FR3001800A1 - Capteur de pression capacitif souple - Google Patents
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Abstract
Capteur de pression (1) capacitif souple, du type comprenant : - une partie inférieure (2) intégrant des électrodes inférieures (23) conductrices et coplanaires fixées sur un substrat inférieur (20) diélectrique avec un interstice de séparation entre elles et munies de bornes de connexion électrique (25) ; - une partie supérieure (3) intégrant une électrode supérieure (33) flottante, conductrice et souple, fixée sur un substrat supérieur (30) souple et diélectrique ; et - au moins une butée d'espacement (40, 41) réalisée dans un matériau diélectrique et intercalée entre les deux parties (2, 3) pour maintenir un espacement entre les deux dites parties (2, 3) ; l'électrode supérieure (33) étant positionnée en regard des électrodes inférieures (23) à une distance prédéterminée ; les électrodes inférieures (23) étant constituées de couches d'encre conductrice déposées sur le substrat inférieur (20), et l'électrode supérieure (33) étant constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur le substrat supérieur (30). La présente invention trouve une application dans les domaines médical, vétérinaire, agroalimentaire, sportif ou industriel tel que l'automobile ou l'aéronautique.
Description
La présente invention se rapporte à un capteur de pression capacitif au moins partiellement souple, à un système de mesure de la pression composé d'une pluralité de tels capteurs de pression interconnectés, et également à un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression.
La présente invention trouve une application non limitative dans le domaine médical, en particulier pour mesurer la pression exercée par un pied sur une semelle, la pression dentaire, la pression exercée par une personne alitée sur un matelas, la pression exercée par une personne assise sur une chaise notamment roulante, la pression exercée entre une prothèse et le corps humain, etc. Cependant, la présente invention pourrait également s'appliquer dans les domaines vétérinaire ou agroalimentaire, pour mesurer par exemple la pression sous la selle d'un cheval ou sous les pieds d'un animal, dans les domaines industriels tels que les domaines de l'automobile ou de l'aéronautique, pour mesurer par exemple la pression exercée sur un siège notamment pour remplir une fonction de détection de présence sur le siège, dans le domaine sportif, pour mesurer la pression exercée par un pied sur la semelle d'une chaussure dans différentes situations (course, marche, etc.) afin d'optimiser le confort de la semelle et/ou de la chaussure, et également dans l'étude du geste sportif. De manière générale, il est connu de réaliser des capteurs de pression capacitifs souples, ou flexibles, notamment de la demande de brevet US 2011/0120228, sous la forme de deux électrodes superposées, connectées et séparées l'une de l'autre par un matériau diélectrique souple et compressible. En fonctionnement, lorsqu'une pression est exercée sur l'une des deux électrodes, les deux électrodes se rapprochent l'une de l'autre et ainsi la valeur de la capacité varie selon un enseignement bien connu de l'homme du métier. Ce type de capteur présente de nombreux inconvénients, le premier étant qu'il nécessite de connecter les deux électrodes, de part et d'autre du matériau diélectrique souple, complexifiant ainsi sa fabrication. Le second inconvénient tient du fait que, au cours du temps, le matériau diélectrique souple, qui est idéalement à mémoire de forme, ne retrouve pas sa forme d'origine. Ainsi, Pour conserver une mesure juste de la pression, il est indispensable de recalibrer (ou étalonner à nouveau) régulièrement le capteur pour prendre en compte la déformation non réversible du matériau diélectrique souple, et voire de remplacer le matériau diélectrique souple lorsque la dynamique de celui-ci devient trop faible. Ce type d'inconvénient est très contraignant au niveau de la maintenance et donc des coûts d'entretien, sans compter qu'il est difficile de faire des comparaisons de mesures.
Un autre type de capteur capacitif souple est également connu de l'article scientifique « A Polymer-Based Capacitive Sensing Array for Normal and Shear Force Measurement », Ming-Yuan Cheng et al. Sensors 2010, 10, 10211-10225 (ISSN 1424-8220). Cet autre type de capteur est du type comprenant huit électrodes inférieures conductrices et coplanaires séparées de quatre électrodes supérieures flottantes par des butées d'espacement en polydiméthylsiloxane (PDMS), où les électrodes supérieures sont chacune positionnées en regard de deux électrodes inférieures. Dans cet article, les électrodes sont toutes du type film métallique, en particulier film de cuivre. La Demanderesse a constaté qu'un tel capteur, utilisé pour la robotique à des fins de détection tactile, présentait une tenue mécanique insuffisante pour de fortes contraintes, limitant ainsi l'échelle de pression mesurable par un tel capteur et donc les applications envisageables. La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les inconvénients mentionnés ci-dessus, en proposant un capteur de pression capacitif au moins partiellement souple à électrode flottante, qui offre une tenue mécanique suffisante sous de fortes contraintes, en particulier sous l'effet de torsions dans les trois axes, qui soit de fabrication aisée, rapide et peu coûteuse, et qui, de préférence, permet de se passer d'étalonnage (ou calibration) après fabrication tout en offrant une mesure sur de grande échelle de pression, par exemple entre 0,1 et 10 bars. A cet effet, elle propose un capteur de pression capacitif au moins partiellement souple, du type comprenant : - une partie inférieure intégrant au moins des première et deuxième électrodes inférieures conductrices et coplanaires, lesdites électrodes inférieures étant, d'une part, fixées sur une face supérieure d'un substrat inférieur réalisé dans un matériau diélectrique avec un interstice de séparation entre les électrodes inférieures et, d'autre part, munies de bornes de connexion