brevet US 2021/0102850 A1.
Un cinquième type est celui d’un capteur de vibration décrit dans le document de brevet FR 3 122 985 et basé sur une couche mince de céramique piézoélectrique portée par un support flexible. Ce capteur est flexible, mais non directif et n’est pas prévu pour une mesure quantitative d’une déformation ou d’un effort.
En dépit d’une grande variété dans les dispositifs destinés à assumer la fonction de capteurs de déformation passifs, un dispositif cumulant directivité, sensibilité, conformabilité, légèreté et permettant des mesures quantitatives précises sur des gammes de déformation importantes n’apparaît pas disponible.
L’objectif du déposant est de proposer un dispositif capteur de déformation combinant des avantages pouvant se trouver individuellement dans les différents capteurs de déformation existants, basé sur l’emploi d’un élément piézoélectrique mince.
En vue de la réalisation de ce but, un premier aspect de l’invention est un élément mince piézoélectrique monocristallin se présentant sous forme d’une plaque s’étendant dans un plan d’extension défini par une première direction et une seconde direction normale à la première direction, de dimensions dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d’épaisseur inférieure à 50 µm, un rapport de l’épaisseur sur la dimension dans la première direction ou la dimension dans la seconde direction étant inférieur à 0,1, l’élément piézoélectrique présentant une première sensibilité Sx à la déformation selon la première direction et une seconde sensibilité Sy à la déformation selon la seconde direction, une orientation cristalline de l’élément étant telle que abs(Sy/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « unidirectionnelle », abs((Sy+Sx)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « bidirectionnelle », ou pour au moins deux premières directions du plan d’extension faisant entre elles un angle comprise entre 30° et 60°, abs((Sx-Sy)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « omnidirectionnelle ».
Un tel élément mince piézoélectrique est apte à former la base d’un capteur de déformation passif, qui peut combiner précision, sensibilité, conformabilité, souplesse, légèreté, stabilité, linéarité, directivité et applicabilité à de larges gammes de déformations.
Ainsi, cet élément piézoélectrique permet de mesurer des déformations supérieures à 5000 micromètres par mètre avec une résolution de l’ordre de 1 nanomètre de déformation par mètre. Ces chiffrent se comparent avec ceux des jauges résistives conventionnelles qui permettent de mesurer des déformations allant jusqu’à 12000 micromètres par mètre mais avec une résolution bien plus faible, de l’ordre de 1 micromètre de déformation par mètre, ou avec ceux des jauges piézoélectriques en boîtier qui ne sont capables de mesurer que des déformations limitées à environ 300 micromètres par mètre avec une résolution de 1 nanomètre par mètre.
Cet élément mince piézoélectrique peut être muni d’une paire de couches électriquement conductrices situées respectivement sur deux faces opposées de l’élément mince piézoélectrique.
L’invention s’étend à un capteur de déformation comprenant au moins un élément mince piézoélectrique selon l’invention, situé sur une feuille souple.
Selon des caractéristiques additionnelles non-limitative du capteur selon l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le au moins un élément mince piézoélectrique peut être encapsulé entre la feuille souple et une autre feuille souple ;
- le capteur peut comprendre au moins un amplificateur de charge connecté à l’au moins un élément mince piézoélectrique ;
- l’au moins un amplificateur de charge peut être intégré sur la feuille souple ;
- le capteur peut comprendre une pluralité d’éléments minces piézoélectriques selon l’invention, orientés selon des directions différentes présentant au moins 30° d’écart entre elles ;
- le capteur peut comprendre un premier, un second et un troisième éléments minces piézoélectriques, chacun présentant la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction du second élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 90° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique, la première direction du troisième élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 45° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique ;
- le capteur peut comprendre un premier, un second et un troisième éléments minces piézoélectriques, chacun pouvant présenter la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction du second élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 120° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique, la première direction du troisième élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 240° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique ;
- le capteur peut comprendre une pluralité d’amplificateurs de charge chacun reliés à l’un respectif des éléments piézoélectriques minces ; et
- un capteur peut combiner au moins deux capteurs selon l’invention connectés électriquement en parallèle.
L’invention s’étend également à un appareil muni d’au moins un des capteurs de déformation selon l’invention. L’appareil peut être un anneau muni d’au moins deux capteurs de déformation de type unidirectionnel ou omnidirectionnel, l’anneau étant configuré pour servir d’interface homme/machine, ou bien un smartphone équipé d’au moins un capteur de déformation et configuré pour avertir un utilisateur lorsqu’une déformation mesurée sur la base de signaux de l’au moins un capteur dépasse un seuil prédéterminé ou pour servir d’interface homme/machine.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
La représente une jauge de déformation résistive connue ;
La représente un capteur de déformation piézoélectrique connu ;
La représente un élément mince piézoélectrique ;
La illustre les rotations utilisées dans les calculs de la sensibilité dans un plan pour une orientation cristalline donnée dans un monocristal ;
La représente un diagramme polaire de sensibilités à la déformation d’un élément mince piézoélectrique selon son orientation cristallographique ;
La représente un diagramme linéaires des sensibilités du diagramme de la  ;
La illustre une sensibilité à la déformation parfaitement unidirectionnelle d’un élément mince piézoélectrique ;
La illustre les sensibilités à la déformation et à la contrainte d’un même élément mince piézoélectrique ;
La illustre un capteur de déformation intégrant un élément mince piézoélectrique ;
La illustre une cellule de charge munie d’éléments minces piézoélectriques présentant un premier comportement ;
La illustre une application d’un capteur basé sur une élément mince piézoélectrique présentant un second comportement ;
La illustre une application d’un capteur basé sur une élément mince piézoélectrique présentant un troisième comportement ;
La représente un premier capteur piézoélectrique ;
La représente un second capteur piézoélectrique ;
La représente un troisième capteur piézoélectrique ;
La représente un quatrième capteur piézoélectrique ;
La représente un premier appareil muni de capteurs de déformation ; et
La représente un deuxième appareil muni de capteurs de déformation.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’objectif de la présente invention est de fournir des éléments piézoélectriques aptes à être utilisés dans des capteurs combinant les avantages des différents types de capteurs mentionnés ci-dessus, en particulier en ce qui concerne les aspects de sensibilité et de directivité, mais aussi de précision, conformabilité, souplesse, légèreté, stabilité, linéarité, directivité et applicabilité à de larges gammes de déformations. Les sections ci-dessous ont pour but d’expliquer comment les inventeurs sont parvenus à déterminer les caractéristiques nécessaires à des éléments piézoélectriques pour que, intégrés à des capteurs, ces derniers puissent produire de tels avantages.
