DESCRIPTION

La présente invention concerne une jauge de contrainte sur support souple, ainsi qu\'un capteur muni de ladite jauge.

Les jauges de contraintes disposées sur un support souple sont utilisées pour mesurer les défor¬ mations de pièces mécaniques. Leurs applications sont multiples. Elles sont utilisées notamment pour le pesage, (balances commerciales et pèse-personnes par exemple), pour les mesures de pression, pour les mesures de contraintes sur des pièces mécaniques telles que des arbres de transmission, différentes parties d\'une aile d\'avion ou des concavités. Elles sont également utilisées en extentiométrie pour le contrôle de struc¬ tures en béton, telles que des barrages ou des ponts. Enfin, ces jauges peuvent également permettre d\'ef¬ fectuer des mesures de torsion, de couple, de vibrations ou d\'accélération.

Sous sa forme la plus simple, la jauge 1 est constituée par un brin très fin 3 collé sur un support mince 5 et arrangé suivant une forme en boucles représentée à la figure 1 jointe, c\'est-à-dire que la majeure partie de sa longueur est distribuée paral¬ lèlement à une direction fixe (flèche X). Des brins plus gros 7 servent à souder les sorties, à des câbles de liaison aux instruments.

Lorsqu\'on désire connaître l\'allongement d\'une structure suivant une direction donnée, on colle la jauge 1, les brins parallèles à cette direction.

D\'autre part, les jauges 1 servent à réaliser des capteurs 9 tel que celui illustré en figure 2 ju n-

te. Un capteur est un dispositif mécanique destiné à transformer une grandeur physique quelconque A (pres¬ sion, force, accélération, etc..) en déformation d\'une pièce 11 dite corps d\'épreuve. Les jauges collées sur le corps d\'épreuve détectent ses déformations, en vue de la mesure de la grandeur physique A ou pour agir sur des dispositifs régulateurs.

Dans le cas illustré en figure 2, les deux jauges le travaillent en compression et les deux jauges le en extension. Ceci permet d\'avoir des mesures très précises de l\'ordre de 10 ^-4 de l\'étendue de la mesure. Le même montage peut être effectué sur toutes sortes de structures, comme cela est décrit dans "L\'encyclo¬ pédie Vishay d\'analyse des contraintes", Vishay-Micro- mesures, Malakoff, France, 282-284.

Enfin, les jauges peuvent être disposées en forme de pont de heatsone, comme cela est décrit dans le brevet EP-0 053 059, par exemple.

Quelle que soit la disposition des jauges de contrainte, les mesures effectuées sont toutes basées sur les variations de résistance du brin 3, ces varia¬ tions étant fonction de la nature du matériau le consti¬ tuant et de ses formations en longueur et en section.

On connaît déjà d\'après le brevet EP-A-0 053 059 une jauge de contrainte, réalisée par dépôt sous vide d\'une couche d\'alliage métallique de 50 à 500 nm sur un substrat en verre de 100 à 250 iim d\'épaisseur. Or, le verre est extrêmement cassant et difficile à utiliser dans certains cas. En conséquence, cette jauge peut être utilisée uniquement en compression et non en traction à cause de la limite de rupture du verre.

On connaît également d\'après l\'art antérieur des jauges de contraintes destinées à être utilisées en compression et en extension et fixées à cet effet

sur un support souple. Ces jauges comprennent un film mince de polyimide ou de résine époxy phenolique, d\'une épaisseur de 25 μm, sur lequel on colle une feuille très mince d\'environ 5 um d\'un matériau résistif laminé tel qu\'un alliage de nickel-chrome, de cuivre-nickel ou de platine-tungstène.

Dans ce cas, la couche résistive est ensuite gravée en fines bandes pour obtenir une résistance dont la forme est donnée sur la figure 1 jointe. Les résistances ainsi obtenues peuvent présenter des valeurs comprises entre 120 et 6000 ohms.