électrique respectives ; - une partie supérieure intégrant au moins une électrode supérieure flottante, 35 conductrice et souple, ladite électrode supérieure étant fixée sur une face inférieure d'un substrat supérieur réalisé dans un matériau souple et diélectrique ; et - au moins une butée d'espacement réalisée dans un matériau diélectrique et intercalée entre la partie inférieure et la partie supérieure pour maintenir un 5 espacement entre les deux dites parties ; dans lequel l'électrode supérieure est positionnée en regard des électrodes inférieures à une distance prédéterminée ; ledit capteur de pression étant remarquable en ce que les électrodes inférieures sont constituées de couches d'encre conductrice déposées sur la 10 face supérieure du substrat inférieur, et l'électrode supérieure est constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure du substrat supérieur. Ainsi, les électrodes sont réalisées sous la forme de couches d'encre conductrice, et non pas de films métalliques, ce qui garantit une tenue 15 mécanique supérieure et des facilités de fabrication car le processus de dépose de couches d'encre est relativement simple et maîtrisé, notamment selon des techniques d'impression, notamment du type impression numérique par jet de matière, flexographie, sérigraphie, ou tampographie. En outre, une telle solution permet d'avoir une totale maîtrise sur 20 l'épaisseur des électrodes, en déposant plus ou moins d'encre, ainsi que sur la conductivité des électrodes, en réalisant des encres plus ou moins chargées en particules conductrices ou en sélectionnant le type de particules (argent, carbone, or, alliage , etc.). De cette manière, l'invention permet de contrôler la dynamique du capteur, la gamme de mesure en pression du capteur, et la 25 tenue mécanique du capteur. En fonction des besoins en mesure, on adaptera le capteur en jouant notamment sur les couches d'encre conductrice. Il est en outre à noter que l'air (ou tout autre fluide diélectrique) intercalée entre la partie inférieure et la partie supérieure, et donc autour de la ou des butées d'espacement, assure la condition diélectrique entre ces deux 30 parties, cet air renouvelable ne pouvant s'altérer dans le temps. De plus, l'électrode supérieure peut être de superficie supérieure ou inférieure à la superficie des électrodes inférieures Selon une caractéristique, la partie inférieure intègre une couche inférieure de protection, réalisée dans un matériau diélectrique, qui est 35 disposée sur la face supérieure du substrat inférieur et qui recouvre complètement les électrodes inférieures et le ou chaque interstice entre les électrodes inférieures. Cette couche inférieure de protection permet de protéger les électrodes inférieures. Cette couche inférieure de protection influence également la tenue mécanique et la dynamique du capteur, offrant ainsi un contrôle supplémentaire sur les qualités du capteur, en jouant sur le type de matériau et/ou sur l'épaisseur de cette couche inférieure de protection. Le ou chaque interstice entre les électrodes inférieures peut également être rempli en matériau diélectrique de la couche inférieure de protection.
Cette couche inférieure de protection peut être réalisée : - soit sous la forme d'une couche de vernis déposée (notamment par projection, impression ou bain) sur la face supérieure du substrat inférieur et sur les électrodes inférieures ; - soit sous la forme d'une couche de matériau de préférence incompressible 15 collée sur la face supérieure du substrat inférieur et sur les électrodes inférieures. Selon une autre caractéristique, la partie inférieure intègre une électrode de masse conductrice fixée sur une face inférieure du substrat inférieur, opposée à la face supérieure et aux électrodes inférieures. 20 Cette électrode de masse, ou plan de masse, permet notamment une meilleure maîtrise des effets parasites provenant de l'environnement externe. Avantageusement, l'électrode de masse est constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure du substrat inférieur, 25 avec les mêmes avantages en termes de fabrication et de tenue mécanique que mentionnés ci-avant. Dans une réalisation particulière, la partie inférieure intègre un film inférieur de protection, réalisé dans un matériau diélectrique et notamment sous la forme d'une couche de vernis, recouvrant totalement l'électrode de 30 masse, de sorte que l'électrode de masse est intercalée entre le substrat inférieur et ledit film inférieur de protection. Dans un mode de réalisation particulier, la partie supérieure intègre une couche supérieure de protection, réalisée dans un matériau diélectrique, qui est disposée sur la face inférieure du substrat supérieur et qui recouvre 35 complètement l'électrode supérieure.
Cette couche supérieure de protection présente les mêmes avantages en termes de fabrication et de contrôle que la couche inférieure de protection présentée ci-dessus. Cette couche supérieure de protection peut être réalisée : - soit sous la forme d'une couche de vernis déposée (notamment par projection, impression ou bain) sur la face inférieure du substrat supérieur et sur l'électrode supérieure ; - soit sous la forme d'une couche de matériau de préférence incompressible collée sur la face inférieure du substrat supérieur et sur l'électrode supérieure.
Selon une possibilité de l'invention, le substrat inférieur est réalisé dans un matériau qui est : - soit du type rigide, pseudo-rigide ou non deformable, en étant notamment du type matériau composite de résine renforcé de fibres, matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; - soit du type souple ou flexible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc. En effet, le substrat inférieur forme une embase qui reposera sur un support, l'effort de pression à mesurer s'exerçant sur la partie supérieure du capteur, de sorte que ce substrat inférieur peut aussi bien être souple que rigide. Pour certain type de matériau, tel que le polycarbonate, le polyester, ou le polyimide, la rigidité ou la souplesse du matériau dépendra bien évidement de son épaisseur.