Point de départ de l’invention
Le comportement des matériaux piézoélectrique peut être décrit au moyen de trois tenseurs : le tenseur de permittivité diélectrique à contrainte constante, le tenseur de complaisance à champ électrique constant, et le tenseur piézoélectrique . Dans ce document, la notation de Voigt est utilisée.
Le tenseur des déformations et le déplacement électrique dans le matériau, par exemple un monocristal piézoélectrique, sont reliés au champ électrique et au tenseur des contraintes par les équations 1 et 2 suivantes dites « équations piézoélectriques » :
L’approche qui consiste à étudier la directivité du comportement piézoélectrique des cristaux piézoélectriques en analysant la directivité du tenseur piézoélectrique est bien connue de la littérature, comme on peut le voir par exemple dans l’article de W. Yue et J. Yi-jian, « Crystal orientation dependence of piezoelectric properties in LiNbO3 and LiTaO3 », Opt . Mater., vol.23, no1, p.403‑408, juillet 2003.
Le tenseur représente la charge électrique générée par le matériau piézoélectrique lorsqu'une contrainte représentée par le tenseur lui est appliquée. Typiquement, l'analyse du coefficient d33 du tenseur piézoélectrique donne la charge générée au niveaux des faces d’un élément piézoélectrique en réponse à une composante de la contrainte qui est dans la direction normale à ces faces. Le coefficient d31 donne la charge générée sur ces mêmes faces en réponse à une composante de la contrainte parallèle à celles-ci.
Le comportement du matériau pour différentes orientations cristallines, ou orientations de l’élément piézoélectrique par rapport aux axes cristallographiques du cristal dont il est issu, est obtenu en appliquant les transformations pertinentes aux tenseurs définissant le comportement du matériau ( , , ). On peut se référer par exemple à la demande de brevet US 4,314,481 A.
Cependant, les inventeurs de la présente invention ont opté pour une approche différente de celles des analyses que l’on trouve dans la littérature. Plus spécifiquement, au lieu de s’intéresser à la réponse d’un élément piézoélectrique à une contrainte donnée, les inventeurs se sont intéressés à la charge électrique générée par un élément piézoélectrique en réponse à une déformation de celui-ci. Comme nous allons le voir plus bas, cette approche amène à investiguer des orientations cristallines particulières, présentant des caractéristiques de directivité intéressante pour la détection unidirectionnelle, bidirectionnelle ou omnidirectionnelle de déformations.
Une telle approche trouve une application pratique par exemple dans le cas d’éléments piézoélectriques suffisamment minces pour former des capteurs de déformations conformables, c’est-à-dire capable d’épouser la forme d’une surface sur laquelle on les applique. Des éléments de matériaux monocristallins trop épais sont trop rigides et fragiles pour une telle application.
Elément mince piézoélectrique – Modélisation
On considère un élément mince piézoélectrique formé d’un monocristal. Le fait de considérer un élément piézoélectrique mince permet de simplifier les équations 1 et 2 en posant les deux hypothèses suivantes.
En premier lieu, les dimensions de l’élément mince piézoélectrique PIEZO considéré dans son plan d’extension sont beaucoup plus grandes que son épaisseur. L’élément mince peut ainsi être décrit comme ayant la forme d’une plaque. On peut considérer un élément mince piézoélectrique s’étendant dans un plan xy dit « plan d’extension » par la suite, défini par deux directions x et y normales l’une à l’autre et normales à une troisième direction z, qui sont des directions propres à l’élément mince piézoélectrique. On peut considérer un élément mince de forme parallélépipédique de dimensions LX, LY et LZ respectivement dans les directions x, x et z qui définissent un repère orthogonal, comme illustré par la (dans un souci de clarté dans la représentation, les échelles ne sont pas respectées). On considère des éléments minces vérifiant les conditions selon lesquelles Lx et Ly sont au moins dix fois, préférablement au moins cent fois, plus grandes que LZ, cette dernière dimension correspondant à l’épaisseur de l’élément mince.
En second lieu, on considèrera une déformation unidirectionnelle, selon une direction du plan d’extension.
Un élément mince piézoélectrique dont les dimensions dans le plan d’extension sont beaucoup plus grandes que son épaisseur (Lx et Ly > 10Lz, préférablement Lx et Ly > 100Lz) et muni de deux couches électriquement conductrices sur les deux face parallèles au plan d’extension se comporte électriquement comme un condensateur plan dont les deux armatures électriquement conductrices correspondent aux surfaces normales à la direction z, notées respectivement Top et Bot. Dans ce condensateur, le champ électrique est normal aux armatures : le champ électrique n'a pas de composante dans le plan xy. Lorsque l’élément mince piézoélectrique est utilisé dans un capteur en mode charge, les électrodes, qui recouvrent les deux plans parallèles au plan d’extension, sont connectées à un amplificateur de charge qui crée un chemin de faible impédance entre les deux électrodes. En conséquence, la tension entre les deux électrodes est nulle et le champ électrique dans la direction normale z est également nul. En conclusion, il n'y a pas de champ électrique dans l’élément mince piézoélectrique lorsqu'il est connecté à un amplificateur de charge.
On peut alors simplifier les équations 1 et 2 qui deviennent les équations 3 et 4 suivantes, suffisantes pour décrire le comportement piézoélectrique de l’élément mince dans le cadre des hypothèse précisées ci-dessus :
Etude de la sensibilité de l’élément mince
Dans des couches minces d’un matériau, la contrainte dans la direction normale est souvent faible par rapport aux contraintes dans le plan du matériau. Il est commun de faire alors l'approximation de contrainte plane pour modéliser le comportement du matériau, en supposant que les contraintes normales au matériau sont nulles. Cette approximation permet de largement simplifier les équations de comportement et d'équilibre mécanique.
Dans le cas présent, nous nous situons dans le cadre de cette approximation, avec un élément mince piézoélectrique Piezo (Lx et Ly > 10Lz), considéré, comme dans une application pratique réelle, comme ayant une de ses faces fixée sur une structure et la face opposée libre, et qui se trouvera dans un état de contrainte dans son plan d’extension xy, les contraintes dans la direction normale z étant comparativement négligeables. Dans cette situation, on peut encore simplifier les équations piézoélectriques : les composantes T3, T4 et T5 du tenseur de contraintes sont nulles et le tenseur piézoélectrique peut se réduire à une matrice 3x3 notée , à 9 composantes.
Ainsi, on peut démontrer que le déplacement électrique généré par l’élément mince piézoélectrique en mode charge lorsqu’une déformation lui est appliquée peut s’exprimer par l’équation Eq. 5
dans laquelle représente la matrice réduite de complaisance, obtenue en supprimant les lignes et colonnes 3, 4 et 5 de la matrice de complaisance , et représente le tenseur des contraintes réduit, obtenu en supprimant les composantes 3, 4 et 5 du tenseur des contraintes .