Ce type de jauge présente un certain nombre d\'inconvénients. La fabrication de ces jauges est oné¬ reuse car le collage des feuilles très minces de maté- riau résistif est une opération délicate et diffici¬ lement reproductible. En outre, la fabrication des feuilles métalliques de 5 m d\'épaisseur est longue et difficile, elle nécessite une succession de laminages et de recuits qui stabilisent le matériau entre chaque étape de laminage. Enfin, l\'épaisseur de la couche résistive métallique de 5 ^ιm limite les valeurs des résistances obtenues qui ne sont généralement pas supé¬ rieures à 6000 ohms.

On connaît également d\'après le brevet US-4,786,887, une jauge comprenant un substrat souple recouvert d\'une couche isolante polymère et d\'une couche résistive en alliage nickel-chrome, une couche conduc¬ trice d\'or étant en outre déposée uniquement sur les pattes de sortie pour former des plots de contact. Ce document propose d\'ajuster le fluage du corps d\'é¬ preuve en modifiant les caractéristiques de la couche isolante.

Par ailleurs, on notera que sous l\'action d\'une force constante, le corps d\'épreuve 11 et la jauge 1 se déforment instantanément à l\'instant d\'ap-

plication de ladite force, puis ils continuent à se déformer progressivement au cours du temps, c\'est le phénomène dit de "fluage". Lorsque la force est enlevée du corps d\'épreuve 11, celui-ci revient à sa position initiale. La valeur de fluage se mesure en faisant le rapport entre la variation de longueur de l\'élément soumis au fluage et sa longueur initiale.

De même, après la déformation instantanée de la jauge 1 qui suit celle du corps d\'épreuve 11, la jauge 1 est soumise à une force qui tend à s\'opposer à cette déformation, c\'est le phénomène dit de "relaxa¬ tion" . Celui-ci correspond à une diminution de la contrainte qui s\'exerce sur la jauge quand la défor¬ mation est maintenue constante. De manière générale, une jauge 1 fixée sur un corps d\'épreuve 11 sur lequel on applique une charge A, est soumise à trois déformations différentes :

- une déformation instantanée correspondant à l\'application de la charge, - une déformation due au fluage du corps d\'épreuve, et

- une déformation due à sa relaxation propre. Le résultat de la mesure effectuée à l\'aide de la jauge correspond à la résultante de ces trois déformations. Toutefois, les caractéristiques du fluage ou de la relaxation sont adaptées en fonction des ap¬ plications des jauges.

Dans le cas de la jauge de contrainte repré¬ sentée sur les figures 1 et 2, la transmission des déformations du corps d\'épreuve 11, à la jauge 1, se fait surtout par cisaillement des boucles 15 de rac¬ cordement entre les brins 3 successifs, au niveau des extrémités de celles-ci.

Lorsque l\'on souhaite mesurer l\'évolution du fluage d\'une structure sous charge constante, telle

qu\'un pont par exemple, la jauge doit être sans relaxa¬ tion. Or, la relaxation de la jauge 1 dépend de la longueur des boucles 15 ; plus les boucles 15 sont courtes et plus la relaxation de la jauge est impor- tante. On adapte donc la relaxation de la jauge en choisissant la longueur des boucles. Cela impose de calculer avant la fabrication, la longueur des boucles, pour chaque corps d\'épreuve utilisé. Il est alors néces¬ saire d\'avoir un dessin de jauge par corps d\'épreuve et un masque de gravure par corps d\'épreuve. Le procédé de fabrication est donc onéreux.

On notera que dans le brevet EP-A-0 053 059, il n\'est pas fait allusion au problème du réglage du fluage, car l\'application visée est principalement destinée au pesage grand public (balances de ménage, pèse-personnes), où la précision exigée est moindre que dans les mesures de pesage effectuées dans le sec¬ teur professionnel. Pour les capteurs grand public, les erreurs dues au fluage sont comprises dans les tolérances de mesure.

En revanche, lorsque l\'on utilise les jauges pour un pesage précis, le dessin de la jauge 1 doit permettre d\'avoir une relaxation qui compense parfai¬ tement le fluage du corps d\'épreuve 11 de façon à avoir un signal de sortie constant. Une telle précision est nécessaire pour que l\'indication de poids soit constante quelle que soit la durée du pesage.