Selon une autre possibilité de l'invention, le substrat supérieur est réalisé dans un matériau souple polymérique, notamment du type synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou naturel tel que du caoutchouc. De tels matériaux polymériques sont avantageux pour recevoir des 30 couches d'encre conductrice, tout en assurant souplesse et flexibilité. Conformément à une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la ou chaque butée est réalisée dans un matériau qui est : - soit du type incompressible, en étant notamment du type couche de vernis ou de résine durcissable, polycarbonate, polyester, polyimide, matériau 35 composite de résine renforcé de fibres, matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; - soit du type compressible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc. Il est tout de même préférable que la ou les butées soient du type incompressible pour ne pas avoir à recalibrer après utilisation le capteur. En effet, avec des butées compressibles, de préférence deformable et à mémoire de forme, le capteur aura besoin d'un réétalonnage lorsque les butées resteront déformées et ne retrouveront pas leurs formes d'origine. Il est également à noter que le capteur capacitif selon l'invention est du type au moins partiellement souple, dans le sens où il est intégralement souple si le substrat inférieur est souple ou flexible et si la ou chaque butée d'espacement est souple (par exemple en polyester, polycarbonate, polyuréthane, caoutchouc, silicone, polychlorure de vinyle, etc.), tandis qu'il est partiellement souple si le substrat inférieur est rigide, pseudo-rigide ou non deformable et/ou si la ou chaque butée d'espacement est rigide (par exemple en matériau composite de résine renforcé de fibres ou en verre) ; la pseudosouplesse du capteur tenant en premier lieu de la souplesse de sa partie supérieure (substrat supérieur et électrode supérieure). La présente invention concerne également la caractéristique selon laquelle le capteur comprend une ou plusieurs butées latérales positionnées d'un côté sur le pourtour de l'électrode supérieure et/ou en chevauchement sur l'électrode supérieure et/ou positionnées d'un autre côté sur le pourtour des électrodes inférieures et/ou en chevauchement sur les électrodes inférieures, et éventuellement une butée centrale positionnée sensiblement en partie centrale des parties inférieure et supérieure. On peut ainsi avoir soit une butée latérale s'étendant de manière continue sur toute la périphérie des parties inférieure et supérieure, ou bien plusieurs butées latérales successives et espacées les unes de autres sur la périphérie des parties inférieure et supérieure.
De manière avantageuse, la partie inférieure comporte une peau externe de protection fixée, notamment par collage, sur le substrat inférieur à l'opposé des électrodes inférieures et réalisée dans un matériau diélectrique, et/ou la partie supérieure comporte une peau externe de protection fixée, notamment par collage, sur le substrat supérieur à l'opposé de l'électrode supérieure et réalisée dans un matériau diélectrique.
Ce ou ces peaux externes assurent l'encapsulation du capteur pour le protéger de son environnement extérieur. La ou chaque peau externe peut être réalisée dans un matériau souple ou rigide, de préférence dans un matériau souple tel que du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc, pour un bonne protection du capteur contre les chocs et/ou les vibrations. L'invention se rapporte également à un système de mesure de la pression du type composé d'une pluralité de capteurs de pression conformes à l'invention, lesdits capteurs de pression étant répartis selon plusieurs premiers groupes de capteurs de pression interconnectés entre eux et plusieurs seconds groupes de capteurs de pression interconnectés entre eux, avec la configuration suivante : - dans un même premier groupe de capteurs de pression, les premières électrodes inférieures des capteurs de pression sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; - dans un même second groupe de capteurs de pression, les deuxièmes électrodes inférieures des capteurs de pression sont connectées entre elles en 20 série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; chaque capteur de pression appartenant à un premier groupe et à un second groupe. La mise en matrice de ces capteurs permet d'offrir une superficie de mesure de la pression plus large, et surtout de distinguer les zones sous 25 pression des zones hors pression. Selon une possibilité, les capteurs de pression sont implantés en colonne et en ligne, avec un premier groupe de capteurs de pression par ligne et un second groupe de capteurs de pression par colonne, lesdits capteurs de pression étant interconnectés entre eux selon la configuration suivante : 30 - sur une même ligne de capteurs de pression, les premières électrodes inférieures des capteurs de pression sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; - sur une même colonne de capteurs de pression, les deuxièmes électrodes inférieures des capteurs de pression sont connectées entre elles en série, 35 notamment via des bandes d'encre conductrice.