Dans le cas d’une déformation uniaxiale selon la direction x, le déplacement électrique s’exprime par l’équation Eq. 6
L’équation Eq. 6 montre que le déplacement électrique causé par une déformation uniaxiale dans un piézo-électrique fin dépend non seulement du tenseur piézoélectrique après rotation, mais aussi du tenseur de complaisance réduit après rotation. Analyser uniquement le tenseur piézoélectrique après rotation comme pratiqué d’ordinaire dans la littérature est insuffisant pour caractériser la sensibilité d’un élément mince piézoélectrique à une déformation appliquée dans une direction donnée.
Nous ne nous intéressons qu’à la troisième composante D3 du tenseur de déplacement électrique : c’est la grandeur qui sera effectivement mesurée lors d’une utilisation pratique de l’élément mince piézoélectrique, au moyen d’une paire d’électrodes placées sur les faces de l’élément parallèles au plan d’extension xy.
La sensibilité Sx à la déformation est obtenue par intégration de la composante D3 du déplacement électrique sur toute la surface de l’élément mince piézoélectrique couverte de part et d’autre par des électrodes, sensibilité calculée pour une déformation uniaxiale . On obtient ainsi Sx = A×D3/S1, ou A est l’aire de la surface de l’élément mince piézoélectrique couverte de part et d’autre par des électrodes. La sensibilité Sx s’exprime ainsi en pC/(micro_m/m), et représente la charge électrique générée par l’élément piézoélectrique lorsqu’une déformation de 1 micro_m/m lui est appliquée selon la direction x.
Sensibilité d ’éléments minces monocristallins - Directivité
L’objectif est ici d’évaluer la directivité de la sensibilité d’un élément mince monocristallin pour une orientation cristalline donnée d’un monocristal massif. On considérera les orientations cristallines telles que définies dans les standards IEEE sur la piézoélectricité dans « IEEE Standard on Piezoelectricity », ANSI /I EEE Std 176-1987, 1988.
La directivité de l’élément mince piézoélectrique monocristallin peut être calculée analytiquement par application d’une séquence Rt de rotations à l’élément mince par rapport aux axes cristallographiques, correspondant à la définition des orientations cristallines IEEE (YXwl) q1/q2 et illustrée par la .
La séquence Rt de rotations est composée de 4 rotations successives, Rx(90), Ry(q1), Rx(q2) et Rz(q3) dans cet ordre.
La première rotation Rx(90) se fait selon un angle de 90° autour de l’axe X, le repère xyz propre à l’élément mince étant transformé en un repère x’y’z’.
La second rotation Ry(q1) se fait par rotation selon un angle q1 autour de l’axe y’, le repère x’y’z’ étant transformé en un repère x’’y’’z’’.
La troisième rotation Rx(q2) se fait par rotation selon un angle q2 autour de l’axe x’’, le repère x’’y’’z’’ étant transformé en un repère x’’’y’’’z’’’.
La quatrième rotation Rz(q3) se fait par rotation selon un angle q3 autour de l’axe z’’’, le repère x’’’y’’’z’’’ étant transformé en un repère x’’’’y’’’’z’’’’.
Chacun des repères xyz, x’y’z’, x’’y’’z’’ et x’’’y’’’z’’’ est respectivement défini par les triplets de direction x, y et z, x’, y’ et z’, x’’, y’’ et z’’, et x’’’, y’’’ et z’’’, et x’’’’, y’’’’ et z’’’’, par application successives des 4 rotations Rx(90), Ry(q1), Rx(q2) et Rz(q3) à l’élément piézoélectrique dont les direction propre x, y et z correspondent initialement aux directions propres X, Y et Z du monocristal massif considéré.
Les trois premières rotations Rx(90), Ry(q1) et Rx(q2) servent à définir l’orientation cristalline de l’élément mince dans le cristal massif. La quatrième rotation Rz(q3) est utilisée pour étudier la directivité de la sensibilité pour un plan de d’orientation cristalline définie par les trois premières rotations.
Ainsi, on calcule les charges électriques générées sur les faces opposées Top et Bot selon l’orientation des axes cristallographiques définie par les angles q1, q2 et q3 pour une déformation uniaxiale selon la direction x’’’ du monocristal massif. De ce calcule de charges, on déduit la sensibilité Sx=A×D3/S1 à la déformation. Il est ainsi possible de tester la sensibilité de l’ensemble des orientations cristallines possibles pour un monocristal massif.
Les calculs effectués en balayant les valeurs de q1 et, pour chaque valeur de q1, les valeurs de q2, montrent que, pour une valeur de q1 donnée et selon la valeur de q2, les charges générées varient de manières très différentes avec l’angle q3. Pour certains couples de valeurs (q1,q2), approximativement une même quantité de charge est générée quelle que soit la valeur de q3. Pour d’autres couples de valeurs (q1,q2), la charge générée peut être négative, positive ou nulle selon la valeur de q3. Pour encore d’autres couples valeurs de (q1,q2), la charge générée est nulle quelle que soit la valeur de q3.
La illustre ainsi un diagramme polaire représentant la quantité de charges électriques générées sur les faces Top et Bot d’un élément mince de tantalate de lithium en réponse à une déformation, et donc la sensibilité à cette déformation, calculée pour un angle q1 fixé ici à 7° et pour des angle q2 de 10°, 90°, 118° et 159° correspondant chacun à l’une des courbes représentées sur le diagramme, l’angle q3 étant l’angle polaire du diagramme.
Le diagramme polaire de la permet de déduire, pour diverses orientations cristallines définies par leurs valeurs de q1 et q2, les rapports de sensibilité entre une sensibilité dite « transversale », considérée selon une direction perpendiculaire à une direction correspondant à un maximum de sensibilité, et la sensibilité dite « longitudinale » considérée selon la direction de sensibilité maximale, avec des rapports valant 55%, 100%, 0% et -99% pour des valeurs de q2 de 10°, 90°, 118° et 159°, respectivement.
Pour q2=159°, quatre lobes sont formés sur le diagramme polaire et le rapport de la sensibilité transversale (q3=95°) à la sensibilité longitudinale (q3=5°) est proche de 1 en valeur absolue avec un rapport de -99%. Cela indique qu’un capteur piézoélectrique intégrant un élément mince piézoélectrique présentant une orientation cristalline définie par les angles q1=7° et q2=159° sera un capteur bidirectionnel, particulièrement sensible aux déformations se produisant selon deux directions normales l’une à l’autre.
Pour q2=118°, seulement deux lobes sont formés sur le diagramme polaire et le rapport de la sensibilité transversale (q3=8°) à la sensibilité longitudinale (q3=98°) est nul. Cela signifie qu’un capteur piézoélectrique intégrant un élément mince piézoélectrique présentant une orientation cristalline définie par les angles q1=7° et q2=118° sera très directif, voire parfaitement unidirectionnel, particulièrement sensible à une déformation se produisant selon une direction unique.