On connaît également d\'après le brevet US-A-4 876 893 une jauge de contrainte pour capteur de pression. Cette jauge comprend une plaque de base électriquement isolante (verre ou métal isolé), recouverte d\'un unique film mince d\'alliage. La composition préférentielle de cet alliage est la suivante: avec a_ compris entre 40 et 60% et b entre 3 et 8% en poids. Ce document

n\'aborde absolument pas le problème dufluage.

D\'une manière générale, les phénomènes de fluage et de relaxation sont peu importants à tempé¬ rature ambiante, mais peuvent ne plus être négligeables lorsque le corps d\'épreuve et/ou la colle liant la jauge audit corps sont chauffés à des températures proches de leurs limites d\'emploi. On réduit cet effet en faisant subir à l\'ensemble un traitement thermi¬ que, à une température supérieure à celle de l\'utili- sation ultérieure. Ceci est important, surtout sur les capteurs qui souvent doivent avoir une fidélité meilleure que 0,1%. Toutefois, ces traitements thermi¬ ques sont coûteux.

Par ailleurs, il est possible que le corps d\'épreuve 11 ait un coefficient de dilatation très différent de celui de la jauge 1. Le collage ayant été définitif à la température de traitement de la colle, lorsqu\'on revient à la température ambiante, la jauge est soumise à une déformation. Le vrai zéro ne correspond donc pas au cas d\'absence de charge, mais à celui d\'une charge qui retrouve les conditions du collage. Ainsi, certaines installations fluent en l\'absence de charge, mais pas pour une déformation donnée. Enfin, on sait qu\'une résistance peut varier en fonction de la température selon la formule ci-des¬ sous :

R = Ro (1 + T) dans laquelle Ro représente la valeur de la résistance de la jauge à une température de référence, T représente la température à 1\'instant de la mesure et x représente le coefficient de température de la résistance (TCR) du matériau dans lequel est réalisé la résistance (brins 3). Lorsque le TCR est proche de 0, la valeur de la résistance ne varie pas en fonction de la température.

Il serait donc souhaitable de réaliser des jauges dans des matériaux dont le TCR est voisin de zéro.

De la maîtrise de ces phénomènes de fluage dépendent en grande partie les qualités metrologiques d\'une jauge et d\'un capteur.

En conséquence, l\'invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités et notamment de permettre l\'adaptation du fluage de la jauge à dif- férents corps d\'épreuve, tout en conservant un coef¬ ficient de température de la résistance proche de zéro et surtout sans avoir à modifier le dessin du masque permettant la réalisation des boucles, pour chaque corps d\'épreuve. A cet effet, l\'invention concerne une jauge de contrainte destinée à être fixée sur l\'une des faces d\'un corps d\'épreuve pouvant se déformer sous l\'action d\'une grandeur à mesurer, cette jauge comprenant une couche mince sensible aux déformations gravée en forme de résistance et fixée sur un support souple.

Selon les caractéristiques de l\'invention, ladite couche mince comprend au moins deux sous-couches présentant des valeurs de fluage différentes.

De façon avantageuse, la couche mince a une structure multicouches comprenant plusieurs couches présentant des valeurs de fluage différentes et des épaisseurs différentes.

Ainsi, il est possible d\'adapter le degré de relaxation ou de fluage des jauges en faisant varier la nature des couches minces, leur nombre et leur épais¬ seur.

De façon avantageuse, l\'une des sous-couches présente une valeur de fluage positive, il s\'agit d\'un alliage à l\'état amorphe, présentant un TCR voisin de zéro, tandis que l\'autre sous-couche présente une

valeur de fluage négative, il s\'agit d\'un alliage à l\'état cristallin, dont le TCR est également voisin de zéro.

L\'invention concerne également un capteur de mesure d\'une grandeur. Selon les caractéristiques de l\'invention, il comprend au moins une jauge de contrainte selon l\'invention fixée sur un corps d\'épreu¬ ve pouvant se déformer sous l\'action de ladite grandeur à mesurer. L\'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d\'un mode de réalisation de l\'invention donnée à titre d\'exemple purement il- lustratif et non limitatif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels :

- la figure 1 est un schéma illustrant une jauge de contrainte selon l\'art antérieur, en vue de dessus,

- la figure 2 est une vue en perspective d\'un capteur comprenant plusieurs jauges de l\'art anté¬ rieur,

- la figure 3 est une vue partielle, en pers¬ pective, d\'un mode de réalisation d\'une jauge de contrainte selon l\'invention, et - la figure 4 est une courbe illustrant le fluage en fonction du temps, pour des jauges de contrainte réalisées selon l\'invention et des jauges témoins.