Ces lignes et ces colonnes peuvent bien entendu être droites ou courbes, plus ou moins longues, plus ou moins rapprochées, etc. pour définir une matrice qui correspond aux applications souhaitées. En variante, les groupes de capteurs de pression peuvent être 5 implantés de manière moins organisée, notamment selon une distribution aléatoire. De manière avantageuse, les substrats inférieurs et supérieurs des capteurs de pression sont communs à l'ensemble des capteurs de pression. Autrement dit, les électrodes supérieures des différents capteurs 10 sont toutes déposées sur le même substrat supérieur, et les électrodes inférieures des différents capteurs sont toutes déposées sur le même substrat inférieur, pour une fabrication industrielle aisée et peu coûteuse du système de mesure. Bien entendu, les substrats inférieurs et supérieurs peuvent 15 également être indépendants. Pour le croisement des interconnexions entre les électrodes des capteurs des différents groupes, deux solutions principales sont envisageables. Dans une première solution, on met en place des interconnexions sur les deux faces du substrat inférieur, comme suit : 20 - les connexions entre les premières électrodes inférieures des capteurs de pression d'au moins un premier groupe sont réalisées sur la face supérieure du substrat inférieur ; - les connexions entre les deuxièmes électrodes inférieures des capteurs de pression d'au moins un second groupe sont réalisées sur la face inférieure du 25 substrat inférieur, via des connexions traversantes qui traversent le substrat inférieur. Dans une seconde solution, on met en place des interconnexions sur la seule même face supérieure du substrat inférieur, comme suit : - les connexions entre les premières électrodes inférieures des capteurs de 30 pression d'au moins un premier groupe sont réalisées sur la face supérieure du substrat inférieur ; - les connexions entre les deuxièmes électrodes inférieures des capteurs de pression d'au moins un second groupe sont également réalisées sur la face supérieure du substrat inférieur, et les croisements des connexions entre les 35 capteurs dudit premier groupe et les capteurs dudit second groupe sont réalisés par l'intermédiaire de ponts en matériau diélectrique.
La présente concerne aussi un procédé de fabrication d'un capteur de pression conforme à l'invention, comprenant les étapes suivantes : - on fournit un substrat inférieur réalisé dans un matériau diélectrique ; - on dépose sur une face supérieure dudit substrat inférieur au moins deux 5 électrodes inférieures conductrices et coplanaires par application de couches d'encre conductrice sur ladite face supérieure, avec un interstice de séparation entre les électrodes ; - on fournit un substrat supérieur réalisé dans un matériau souple et diélectrique ; 10 - on dépose sur une face inférieure dudit substrat supérieur une électrode supérieure flottante conductrice par application d'une couche d'encre conductrice sur ladite face inférieure ; - on réunit les deux substrats afin de positionner l'électrode supérieure en regard des électrodes inférieures à une distance prédéterminée, en intercalant 15 entre les deux substrats au moins une butée d'espacement réalisée dans un matériau diélectrique pour maintenir un espacement entre les deux substrats. L'emploi de couches d'encre conductrice pour réaliser les électrodes permet une fabrication aisée et rapide, et permet également d'offrir la souplesse attendue pour ce type d'électrodes et garantir une tenue 20 mécanique suffisante pour diverses applications. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : 25 - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un capteur de pression conforme à l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en coupe transversale d'un autre capteur de pression conforme à l'invention, respectivement au repos et sous la contrainte d'une pression ; 30 - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques du capteur de pression de la figure 1, dans le plan de coupe A-A, respectivement vue par-dessous et vue par-dessus ; - les figures 6 et 7 sont des vues schématiques du capteur de pression de la figure 2, dans le plan de coupe B-B, respectivement vue par- 35 dessous et vue par-dessus ; - la figure 8 est une vue schématique d'un système de mesure conforme à l'invention, avec une pluralité de capteurs de pression interconnectés avec notamment des connexions traversantes du type « via » à travers le substrat, seules les parties inférieures des capteurs étant illustrées sans les butées ; et - la figure 9 est une vue schématique d'un système de mesure conforme à l'invention, avec une pluralité de capteurs de pression interconnectés avec des connexions du type « pont », seules les parties inférieures des capteurs étant illustrées sans les butées.
Les figures 1, 4 et 5 illustrent un premier mode de réalisation d'un capteur 1 de pression conforme à l'invention, et les figures 2, 3 et 6 illustrent un second mode de réalisation d'un capteur 1 de pression conforme à l'invention ; les mêmes références numériques étant employées pour décrire les éléments fonctionnels et/ou structurels similaires pour les deux capteurs 1.
Dans les deux modes de réalisation, le capteur 1 du type capacitif souple comporte deux parties, respectivement inférieure 2 et supérieure 3, espacées sans contact l'une de l'autre par au moins une butée d'espacement 40, 41 intercalée entre les deux parties 2, 3. La partie inférieure 2 comporte un substrat dit inférieur 20, 20 notamment plat et mince, réalisé dans un matériau diélectrique, autrement dit isolant, qui présente une face supérieure 21, notamment plane, en regard de la partie supérieure 3 et une face inférieure 22 opposée, notamment plane. Le substrat inférieur 2 est réalisé dans un matériau qui est : - soit du type rigide ou non deformable, en étant notamment du type matériau 25 composite de résine renforcé de fibres (comme par exemple le matériau composite du type FR-4 de résine époxy renforcé de fibre de verre), matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; - soit du type souple ou flexible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, 30 polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc. La partie inférieure 2 comporte en outre au moins des première et deuxième électrodes dites inférieures 23 conductrices et coplanaires, ces au moins deux électrodes inférieures 23 étant constituées de couches d'encre 35 conductrice déposées sur la face supérieure 21 du substrat inférieur 20. Les électrodes inférieures 23 sont séparées sans contact l'une de l'autre (ou les unes des autres), avec un ou des interstices de séparation entre les électrodes inférieures 23. Comme visible sur les figures 5 et 7, ces électrodes inférieures 23 sont munies de bornes de connexion électrique 24 respectives, également réalisées sous la forme de couches d'encre conductrice. Ces bornes de connexion électrique 24 permettent de connecter les électrodes inférieures 23 avec un appareil de mesure de la capacité entre ces électrodes inférieures 23, pour en déduire la pression appliquée sur le capteur 1. De manière préférentielle, la partie inférieure 2 comporte uniquement deux électrodes inférieures 23.