Pour q2=10°, aucun lobe n’est formé, la courbe représentant les sensibilités selon la valeur de q3 formant sensiblement un cercle, le rapport de sensibilité vaut 1, avec un rapport de sensibilité de 100%. Cela indique qu’un capteur piézoélectrique intégrant un élément mince piézoélectrique présentant une orientation cristalline définie par les angles q1=7° et q2=90° sera omnidirectionnel, détectant avec la même sensibilité une déformation quelle que soit son orientation dans le plan d’extension de l’élément mince piézoélectrique.
Pour q2=90°, aucun lobe n’est formé, la courbe représentant les sensibilités selon la valeur de q3 formant une figure n’ayant pas de caractéristique particulièrement remarquable. Une telle orientation cristalline n’a pas d’application évidente pour former un capteur de déformation.
La reprend les quatre sensibilités illustrées par la , mais cette fois-ci sur un graphique linéaire, les sensibilités étant exprimées en fonction de l’angle q3 exprimant l’orientation d’une déformation imposée dans le plan d’extension par rapport à l’axe propre x de l’élément mince piézoélectrique, pour des angles q3 compris entre 0° et 180°.
Pour l’angle q2 de 159°, il existe deux directions normales l’une à l’autre, chacune présentant une forte sensibilité, ces sensibilités étant sensiblement égales en valeurs absolues mais de signes opposés (sensibilité bidirectionnelle).
Pour l’angle q2 de 118°, il existe une direction de forte sensibilité, la sensibilité d’une direction normale étant nulle (sensibilité unidirectionnelle).
Pour l’angle q2 de 90°, la sensibilité est sensiblement constante sur toutes les orientations, et ici de signe négatif (sensibilité omnidirectionnelle).
Pour l’angle q2 de 10°, la sensibilité est constamment négative et fluctuante, sans point a priori remarquable.
Chacun des comportements ci-dessus, mais essentiellement les trois premiers, peut être utilisé dans la conception de capteurs en vue d’applications particulières, comme expliqué plus bas.
En évaluant la directivité d’éléments piézoélectriques minces comme décrit ci-dessus en balayant les différentes valeurs de q1 et q2, il est possible de déterminer les orientations cristallines permettant de former les éléments minces piézoélectriques ayant des rapports de sensibilité à la déformation présentant des intérêts particuliers.
En particulier, on peut considérer les sensibilités SX et SY dans deux directions du plan d’extension normales l’une à l’autre. Dans la , on pourra par exemple considérer SX comme la sensibilité dans la direction du plan d’extension définie par q3=7° et SY comme la sensibilité dans la direction du plan d’extension définie par q3=97° dite « sensibilité transverse ». On pourra s’intéresser en particulier (i) aux plans de sensibilité dite « unidirectionnelle » présentant une sensibilité transverse SY proche de 0 et une sensibilité SX non nulle et préférablement de valeur élevée, (ii) aux plans de sensibilité dite « omnidirectionnelle » présentant des sensibilités SX et SY proche l’une de l’autre pour toutes les orientations dans le plan, et (iii) aux plans de sensibilité dite « bidirectionnelle » présentant une orientation avec des sensibilités SX et SY proche l’une de l’autre en valeurs absolues et de signes opposés.
Un critère pour qualifier le comportement d’un élément mince piézoélectrique d’unidirectionnel est que la valeur absolue d’un rapport de sensibilités Sx et Sy à la déformation dans son plan d’extension (qui correspond à son orientation cristalline dans le monocristal massif dont il est issu) dans une première direction et une seconde direction normales l’une à l’autre (soit abs(SY/SX) ou en notation mathématique) soit inférieure à 10%, préférablement 5%, plus préférablement 2%, encore plus préférablement 1%, et le plus préférablement 0,1%.
De la même manière, un critère pour qualifier le comportement d’un élément mince piézoélectrique de bidirectionnel est que la valeur absolue du rapport de la somme des sensibilités piézoélectriques à une déformation dans une première direction et une deuxième direction normales l’une à l’autre sur la sensibilité piézoélectriques à une déformation dans la première direction (soit abs((SX+SY)/SX) ou en notation mathématique) soit inférieure à 10%, préférablement 5%, plus préférablement 2%, encore plus préférablement 1%, et le plus préférablement 0,1%.
Le comportement d’un élément mince piézoélectrique peut être qualifié d’omnidirectionnel lorsque, pour toutes les orientations dans son plan d’extension (qui correspond à son orientation cristalline dans le monocristal massif dont il est issu), les rapports d’une différence de sensibilités à la déformation Sx et Sy respectivement dans une première direction et dans une deuxième direction normale à la première direction, toutes deux dans le plan d’extension, sur la sensibilité Sx (soit abs((Sx-SY)/SX) ou en notation mathématique) soit inférieure à 10%, préférablement 5%, plus préférablement 2%, encore plus préférablement 1%, et le plus préférablement 0,1%. D’un point de vue pratique on considèrera que l’élément mince présente effectivement un comportement omnidirectionnel lorsque le critère sur la valeur de abs((Sx-SY)/SX) est vérifié pour deux premières directions faisant un angle entre elles compris entre 30° et 60°, préférablement entre 40° et 50°.
La méthode développée ci-dessus pour calculer une sensibilité à une déformation permet de déterminer les orientations cristallines définies par les angles q1 et q2 ayant une sensibilité parfaitement unidirectionnelle : il existe une direction q3 pour laquelle le rapport SY/SX est parfaitement nul, à la précision du calcul près. La illustre un tel cas, représentant la sensibilité Strain-Sens à la déformation dans un diagramme polaire fonction de q3 pour une orientation cristalline de tantalate de lithium définie par les angles q1=7° et q2=118°. La même démarche peut être effectuée pour des sensibilités omnidirectionnelles ou bidirectionnelles.
Il est à noter que le fait d’avoir, pour une orientation cristalline donnée, un comportement parfaitement unidirectionnel de la sensibilité à la contrainte n’implique pas que la sensibilité à la déformation sera elle aussi parfaitement unidirectionnelle. La illustre le résultat de calculs pour les sensibilités à la contrainte et à la déformation, Stress-Sens et Strain-Sens, respectivement pour une orientation cristalline de tantalate de lithium définie par les angles q1=7° et q2=110°. On constate que même s’il existe un angle q3 pour lequel le rapport des sensibilités à la contrainte (SY/SX)contrainte est nul, et indicatif d’un comportement parfaitement unidirectionnel en réponse à une contrainte appliquée, le rapport des sensibilités à la déformation (SY/SX)déformation est proche de 18%, c’est-à-dire que l’on ne peut pas considérer cette sensibilité à la déformation comme unidirectionnelle.