Selon un premier mode de réalisation de l\'in- vention, la jauge de contrainte illustrée en figure

3 présente une forme allongée, identique à celle qui a été décrite en détail en figure 1 dans l\'introduction.

Cette jauge de contrainte comprend un support souple 20 réalisé de préférence en un polymère thermo- durcissable, et résistant à des températures au moins

égales à 400°C environ, tel qu\'un polyimide.

Ce support souple 20 est recouvert d\'une couche mince 22 sensible aux déformations. Cette couche 22 présente la forme de la résistance décrite pour la figure 1. Selon les caractéristiques de l\'invention, elle comprend au moins deux sous-couches 24, 26 présen¬ tant des valeurs de fluage différentes.

La première sous-couche 26 est de préférence réalisée dans un alliage présentant une valeur de fluage 0 positive, et se trouvant à l\'état amorphe. Cette sous-couche mince est réalisée dans un matériau choisi parmi les alliages à base de nickel-chrome, platine-tungstène ou cuivre-nickel. De façon avanta¬ geuse, l\'alliage comprend du nickel, du chrome et du e silicium. Plus précisément, il présente la formule suivante : Ni _x CrySi _z avec 5 < z <11 et x+y+z=100. Plus précisément encore, il comprend en poids, environ 72% de nickel, 18% de chrome et 10% de silicium. Son coef¬ ficient de température de résistance (TCR) est voisin 0 de 0.

La deuxième sous-couche 24 est de préférence constituée d\'un alliage présentant une valeur de fluage négative, c\'est-à-dire qui entraîne une relaxation importante de la jauge par rapport au corps d\'épreuve 5 sur lequel elle est placée. De préférence, cet alliage est à l\'état cristallin. Il est choisi parmi les al¬ liages à base de nickel-chrome, platine-tungstène ou cuivre-nickel. De façon avantageuse, il est constitué par du constantan, c\'est-à-dire un alliage comprenant 0 en poids, environ 55% de cuivre, 44% de nickel et 1% de manganèse. Son coefficient de température de résis¬ tance (TCR) est voisin de zéro.

Il est possible d\'utiliser deux types de constantan, dopés par plusieurs impuretés dont les _c principales sont données dans le tableau 1 ci-dessous.

Il serait également possible d\'utiliser comme dopant du zinc, de l\'argent ou du titane.

Tableau 1

constantan n 1 constantan n° 2

⁽ pg/g ^{) (} μg/g ⁾

Le premier alliage de constantan (n 1) pos¬ sède un TCR voisin de 0. Le deuxième alliage de constan¬ tan (n° 2) présente un TCR plus grand mais une relaxa- tion plus faible.

Un alliage de constantan présentant un faible taux d\'impuretés a un TCR plus élevé et inversement. On adaptera donc la quantité de dopants présents dans l\'alliage en fonction du TCR recherché. De façon avantageuse et comme cela a été représenté en figure 3, on dépose de préférence la sous-couche 26 d\'alliage à l\'état amorphe directement sur le support souple 20, puis ensuite la sous-couche 24 sur la sous-couche 26. Il est également possible de faire le contraire mais les résultats obtenus sont

moins homogènes.

On notera qu\'il n\'est pas impératif que l\'une des sous-couches ait une valeur de fluage positive et l\'autre une valeur négative, mais qu\'il suffit simplement que ces valeurs soient différentes.

Le degré de fluage de la jauge ou plus exacte¬ ment de la couche mince 22 dépend non seulement de la valeur du fluage relatif à chacune des sous-couches 24, 26, mais également de l\'épaisseur relative et du nombre de sous-couches 24, 26. Les essais décrits ci-après ont été effectués avec trois et cinq couches.