L'encre conductrice employée peut être réalisée à base de particules métalliques, notamment du type or, argent, cuivre et/ou carbone (eg. sous forme graphite) ou d'un alliage de plusieurs types de particules métalliques, et/ou de polymères conducteurs, notamment du type polythiophène, polyaniline et/ou polypyrrole.
Les électrodes inférieures 23 sont de géométrie variable, par exemple et de manière non limitative, de forme carrée, rectangulaire, arquée, etc. Dans le premier mode de réalisation de la figure 1, la partie inférieure 2 intègre également une couche inférieure de protection 25, réalisée dans un matériau diélectrique, qui est disposée sur la face supérieure 21 du substrat inférieur 20 et qui recouvre complètement les électrodes inférieures 23, ainsi que le ou chaque interstice entre les électrodes inférieures 23. La couche inférieure de protection 25 est réalisée : - soit sous la forme d'une couche de vernis déposée sur la face supérieure 21 25 du substrat inférieur 20 et sur les électrodes inférieures 23; - soit sous la forme d'une couche de matériau de préférence incompressible collée sur la face supérieure 21 du substrat inférieur 20 et sur les électrodes inférieures 23. Dans le premier mode de réalisation de la figure 1, la partie 30 inférieure 2 intègre en outre une électrode de masse 26 conductrice fixée sur la face inférieure 22 du substrat inférieur 20, formant ainsi le plan de masse du capteur 1 capacitif. Cette électrode de masse 26 est également constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure 22 du substrat inférieur 20. Pour protéger cette électrode de masse 26, un film inférieur de 35 protection 27, réalisé dans un matériau diélectrique, recouvre totalement l'électrode de masse 26, de sorte que cette électrode de masse 26 est intercalée entre le substrat inférieur 20 et ce film inférieur de protection 27. Dans les deux modes de réalisation, la partie supérieure 3 comporte un substrat dit supérieur 30, notamment plat et mince, réalisé dans un matériau diélectrique, autrement dit isolant, qui présente une face supérieure 31, notamment plane, et une face inférieure 32 opposée, notamment plane, en regard de la partie inférieure 2. Le substrat supérieur 30 est réalisé dans un matériau souple ou flexible (autrement dit élastiquement deformable), comme par exemple un matériau souple polymérique, notamment du type synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou naturel tel que du caoutchouc. La partie supérieure 3 intègre également au moins une électrode supérieure 33 flottante, conductrice et souple, constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure 32 du substrat supérieur 30. Cette électrode supérieure 33 est positionnée en regard des électrodes inférieures 23 à une distance prédéterminée, et elle vient en recouvrement totale ou partiel de ces électrodes inférieures 23. Cette électrode supérieure 33 est par ailleurs non connectée.
L'encre conductrice employée est du même type que celle employée pour les électrodes inférieures 23, dans le sens où elle peut être réalisée à base de particules métalliques, notamment du type or, argent, cuivre et/ou carbone (eg. sous forme graphite) ou d'un alliage de plusieurs types de particules métallique, et/ou de polymères conducteurs, notamment du type polythiophène, polyaniline et/ou polypyrrole. Cependant, au sein d'un même capteur de pression 1, l'encre conductrice employée pour l'électrode supérieure 33 n'est pas nécessairement la même que l'encre conductrice employée pour les électrodes inférieures 23. Cette électrode supérieure 33 est de géométrie variable, par 30 exemple et de manière non limitative, de forme carrée, rectangulaire, arquée, etc. Dans le premier mode de réalisation de la figure 1, la partie supérieure 3 intègre une couche supérieure de protection 34, réalisée dans un matériau diélectrique, qui est disposée sur la face inférieure 32 du substrat 35 supérieur 30 et qui recouvre complètement l'électrode supérieure 33. Cette couche supérieure de protection 34 peut être réalisée : - soit sous la forme d'une couche de vernis déposée sur la face inférieure 32 du substrat supérieur 30 et sur l'électrode supérieure 33 ; - soit sous la forme d'une couche de matériau de préférence incompressible collée sur la face inférieure 32 du substrat supérieur 30 et sur l'électrode 5 supérieure 33. La ou chaque butée d'espacement 40, 41 est réalisée dans un matériau diélectrique, et est intercalée entre les deux parties 2, 3 pour maintenir un espacement régulier entre elles. La ou chaque butée d'espacement 40, 41 est réalisée dans un matériau qui est : 10 - soit du type incompressible, en étant notamment du type couche de vernis ou de résine durcissable, polycarbonate, polyester, polyimide, matériau composite de résine renforcé de fibres (comme par exemple le matériau composite du type FR-4 de résine époxy renforcé de fibre de verre), matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; 15 - soit du type compressible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc. Comme visible sur les figures 1 à 7, le capteur 1 comprend plusieurs butées latérales 40 positionnées sur le pourtour de l'électrode 20 supérieure 33, éventuellement en recouvrement du bord de l'électrode supérieure 33 comme visible sur les figures 2, 3 et 6. Dans le premier mode de réalisation des figures 1, 4 et 5, le capteur 1 comprend en outre une butée centrale 41 positionnée sensiblement en partie centrale de l'électrode supérieure 33. 25 Les butées 40, 41 peuvent être pleines ou creuses. Les butées latérales 40 peuvent être ajourées, dans le sens où elles ne font pas le tour de manière continue, ou non. Pour la protection du capteur 1 et comme visible sur la figure 1, le capteur 1 peut être encapsulé entre deux peaux externes de protection 28, 38 30 réalisées dans un matériau de préférence diélectrique. Ainsi, la partie inférieure 2 comporte une peau externe de protection 28 fixée, notamment par collage, sur le substrat inférieur 20 à l'opposé des électrodes inférieures 23, plus précisément sur le dessous du film inférieur de protection 27. Cependant, avec une telle peau externe de 35 protection 28, le film inférieur de protection 27 devient inutile et on peut alors s'en passer, de sorte que la peau externe de protection 28 sera fixée sur l'électrode de masse 26. De même, la partie supérieure 3 comporte une peau externe de protection 38 fixée, notamment par collage, sur le substrat supérieur 30 à l'opposé de l'électrode supérieure 33. Chaque peau externe de protection 28, 38 est réalisée dans un matériau souple, notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle (PVC), polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc. Cependant, il est envisageable que chaque peau externe de protection 28, 38 soit réalisée dans un matériau rigide.