A la différence des approches conventionnelles centrées sur la contrainte appliquée, la méthode expliquée ci-dessus, centrée sur la déformation appliquée à un élément piézoélectrique mince, permet justement de choisir les orientations cristallines adaptées à un comportement souhaité en réponse à une déformation unidirectionnelle. Il peut s’agir d’un comportement unidirectionnel, d’un comportement omnidirectionnel ou bien d’un comportement bidirectionnel, selon les applications pratiques envisagées.
Les exemples pris ci-dessus ont été obtenu pour du tantalate de lithium LiTaO3 sous forme monocristalline, qui appartient au groupe d’espace 3m. Cependant, la méthode peut s’appliquer à tous les groupes d’espaces des matériaux piézoélectriques. Sans que la méthode y soit limitée, on peut ainsi citer d’autres matériaux d’intérêt : le niobate de lithium LiNbO3 (groupe 3m), le niobate de plomb et de magnésium MgNb2(PbO3)3 (groupe P1), le nitrure d’aluminium AlN (groupe P63mc), le titanate de baryum BaTiO3, le niobate de potassium KNbO3 et le titanate de plomb TiPbO3 (tous trois du groupe P4mm).
Applications - Capteurs
La illustre en (A) une vue en coupe d’un capteur piézoélectrique SENS basé sur un élément mince piézoélectrique PIEZO de plan d’extension choisi pour présenter un comportement particulier, unidirectionnel, omnidirectionnel ou bidirectionnel à une déformation unidirectionnelle qui lui est appliquée dans son plan d’extension. Le comportement en sensibilité de l’élément mince piézoélectrique (unidirectionnel, omnidirectionnel ou bidirectionnel) est transféré au capteur intégrant cet élément mince piézoélectrique. De tels capteurs peuvent être particulièrement adaptés à des situations spécifiques comme illustré par les figures 10 à 12 commentées ci-dessous, mais ils peuvent également être utilisé dans le cadre d’applications plus générales, comme il deviendra apparent par la suite.
Afin de bénéficier de la finesse et donc de la souplesse et de la conformabilité de l’élément mince PIEZO, le capteur SENS comprend une feuille SH1 souple sur laquelle est fixé l’élément mince PIEZO. Les feuilles sont préférablement faites de matériaux flexibles choisis en fonction de l’application visée, et peuvent être par exemple constituées de métal, chlorure de polyvinyle (PVC), polyimide (PI), polyéthylène téréphtalate (PET), polyéthylène téréphtalate à orientation biaxiale (Mylar®) ou encore d’un matériau composite de résine époxy et de fibres de verre. L’élément mince PIEZO peut être fixé à la feuille SH1 au moyen d’un adhésif souple tel qu’un film conductif anisotrope (ACF) qui permet en outre une prise de contact électrique comme décrit dans le document de brevet FR 3 122 985. En utilisation, le capteur SENS peut être fixé à une surface à caractériser au moyen d’un adhésif, par exemple une colle cyanoacrylate ou une résine époxy.
Outre l’élément mince PIEZO, dans l’exemple de la , un amplificateur de charge C.AMP est également fixé sur la feuille SH1 et fonctionnellement relié à deux couches conductrices EL1 et EL2 jouant le rôle d’électrodes, respectivement formée sur deux faces opposées de l’élément mince PIEZO. L’amplificateur de charge a pour fonction de produire une tension correspondant à la charge appliquée en entrée et qui correspond à la charge générée par l’élément PIEZO au cours de sa déformation, à des fins de traitements électronique du potentiel électrique généré et de procéder à une mesure effective de la déformation de l’élément PIEZO. Bien que non représenté, un élément de connexion filaire, tel qu’un cordon sous forme de nappe, est relié à l’amplificateur de charge pour connecter le capteur à un appareil de mesure extérieur. Une alternative serait de connecter directement l’appareil de mesure extérieur aux électrodes EL1 et EL2, ou encore de passer par un amplificateur situé entre le capteur SENS et l’appareil de mesure extérieur. On peut également se reporter à la demande de brevet publiée sous le numéro FR 3 122 985, dont les enseignements s’appliquent aux objets du présent document.
La illustre en (B) un capteur similaire à celui de la configuration illustrée en (A), mais comportant en outre une seconde feuille SH2, qui peut être de même nature que la feuille SH1, qui permet d’encapsuler l’élément mince PIEZO et amplificateur de charge C.AMP par prise en sandwich entre les feuilles SH1 et SH2.
L’élément mince piézoélectrique PIEZO a préférablement une épaisseur inférieure à 50 µm, plus préférablement inférieure à 25 µm, encore plus préférablement inférieure à 10 µm. Si l’on considère un élément piézoélectrique défini comme illustré dans la , un rapport de l’épaisseur de l’élément PIEZO sur sa dimension LX dans une première direction de son plan d’extension, et/ou d’une dimension Ly dans une deuxième dimension de son plan d’extension normale à la direction Lx, est inférieur à 0,1, préférablement inférieur à 0,05, plus préférablement inférieur à 0,01.
La feuille SH1 et, le cas échéant, la feuille SH2, peuvent avoir une épaisseur comprise entre 5 et 300 µm.
Il est cependant préférable que le capteur piézoélectrique SENS considéré dans son ensemble soit suffisamment souple pour suivre les déformations de l’objet à caractériser sur lequel il est fixé. Le praticien pourra décider pour chaque application des caractéristiques de l’élément mince piézoélectrique PIEZO, de son support, et des autres éléments tels que les couches d’électrodes ou les moyens de prise de contacts électriques.
Alternativement à l’emploi des feuilles souples SH1 et SH2 qui servent de support et de protection de l’élément mince piézoélectrique, on pourrait également employer des supports plus rigides, tels qu’un boîtier rigide métallique, qui ne permettrait cependant pas d’exploiter les aspects de souplesse et de conformabilité d’un élément piézoélectrique mince comme décrit dans le présent document.
Un capteur basé sur un élément mince piézoélectrique à comportement unidirectionnel, et donc à comportement unidirectionnel lui-même, peut être utilisé pour caractériser la déformation d’une pièce mécanique soumise à des déformations dans de multiples directions, mais que l’on recherche la composante de ces déformations dans une direction particulière. On peut également connaître la direction attendue de déformation de la pièce mécanique, et chercher à caractériser cette déformation attendue en particulier. Un avantage d’un capteur basé sur un élément à comportement unidirectionnel est de ne pas mesurer les perturbations résultants des efforts extérieurs parasites auxquels pourrait être exposé le système dans son environnement. Ainsi, la représente en (A) une cellule de charge CELL au repos, équipée de quatre capteurs SENS chacun basé sur un élément mince piézoélectrique à comportement unidirectionnel orientés selon la déformation attendue de la cellule, justement conçue pour se déformer selon une direction préférentielle. Sous charge par application d’une force F, situation illustrée en (B), la cellule de charge se déforme et deux des quatre capteurs sont dans un état de compression Comp tandis que les deux autres sont dans un état d’extension Ext.