Le procédé de fabrication des jauges va main¬ tenant être décrit plus en détail. Des dépôts multi- couches d\'alliages amorphe (NiCrSi) et cristallin (CuNiMn) ont été effectués par pulvérisation cathodique à diode continue, sur un support souple 20 de polyimide de 25 um d\'épaisseur. Ce type de procédé de dépôt expli¬ que que le polymère polyimide doive résister à des températures voisines de 400°C ou plus, atteintes lors de l\'élaboration des couches minces. Bien entendu, cette valeur de température peut êtra abaissée par adjonction de systèmes réfrigérants au dispositif de dépôt. Le choix du polymère dépend de la température atteinte lors du dépôt des couches minces. Ce choix est alors à la portée de l\'homme de l\'art.

Ces techniques de dépôts de couches minces permettent de déposer des couches présentant des épais¬ seurs comprises 50.10 ^~10 m et 10000.10 ^~10 m et d\'avoir des résistances très élevées par unité de longueur. Ensuite, les résistances sont gravées par attaque chimi¬ que en suivant la géométrie de la figure 1 ou 3, avec un seul masque pour les différences multi-couches, (c\'est-à-dire une longueur de boucle 15 unique). Ensui¬ te, par exemple les plots de connexion 28 sont dépo- ses à travers un masque aux deux extrémités de chaque

jauge, par évaporation sous vide d\'une épaisseur de 100 A de chrome, 3000 A de nickel et 3000 A d\'or. Enfin, les jauges obtenues sont collées sur le corps d\'épreuve de façon à former un capteur. Elles peuvent être dispo- sées comme illustré sur la figure 2 en forme de pont de Wheastone. Des fils de connexion sont ensuite soudés aux plots de connexion, au fer à souder, avec un alliage étain-plomb, par exemple. Test effectué sur les jauges de contrainte présentant la structure conforme à l\'invention

Les jauges ont été installées sur un corps d\'épreuve selon une disposition en pont de Wheastone. Le corps d\'épreuve est destiné à un pesage effectué entre 0 et 3 kg. Ce corps d\'épreuve présente un fluage de valeur intermédiaire par rapport à tous les corps d\'épreuve utilisés généralement dans le pesage. La figure 4 illustre les mesures effectuées en appliquant une charge maximum et en faisant des relevés du désé¬ quilibre du pont de Wheatsone pendant 30 minutes. Les courbes représentent le fluage (c\'est-à-dire la déformation en /oo de la déformation maximale), en fonction du temps. Les essais ont été effectués avec une jauge comprenant un support souple en polyimide recouvert d\'une ou de plusieurs sous-couches de NiCrSi amorphe ou de constantan cristallin. En face de chaque courbe, on a également représenté la section correspon¬ dante de la jauge sans la couche support 20 et les épaisseurs relatives du constantan et de l\'alliage NiCrSi. La courbe Cl représente la résultante obtenue avec une couche de constantan seule et forme un témoin. Le fluage est de -1.10 ^-3 après 30 minutes.

Les courbes C2, C3 et C4 montrent la diminu¬ tion de l\'effet de relaxation (augmentation de la valeur du fluage) due à l\'augmentation d\'épaisseur de la sous-

couche de NiCrSi, par rapport à celle du constantan. La courbe C4 correspond à un fluage de la jauge qui compense exactement le fluage du corps d\'épreuve.

Les courbes C5, C6 et C7 représentent les résultats décalés vers des valeurs positives de fluage, obtenues avec des sous-couches alternées d\'alliage NiCrSi et de constantan. On notera que les mêmes courbes pourraient être obtenues avec uniquement deux sous-cou¬ ches, en augmentant l\'épaisseur de l\'alliage NiCrSi par rapport à celle du constantan.

Enfin, à titre de comparaison, la courbe C8 montre le fluage du corps d\'épreuve obtenu avec une couche d\'alliage NiCrSi seule. Cette valeur est de 1,4.10~ après 30 minutes. Dans ce cas, la couche métallique suit parfaitement le corps d\'épreuve et la jauge n\'a pas de relaxation.

Les jauges de contrainte selon l\'invention trouvent une application particulière dans le pesage de précision pour les balances poids/prix. En fonction des applications particulières réalisées et notamment de la valeur de fluage souhaitée, on choisira le nombre et l\'épaisseur des différentes sous-couches d\'alliage.