Concernant le fonctionnement du capteur 1, lorsqu'une pression P est appliquée sur la partie supérieure 3 (comme illustré sur la figure 3), l'électrode supérieure 33 se déforme, ainsi l'écartement entre cette électrode supérieure 33 et les électrodes inférieures 23 est réduite, modifiant ainsi la valeur de la capacité du capteur 1 capacitif.
Les deux tableaux suivants portent sur les choix de matériaux employés pour quatre exemples de capteur 1 présentant des résultats particulièrement intéressants en terme notamment de plage de mesure et de tenue mécanique. Dans le premier tableau ci-dessous, deux exemples sont 20 renseignés : Eléments constitutifs du capteur Exemple n° 1 Exemple n° 2 substrat inférieur (20) Polyester Polyuréthane électrodes inférieures (23) Encre à base Encre à base Argent Argent couche inférieure de protection (25) Vernis diélectrique Vernis diélectrique butées latérales (40) Vernis diélectrique Vernis diélectrique butée centrale (41) Vernis diélectrique Vernis diélectrique substrat supérieur (30) Polyester Polyuréthane électrode supérieure (33) Encre à base Encre à base Carbone Argent couche supérieure de protection (34) Vernis dielectrique Vernis diélectrique peau externe de protection (28) PVC Sans peau externe de protection (38) PVC Sans Dans le second tableau ci-dessous, deux autres exemples sont renseignés : Eléments constitutifs du capteur Exemple n° 3 Exemple n° 4 substrat inférieur (20) Polyester Polyester électrodes inférieures (23) Encre à base Encre à base Argent Argent couche inférieure de protection (25) Vernis diélectrique Vernis diélectrique butées latérales (40) Vernis diélectrique Vernis diélectrique butée centrale (41) Vernis diélectrique Vernis diélectrique substrat supérieur (30) Polyuréthane Polyester électrode supérieure (33) Encre à base Encre à base Carbone Argent couche supérieure de protection (34) Vernis dielectrique Vernis diélectrique peau externe de protection (28) Caoutchouc Polyuréthane peau externe de protection (38) Sans Polycarbonate Pour information, les vernis de type diélectrique présentent par exemple une résistance par carré supérieure à 105 Ohm par carré, et les encres conductrices employées présentent par exemple quant à elles une résistance par carré inférieure à 100 Ohm par carré. En référence aux figures 8 et 9, l'invention concerne également un 10 système 5 de mesure de la pression qui est composé d'une pluralité de capteurs 1 identiques, ces capteurs 1 étant réunis en matrice (carré, rectangulaire ou autre). Dans un tel système 1, les capteurs 1 sont alignés en colonne et en ligne et interconnectés entre eux selon la configuration suivante : 15 - sur une même ligne de capteurs 1, les premières électrodes inférieures 23 des capteurs 1 sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; - sur une même colonne de capteurs 1, les deuxièmes électrodes inférieures 23 des capteurs 1 sont connectées entre elles en série, notamment via des 20 bandes d'encre conductrice.