Un élément mince piézoélectrique à comportement omnidirectionnel peut être utilisé lorsque la pièce mécanique considérée est soumise à une déformation radiale et/ou si la déformation est la même selon une direction axiale et une direction transverse, par exemple une membrane soumise à une variation de pression acoustique et dont on cherche à caractériser la déformation. La illustre une telle situation, avec une armature rigide circulaire ARM fixant la périphérie d’une membrane MEM pouvant être mise en vibration par exemple sous l’effet d’une onde acoustique. Ici, la membrane peut être constituée d’un élément mince piézoélectrique mince déposé sur un support flexible.
Un élément mince piézoélectrique à comportement bidirectionnel peut être utilisé par exemple lorsqu’une poutre cylindrique BEAM est soumise à ses extrémités à un couple de forces opposées l’une à l’autre FT+ et FT- autour de l’axe longitudinal de la poutre (torsion). Dans cette situation, chaque point de la surface de la poutre subit simultanément une compression Comp selon une première direction et une extension Ext selon une seconde direction normale à la première direction, comme illustré par la . Dans une telle situation, placer un capteur muni d’un élément mince piézoélectrique à comportement bidirectionnel avec ses axes x et y respectivement alignés à la direction de compression et à la direction d’extension est adapté à une détection efficace de la déformation, ce qui permet de remonter au couple de forces subi par la poutre au moyen d’un seul capteur. En effet, au vu des caractéristiques du capteur, avec des sensibilités à la déformation de signes opposés dans les directions normales l’une à l’autre, et des caractéristiques de la déformation, avec une extension dans une première direction et une compression dans une seconde direction normale à la première direction, le capteur peut être sensible aux deux directions de déformation pour peu qu’il soit positionné de manière adéquate sur la poutre cylindrique. Pour une caractérisation similaire par des moyens conventionnelles, deux jauges de déformation résistives seraient nécessaires en raison de leur sensibilité largement unidirectionnelle.
Dans les exemples des figures 10, 11 et 12, la flexibilité de l’élément piézoélectrique mince est avantageusement exploitée pour fixer la totalité de l’une de ses faces en contact intime avec la surface courbe de la pièce mécanique étudiée. Dans l’exemple de la , la déformabilité apportée par la flexibilité de l’élément mince piézoélectrique est particulièrement mise à profit.
La géométrie décrite ci-dessus représente une configuration de base. Il est également possible de combiner ensemble plusieurs éléments PIEZO pour former un capteur. Les figures 13, 14 et 15 illustrent plusieurs configurations possibles pour des capteurs combinant des éléments minces piézoélectriques à comportement unidirectionnel selon une direction Sens_Dir propre à chaque élément. Chacun de ces capteurs a une structure analogue à celle du capteur SENS illustré par la , les éléments minces piézoélectriques de ces capteurs partageant un même support Supp sur lequel ils sont placés, support éventuellement formé de la feuille SH1 souple du capteur SENS. Aussi, chacun des éléments minces peut être connecté à un amplificateur dédié comme dans le capteur SENS décrit plus haut, éventuellement intégré sur le support Supp. L’amplificateur peut être un amplificateur de charges.
La illustre un capteur SENS_1 comprenant deux éléments minces piézoélectriques PIEZO_0° et PIEZO_90° fixés sur un même support Supp et ayant leurs directions Sens_Dir respectives orientées à 90° l’une de l’autre. Cet exemple illustre une configuration avec deux éléments minces piézoélectriques présentant une orientation spécifique l’un par rapport à l’autre, mais l’invention ne se limite pas à cette configuration particulière, et le nombre et les orientations respectives des éléments minces piézoélectriques ne sont pas limités à cette configuration particulière et peuvent être adaptés aux exigences de toute application, comme décidé par le praticien.
La illustre un capteur SENS_2 comprenant trois éléments minces piézoélectriques PIEZO_0°, PIEZO_90° et PIEZO_45° fixés sur un même support Supp, les directions Sens_Dir de PIEZO_90° et PIEZO_45° étant respectivement inclinées de 90° et 45° par rapport à la direction Sens_Dir de PIEZO_0°. En outre, les trois éléments minces piézoélectriques vérifient chacun la caractéristique abs(Sy/Sx)<0,1, c’est-à-dire qu’ils présentent un comportement unidirectionnel.
La illustre un capteur SENS_3 comprenant trois éléments minces piézoélectriques PIEZO_0°, PIEZO_120° et PIEZO_240° fixés sur un même support Supp, les directions Sens_Dir de PIEZO_120° et PIEZO_240° étant respectivement inclinées de 120° et 240° par rapport à la direction Sens_Dir de PIEZO_0°. En outre, les trois éléments minces piézoélectriques vérifient chacun la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, c’est-à-dire qu’ils présentent un comportement unidirectionnel.
Les configurations des capteurs SENS_2 et SENS_3 mettent en œuvre le principe connu de combiner des jauges résistives de déformation (voir ) de manière à former ce que l’on appelle des rosettes de jauges de déformation, qui permettent de caractériser la déformation de la surface d’une pièce mécanique même lorsque cette déformation n’est pas unidirectionnelle. Si le principe de placement des éléments minces afin de remonter efficacement des mesures aux composantes de la déformation est connu, le remplacement des jauges résistives présentant une excellente directivité par les éléments minces piézoélectriques à comportement unidirectionnel selon l’invention permet d’obtenir une sensibilité à la déformation d’ordinaire inatteignable pour des applications comparables. Ce remplacement est rendu possible par la détermination d’orientations cristallines spécifiques qui confèrent aux éléments piézoélectriques minces selon l’invention un comportement unidirectionnel.
Il est commode d’utiliser certaines orientations particulières (0°, 45°, 90°, 120°, 240°) pour les éléments minces piézoélectriques constituant les rosettes, mais il n’y a aucune raison de principe de se limiter aux configurations particulières des capteurs SENS_2 et SENS_3, et des orientations relatives quelconques peuvent être retenues tant que deux des capteurs ne sont pas orientés parallèlement entre eux. Lorsque l’on parle de ces orientations particulières, on comprend que les valeurs données sont les valeurs optimales et que les valeurs sur un dispositif réel peuvent être légèrement différentes de ces valeurs optimales. Par exemples, les angles effectifs entre les orientations peuvent être donnés avec une imprécision allant jusqu’à ±10°, préférablement ±5°, encore plus préférablement ±1°.