Les électrodes supérieures 33 des capteurs 1 peuvent être toutes déposées sur le même substrat supérieur 30, et les électrodes inférieures 23 des capteurs 1 peuvent être toutes déposées sur le même substrat inférieur 20. En référence à la figure 8, la connexion entre les capteurs 1 peut 5 se faire sur les faces supérieure et inférieure 21, 22 du substrat inférieur 20 (autrement dit sur deux plans parallèles). Dans ce cas, le croisement des connexions en ligne et en colonne est réalisé par l'intermédiaire de connexions traversantes 6 généralement appelées connexion « via » pour « vertical interconnect access » en anglais, lesdites connexions traversantes 6 traversant 10 le substrat inférieur 20 pour établir une interconnexion entre les faces supérieure et inférieure 21, 22 du substrat inférieur 20. En référence à la figure 9, la connexion entre les capteurs 1 peut se faire uniquement sur la face supérieure 21 du substrat inférieur 20 (autrement dit sur un même plan). Dans ce cas, les croisements des 15 connexions entre les capteurs des lignes et les capteurs 1 des colonnes sont réalisés par l'intermédiaire de ponts 7 en matériau diélectrique, réalisés notamment par dépôt de couches de matière. La suite de la description porte sur la fabrication d'un capteur 1, par la mise en oeuvre des étapes suivantes : 20 - on fournit le substrat inférieur 20; - on dépose sur la face supérieure 21 dudit substrat inférieur 20 les électrodes inférieures 23 coplanaires par application de couches d'encre conductrice sur cette face supérieure 21, avec un interstice de séparation entre les électrodes inférieures 23 ; 25 - éventuellement on dépose sur la face inférieure 22 du substrat inférieur 20 l'électrode de masse 26 par application d'une couche d'encre conductrice, que l'on protège avec le film inférieur de protection 27 ; - éventuellement on protège les électrodes inférieures 23 en mettant en place la couche inférieure de protection 25; 30 - on fournit le substrat supérieur 30; - on dépose sur la face inférieure 32 dudit substrat supérieur 30 l'électrode supérieure 33 flottante par application d'une couche d'encre conductrice ; - on réunit les deux substrats 20, 30 afin de positionner l'électrode supérieure 33 en regard des électrodes inférieures 23 à une distance prédéterminée, en 35 intercalant entre les deux substrats 20, 30 au moins une butée d'espacement 40, 41.
Ces opérations sont répétées sur un même substrat inférieur 20 et sur un même substrat supérieur 30 pour fabriquer un système de mesure 5 complet, en prévoyant les interconnexions entre les électrodes inférieures 23 des capteurs 1. Eventuellement, on conclut cette fabrication par une encapsulation du système de mesure 5. Bien entendu l'exemple de mise en oeuvre évoqué ci-dessus ne présente aucun caractère limitatif et d'autres améliorations et détails peuvent être apportés au capteur selon l'invention ou à la pluralité de capteurs, sans pour autant sortir du cadre de l'invention où d'autres formes géométriques peuvent par exemple être réalisées pour les électrodes et/ou les butées d'espacement.
Claims (19)
- REVENDICATIONS1. Capteur de pression (1) capacitif au moins partiellement souple, du type comprenant : - une partie inférieure (2) intégrant au moins des première et deuxième électrodes inférieures (23) conductrices et coplanaires, lesdites électrodes inférieures (23) étant, d'une part, fixées sur une face supérieure (22) d'un substrat inférieur (20) réalisé dans un matériau diélectrique avec un interstice de séparation entre les électrodes inférieures (23) et, d'autre part, munies de bornes de connexion électrique (25) respectives ; - une partie supérieure (3) intégrant au moins une électrode supérieure (33) flottante, conductrice et souple, ladite électrode supérieure (33) étant fixée sur une face inférieure (31) d'un substrat supérieur (30) réalisé dans un matériau souple et diélectrique ; et - au moins une butée d'espacement (40, 41) réalisée dans un matériau diélectrique et intercalée entre la partie inférieure (2) et la partie supérieure (3) pour maintenir un espacement entre les deux dites parties (2, 3) ; dans lequel l'électrode supérieure (33) est positionnée en regard des électrodes inférieures (23) à une distance prédéterminée ; ledit capteur de pression (1) étant caractérisé en ce que les électrodes inférieures (23) sont constituées de couches d'encre conductrice déposées sur la face supérieure (22) du substrat inférieur (20), et l'électrode supérieure (33) est constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure (31) du substrat supérieur (30).
- 2. Capteur de pression (1) selon la revendication 1, dans lequel la partie inférieure (2) intègre une couche inférieure de protection (25), réalisée dans un matériau diélectrique, qui est disposée sur la face supérieure (22) du substrat inférieur (20) et qui recouvre complètement les électrodes inférieures (23) et le ou chaque interstice entre les électrodes inférieures (23).
- 3. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie inférieure (2) intègre une électrode de masse (26) conductrice fixée sur une face inférieure (21) du substratinférieur (20), opposée à la face supérieure (22) du substrat inférieur (20) et aux électrodes inférieures (23).
- 4. Capteur de pression (1) selon la revendication 3, dans lequel l'électrode de masse (26) est constituée d'une couche d'encre conductrice déposée sur la face inférieure (21) du substrat inférieur (20).
- 5. Capteur de pression (1) selon les revendications 3 ou 4, dans lequel la partie inférieure (2) intègre un film inférieur de protection (27), réalisé dans un matériau diélectrique et notamment sous la forme d'une couche de vernis, recouvrant totalement l'électrode de masse (26), de sorte que l'électrode de masse (26) est intercalée entre le substrat inférieur (20) et ledit film inférieur de protection (27).
- 6. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie supérieure (3) intègre une couche supérieure de protection (34), réalisée dans un matériau diélectrique, qui est disposée sur la face inférieure (31) du substrat supérieur (30) et qui recouvre complètement l'électrode supérieure (33).
- 7. Capteur de pression (1) selon les revendications 2 ou 6, dans lequel la ou chaque couche de protection (25; 34) est réalisée : - soit sous la forme d'une couche de vernis déposée sur le substrat (2; 3) correspondant et sur la ou les électrodes (23; 33) concernées ; - soit sous la forme d'une couche de matériau de préférence incompressible collée sur le substrat (2 ; 3) correspondant et sur la ou les électrodes (23; 33) concernées.