Plus généralement, la détermination d’orientations cristallines en passant par l’approche détaillée plus haut, basée sur l’étude de la déformation d’un élément piézoélectrique mince, permet de définir des orientations cristallines menant à des comportements en réponse à une déformation qui sont parfaitement choisis et contrôlés. Mis en œuvre dans des capteurs de déformations, de tels éléments minces piézoélectriques apportent une grande souplesse d’utilisation au praticien, et permet la mise au point de capteurs parfaitement adaptés aux applications visées.
Couplage de capteurs
Une possibilité d’emploi des éléments minces piézoélectriques selon l’invention est leur couplage, c’est-à-dire les configurer de manière telle que les charges électriques générés par au moins deux éléments piézoélectriques pendant leur usage s’additionnent, par exemple en connectant électriquement leurs électrodes respectives. Une application peut être la correction de leurs erreurs de directionnalité.
Considérons par exemple une orientation cristalline de de sensibilité omnidirectionnelle, pour laquelle abs(Sx-Sy)/Sx) <10%. On peut prendre deux capteurs piézoélectriques PIEZO’_0° et PIEZO’_90° présentant cette orientation cristalline dits « capteurs élémentaires », les intégrer sur un même support en les orientant à 90° l’un de l’autre et les connecter électriquement en parallèle. Dans une telle configuration, les deux électrodes EL1 sont connectées entre elles et à une surface de connexion PAD1 par des éléments de connexion C1, et les deux électrodes EL2 (non représentées sur la , se reporter à la ) sont connectées entre elles et à une surface de connexion PAD2 par des éléments de connexion C2.
La sortie du capteur résultant dit « capteur combiné » sera la somme des charges électriques générées par les deux capteurs. L’intérêt est que le couplage ainsi réalisé dans le capteur combiné compense l’erreur de directionnalité maximale de 10% de chacun des deux capteurs élémentaires pris individuellement : le capteur combiné sera parfaitement omnidirectionnel.
Le même principe peut être appliqué à d’autres systèmes, par exemple à plusieurs capteurs élémentaires imparfaitement unidirectionnels pour obtenir un capteur combiné parfaitement directionnel, les capteurs élémentaires pouvant être de tailles différentes et d’orientations relatives déterminées de manière à corriger les imperfections de directionnalité de ces capteurs.
Exemples applicatifs
La illustre en (A) une vue en perspective d’un premier exemple applicatif avec un anneau R instrumenté par trois capteur SENS selon l’invention. Ces capteurs sont de préférence du type unidirectionnel ou omnidirectionnel.
Cette instrumentation de l’anneau permet de le transformer en interface homme/machine afin de contrôler, par exemple, un appareil électronique tel qu’un ordinateur, un smartphone, une télévision ou encore un lecteur multimédia. Trois capteurs de déformation piézo-électriques SENS sont collés sur l’anneau, qui intègre les équipements électroniques EL et éventuellement le source d’énergie nécessaires pour mesurer les charges électriques générées par les capteurs, les analyser, et renvoyer, selon une technique sans fil, l’information à un appareil externe tel que ceux cités ci-dessus.
Comme illustré en (B) de la , lorsque l’anneau R est pris entre deux doigts F1 et F2, une force de compression F est appliquée de part et d’autre de l’anneau par les doigts, ce qui va créer une déformation localisée qu’il est possible de mesurer à l’aide des trois capteurs SENS. Lorsque l’anneau est roulé entre les doigts selon un mouvement de rotation Rot comme illustré en (C), la position à laquelle est appliquée cette force se déplace, et ce déplacement peut être mesuré en comparant les signaux des trois capteurs. On peut ainsi détecter les actions suivantes, et les associer à des actions prédéterminées, comme par exemple (i) un appui simple par pression entre les doigts associé à une action de validation, (ii) un appui double associé à une action de retour en arrière dans un menu d’une application contrôlée par l’anneau, et (iii) une rotation dans un sens ou dans l’autre associée au contrôle du défilement vers le haut ou vers le bas dans une liste ou au contrôle du volume d’un lecteur de musique.
La illustre un second exemple applicatif avec une un smartphone SMART équipé de quatre capteurs minces piézoélectriques SENS selon l’invention.
Une première application d’un tel système répond à la problématique selon laquelle un smartphone peut être abimé lorsqu’il est soumis à une déformation trop forte, ce qui arrive typiquement lorsqu’il est placé dans la poche arrière d’un pantalon et que l’utilisateur s’assoit. L’intégration d’un ou plusieurs capteurs SENS selon l’invention dans un smartphone permet de mesurer la déformation du téléphone en continu, et de prévenir l’utilisateur à l’aide d’un message visuel ou sonore lorsque la déformation dépasse un seuil prédéfini au-delà duquel le smartphone pourrait être endommagé. Dans cet exemple, les capteurs SENS sont fixés sur la face arrière RF destinée à recouvrir le corps principal MB du smartphone SMART et connectés au système de traitement de données du smartphone. Les quatre capteurs son agencés de manière à mesurer les déformations dans les deux axes principaux (définis par les directions des côtés longs et courts du smartphone), ainsi que les couples appliqués au téléphone dans toutes les directions. Les capteurs sont préférablement unidirectionnels, avec deux capteurs orientés parallèlement à un côté long du smartphone et deux autres orientés parallèlement à un coté court du smartphone.
Pour une seconde application du système de la , des capteurs SENS préférablement omnidirectionnels sont employés de manière à détecter et localiser un appui sur la face arrière du téléphone, en vue d’un usage des capteurs comme interface homme/machine. On compare pour cela les signaux mesurés par les quatre capteurs : plus l’appui est proche d’un capteur plus la déformation mesurée est grande, on peut ainsi détecter et localiser l’appui à l’aide des quatre capteurs. Sur la base de cette détection et de cette localisation, on peut identifier les interactions suivantes de l’utilisateur avec son téléphone et les associer à des actions de contrôle : (i) appui simple, (ii) appui double, (iii) appui sur une touche d’un clavier tactile virtuel situé sur la face arrière du smartphone, chaque touche correspondant à une zone d’appui respective sur la face arrière du smartphone. 
Fabrication d’une couche mince piézoélectrique
Une couche mince piézoélectrique selon l’invention munie de ses électrodes peut être fabriquée comme décrit ci-dessous. Un substrat dit « piézoélectrique sur isolant » (ou POI pour Piezoelectric On Insulator en terminologie anglaise, une structure comprenant une couche piézoélectrique fixée sur un substrat, une couche d’oxyde de silicium étant interposée entre ces deux couches) disponible dans le commerce est utilisé comme source de la couche mince piézoélectrique. Ce type de substrats peut être obtenu pour toute orientation cristalline et pour tout type de matériau piézoélectrique.
A une première étape, une première couche d’électrode de platine de 400 nm d'épaisseur est déposée sur la surface libre de la couche mince piézoélectrique par dépôt chimique en phase vapeur (par exemple par PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
A une seconde étape, un support en verre muni d’une couche de séparation (par exemple une couche dite « LTHC » pour « Light to Heat Conversion release Coating ») est temporairement collé sur l'électrode de platine déposée à la première étape, à l'aide d'un liquide polymérisé par exposition à un rayonnement ultraviolet, de manière à former une plaquette verre-POI.
A une troisième étape, l'empilement verre-POI est aminci par rodage mécanique (« grinding » en terminologie anglaise) de la face libre du substrat du POI jusqu’à atteindre approximativement la couche d’oxyde de silicium enfouie du POI. Une gravure sèche permet d’éliminer le silicium restant et la couche d’oxyde et de s’arrêter sélectivement à la couche piézoélectrique.
Tout ce qui reste de la plaquette verre-POI à la suite de la troisième étape est la fine couche piézoélectrique sous laquelle se trouve la première couche d’électrode de platine supportée par le substrat en verre.
A une quatrième étape, une deuxième couche d'électrode de 400 nm de platine est ensuite déposée sur la face exposée de la couche mince piézoélectrique par dépôt chimique en phase vapeur.
Enfin, l'empilement constitué du film piézoélectrique mince entre ses deux couches d’électrodes est transféré et collé sur un substrat final. Le support en verre est ensuite retiré par décollement au niveau de la couche de séparation (par irradiation laser dans le cas d’une couche de séparation LTHC) utilisée pour décoller le liquide polymérisé, laissant la fine pile piézoélectrique et ses couches d’électrodes sur son substrat final.
Ce procédé permet la fabrication et le transfert de films minces piézoélectriques de grande taille avec des électrodes sur des substrats de types divers. Il est ensuite nécessaire de découper la pile piézoélectrique et le substrat aux bonnes dimensions en fonction des applications visées. Dans cette description, des passages de la description concernant un élément associé à un identifiant donné à un autre élément de même identifiant dans une autre figure.
Dans cette description, qualifier un capteur de déformation ou le comportement de ce capteur d’unidirectionnel, de bidirectionnel ou d’omnidirectionnel revient à dire que ce capteur intègre un élément mince piézoélectrique dont la sensibilité est unidirectionnelle, bidirectionnelle ou omnidirectionnelle comme défini dans la description, respectivement.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits ci-dessus et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims (14)

  1. Élément mince piézoélectrique (PIEZO) monocristallin se présentant sous forme d’une plaque s’étendant dans un plan d’extension (xy) défini par une première direction (x) et une seconde direction (y) normale à la première direction, de dimensions (LX, LY) dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d’épaisseur (LZ) inférieure à 50 µm, un rapport de l’épaisseur sur la dimension (LX) dans la première direction ou la dimension (Ly) dans la seconde direction étant inférieur à 0,1, l’élément piézoélectrique présentant une première sensibilité (Sx) à la déformation selon la première direction et une seconde sensibilité (Sy) à la déformation selon la seconde direction, une orientation cristalline de l’élément (PIEZO) étant telle que :
    - abs(Sy/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « unidirectionnelle »,
    - abs((Sy+Sx)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « bidirectionnelle », ou
    - pour au moins deux premières directions (x) du plan d’extension (xy) faisant entre elles un angle compris entre 30° et 60°, abs((Sx-Sy)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « omnidirectionnelle ».
  2. Élément mince piézoélectrique (PIEZO) selon la revendication 1, muni d’une paire de couches électriquement conductrices (EL1, EL2) situées respectivement sur deux faces opposées de l’élément mince piézoélectrique.
  3. Capteur (SENS, SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation comprenant au moins un élément mince piézoélectrique (PIEZO) selon la revendication 1 ou 2, situé sur une feuille souple (SH1).
  4. Capteur (SENS, SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation selon la revendication 3, le au moins un élément mince piézoélectrique étant encapsulé entre la feuille souple (SH1) et une autre feuille souple (SH2)
  5. Capteur (SENS, SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation selon la revendication 3 ou 4, comprenant au moins un amplificateur de charge (C.AMP) connecté à l’au moins un élément mince piézoélectrique (PIEZO).
  6. Capteur (SENS, SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation selon la revendication 5, l’au moins un amplificateur de charge (C.AMP) étant intégré sur la feuille souple (SH1).
  7. Capteur (SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, comprenant une pluralité d’éléments minces piézoélectriques (PIEZO_0°, PIEZO_90°, PIEZO_45°, PIEZO_120°, PIEZO_240°) selon la revendication 1 ou 2, orientés selon des directions différentes présentant au moins 30° d’écart entre elles.
  8. Capteur de déformation (SENS-2) selon la revendication 7, comprenant un premier (PIEZO_0°), un second (PIEZO_90°) et un troisième (PIEZO_45°) éléments minces piézoélectriques, chacun présentant la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction (x) du second élément mince piézoélectrique faisant un angle de 90° avec la première direction (x) du premier élément mince piézoélectrique, la première direction (x) du troisième élément mince piézoélectrique faisant un angle de 45° avec la première direction (x) du premier élément mince piézoélectrique.
  9. Capteur de déformation (SENS_3) selon la revendication 7, comprenant un premier (PIEZO_0°), un second (PIEZO_120°) et un troisième (PIEZO_240°) éléments minces piézoélectriques, chacun présentant la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction (x) du second élément mince piézoélectrique faisant un angle de 120° avec la première direction (x) du premier élément mince piézoélectrique, la première direction (x) du troisième élément mince piézoélectrique faisant un angle de 240° avec la première direction (x) du premier élément mince piézoélectrique.
  10. Capteur (SENS_1, SENS-2, SENS_3) de déformation selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant une pluralité d’amplificateurs de charge (C.AMP) chacun reliés à l’un respectif des éléments piézoélectriques minces.
  11. Capteur combinant au moins deux capteurs selon l’une quelconque des revendication 3 à 6 connectés électriquement en parallèle.
  12. Un appareil muni d’au moins un des capteurs de déformation selon l’une quelconque des revendications 3 à 10 ou une combinaison de capteurs selon la revendication 11.
  13. Un appareil selon la revendication 12, l’appareil étant un anneau muni d’au moins deux capteurs de déformation de type unidirectionnel ou omnidirectionnel, l’anneau étant configuré pour servir d’interface homme/machine.
  14. Un appareil selon la revendication 12, l’appareil étant un smartphone équipé d’au moins un capteur de déformation et configuré pour avertir un utilisateur lorsqu’une déformation mesurée sur la base de signaux de l’au moins un capteur dépasse un seuil prédéterminé ou pour servir d’interface homme/machine.
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