- 8. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat inférieur (20) est réalisé dans un matériau qui est : - soit du type rigide, pseudo-rigide ou non deformable, en étant notamment du type matériau composite de résine renforcé de fibres, matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; - soit du type souple ou flexible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle,polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc.
- 9. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat supérieur (30) est réalisé dans un matériau souple polymérique, notamment du type synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyimide, silicone, ou naturel tel que du caoutchouc.
- 10. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque butée d'espacement (40, 41) est réalisée dans un matériau qui est : - soit du type incompressible, en étant notamment du type couche de vernis ou de résine durcissable, polycarbonate, polyester, polyimide, matériau composite de résine renforcé de fibres, matériau polymérique rigide, ou matériau en verre ; - soit du type compressible, en étant notamment du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc.
- 11. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une ou plusieurs butées latérales (40) positionnées d'un côté sur le pourtour de l'électrode supérieure (33) et/ou en chevauchement sur l'électrode supérieure (33) et/ou positionnées d'un autre côté sur le pourtour des électrodes inférieures (23) et/ou en chevauchement sur les électrodes inférieures (23), et comprenant éventuellement une butée centrale (41) positionnée sensiblement en partie centrale des parties inférieure et supérieure (2, 3).
- 12. Capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie inférieure (2) comporte une peau externe de protection (28) fixée, notamment par collage, sur le substrat inférieur (20) à l'opposé des électrodes inférieures (23) et réalisée dans un matériau diélectrique, et/ou la partie supérieure (3) comporte une peau externe de protection (38) fixée, notamment par collage, sur le substrat supérieur (30) àl'opposé de l'électrode supérieure (33) et réalisée dans un matériau diélectrique.
- 13. Capteur de pression (1) selon la revendication 12, dans lequel la ou chaque peau externe (28; 38) est réalisée dans un matériau souple ou rigide, de préférence dans un matériau souple tel que du type matériau polymérique synthétique tel qu'en polyuréthane, polychlorure de vinyle, polycarbonate, polyester, polyim ide, silicone, ou matériau polymérique naturel tel que du caoutchouc.
- 14. Système de mesure (5) de la pression du type composé d'une pluralité de capteurs de pression (1) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 13, lesdits capteurs de pression (1) étant répartis selon plusieurs premiers groupes de capteurs de pression (1) interconnectés entre eux et plusieurs seconds groupes de capteurs de pression (1) interconnectés entre eux, avec la configuration suivante : - dans un même premier groupe de capteurs de pression (1), les premières électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; - dans un même second groupe de capteurs de pression (1), les deuxièmes électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ; chaque capteur de pression (1) appartenant à un premier groupe et à un second groupe.
- 15. Système de mesure selon la revendication 14, dans lequel les capteurs de pression (1) sont implantés en colonne et en ligne, avec un premier groupe de capteurs de pression par ligne et un second groupe de capteurs de pression par colonne, lesdits capteurs de pression (1) étant interconnectés entre eux selon la configuration suivante : - sur une même ligne de capteurs de pression (1), les premières électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice ;- sur une même colonne de capteurs de pression (1), les deuxièmes électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) sont connectées entre elles en série, notamment via des bandes d'encre conductrice.
- 16. Système de mesure selon les revendications 14 ou 15, dans lequel les substrats inférieurs et supérieurs (20, 30) des capteurs de pression (1) sont communs à l'ensemble des capteurs de pression (1).
- 17. Système de mesure selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel : - les connexions entre les premières électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) d'au moins un premier groupe sont réalisées sur la face supérieure (21) du substrat inférieur (20) ; - les connexions entre les deuxièmes électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) d'au moins un second groupe sont réalisées sur la face inférieure (22) du substrat inférieur (20), via des connexions traversantes (6) qui traversent le substrat inférieur (20).
- 18. Système de mesure selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel : - les connexions entre les premières électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) d'au moins un premier groupe sont réalisées sur la face supérieure (21) du substrat inférieur (20) ; - les connexions entre les deuxièmes électrodes inférieures (23) des capteurs de pression (1) d'au moins un second groupe sont également réalisées sur la face supérieure (21) du substrat inférieur (20), et les croisements des connexions entre les capteurs (1) dudit premier groupe et les capteurs (1) dudit second groupe sont réalisés par l'intermédiaire de ponts (7) en matériau diélectrique.
- 19. Procédé de fabrication d'un capteur de pression (1) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant les étapes suivantes : - on fournit un substrat inférieur (20) réalisé dans un matériau diélectrique ; - on dépose sur une face supérieure (22) dudit substrat inférieur (20) au moins deux électrodes inférieures (23) conductrices et coplanaires parapplication de couches d'encre conductrice sur ladite face supérieure (22), avec un interstice de séparation entre les électrodes inférieures (23) ; - on fournit un substrat supérieur (30) réalisé dans un matériau souple et diélectrique ; - on dépose sur une face inférieure (31) dudit substrat supérieur (30) une électrode supérieure (33) flottante conductrice par application d'une couche d'encre conductrice sur ladite face inférieure (31) ; - on réunit les deux substrats (20, 30) afin de positionner l'électrode supérieure (33) en regard des électrodes inférieures (23) à une distance prédéterminée, en intercalant entre les deux substrats (20, 30) au moins une butée d'espacement (40, 41) réalisée dans un matériau diélectrique pour maintenir un espacement entre les deux substrats (20, 30).15
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