FR3039272A1 - Jauge de deformation et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une jauge de déformation (10) comprenant une piste (24) s'étendant sur une face (14) d'un substrat (12) en formant des allers-retours, la piste étant en un matériau comprenant de l'oxyde d'étain et du carbone.
Description
JAUGE DE DEFORMATION ET SON PROCEDE DE FABRICATION
Domaine
La présente demande concerne une jauge de déformation, un capteur de déformation comprenant une telle jauge de déformation et un procédé de fabrication d'une telle jauge de déformation.
Exposé de l'art antérieur
Une jauge de déformation est utilisée pour la mesure de déformations et/ou de contraintes mécaniques dans un objet.
Une jauge de déformation comprend généralement un substrat fixé, par exemple par collage, à l'objet pour lequel une mesure de déformation/contraintes est à réaliser et une piste s'étendant sur le substrat en formant des allers-retours.
La piste de la jauge de déformation est déformée en fonction des déformations de l'objet. Une déformation de la piste entraîne une variation de la résistance électrique de la piste. Les déformations/contraintes de l'objet peuvent être déterminées à partir de la mesure de la variation de la résistance électrique de la piste. Un facteur de jauge important et une sensibilité de mesure élevée sont généralement recherchés pour une jauge de déformation.
Il serait souhaitable de pouvoir réaliser une jauge de déformation à coût réduit, notamment par des techniques d'impression. Toutefois, il peut alors être difficile d'obtenir une jauge de déformation ayant un facteur de jauge élevé. Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit une jauge de déformation comprenant une piste s'étendant sur une face d'un substrat en formant des allers-retours, la piste étant en un matériau comprenant de l'oxyde d'étain et du carbone.
Selon un mode de réalisation, la jauge de déformation comprend de 95 % à 50 % en poids d'oxyde d'étain et de 5 % à 50 % en poids de carbone.
Selon un mode de réalisation, l'oxyde d'étain est de l'oxyde d'étain dopé à l'antimoine.
Selon un mode de réalisation, la jauge de déformation comprend une couche interposée entre au moins une partie de la piste et le substrat, le substrat étant en un premier matériau ayant un premier module d'Young, la piste étant en un deuxième matériau ayant un deuxième module d'Young supérieur strictement au premier module d'Young, la couche étant en un troisième matériau ayant un troisième module d'Young compris entre le premier module d'Young et le deuxième module d'Young.
Selon un mode de réalisation, la couche est en poly(fluorure de vinylidène), en un seul copolymère du poly (fluorure de vinylidène), en un mélange de deux ou plus de deux copolymères du poly(fluorure de vinylidène), ou en un mélange du poly(fluorure de vinylidène) et d'au moins un copolymère du poly(fluorure de vinylidène).
Selon un mode de réalisation, le copolymère du PVDF est le poly(fluorure de vinylidène - tri fluoro éthylène), le poly(fluorure de vinylidène - tétrafluoroéthylène), le poly(fluorure de vinylidène - trifluoroéthylène chlorofluoroéthylène) ou le poly(fluorure de vinylidène trifluoroéthylène - chlorotrifluoro éthylène).
Selon un mode de réalisation, le substrat est flexible.
Selon un mode de réalisation, le substrat est un film ayant une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 pm, de préférence entre 10 μπι et 200 pm, en polyéthylène naphtalate, en polyéthylène téréphtalate, en polyimide ou en polyétheréthercétone.
Un mode de réalisation prévoit également un procédé de fabrication d'une jauge de déformation comprenant la formation d'une piste s'étendant sur une face d'un substrat en formant des allers-retours, la piste comprenant de l'oxyde d'étain et du carbone.
Selon un mode de réalisation, la piste est formée par des techniques d'impression.
Selon un mode de réalisation, la formation de la piste comprend le dépôt d'une composition liquide ou pâteuse et un recuit thermique dans une atmosphère d'azote.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la formation d'une couche interposée entre au moins une partie de la piste et le substrat, le substrat étant en un premier matériau ayant un premier module d'Young, la piste étant en un deuxième matériau ayant un deuxième module d'Young supérieur strictement au premier module d'Young, la couche étant en un troisième matériau ayant un troisième module d'Young compris entre le premier module d'Young et le deuxième module d'Young.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend le dépôt du troisième matériau sur le substrat sous forme amorphe et la cristallisation au moins partielle du troisième matériau. Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1 et 2 sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une jauge de déformation ; les figures 3 et 4 sont des vues de dessus d'autres modes de réalisation d'une jauge de déformation ; la figure 5 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un capteur de déformation comprenant la jauge de déformation représentée sur les figures 1 et 2 ; les figures 6A à 6F sont des vues en coupe des structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur de déformation selon le mode de réalisation représenté sur la figure 5 ; la figure 7 représente une courbe d'évolution de la variation relative de la résistance électrique de la jauge de déformation représentée sur les figures 1 et 2 en fonction de la déformation relative de la jauge ; la figure 8 représente des courbes d'évolution de la tension fournie par le capteur de déformation représenté en figure 5 et des efforts appliqués au capteur en fonction de la déformation relative de la jauge de déformation du capteur ; et la figure 9 représente des courbes d'évolution de la sensibilité du capteur de déformation représenté en figure 5 en fonction de la déformation relative de la jauge de déformation du capteur.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les dispositifs de traitement des signaux fournis par une jauge de déformation sont bien connus de l'homme du métier et ne sont pas décrits en détail. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Dans la suite de la description, l'expression élément "à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF)" signifie un copolymère comprenant au moins 70 % en masse molaire du monomère fluorure de vinylidène (λ/DF) et éventuellement d'au moins un autre monomère comme par exemple le trifluoroéthylène (TrEE) ou le tétrafluoroéthylène (TFE).
Les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation d'une jauge de déformation 10.
La jauge de déformation 10 comprend un substrat 12 comprenant deux faces 14, 16 opposées. Deux pistes de connexion conductrices électriquement 18, 20 s'étendent sur la face 14, au contact de la face 14, et permettent de connecter la jauge de déformation 10 à un circuit externe, non représenté. Une couche d'interface 22 s'étend sur la face 14, au contact de la face 14. Une piste de jauge 24 d'un matériau conducteur électriquement s'étend sur la face 14, au contact de la face 14, en formant des allers-retours. La résistance électrique de la piste 24 varie en fonction des déformations appliquées à la piste 24. Chaque extrémité de la piste 24 est connectée à l'une des pistes de connexion 18, 20. Une couche d'encapsulation 26 recouvre la piste 24, les parties de la couche d'interface 22 non recouvertes de la piste 24, les parties des pistes de connexion 18, 20 non recouvertes de la piste 24 et les parties du substrat 12 non recouvertes de la couche d'interface 22, de la piste 24 et des pistes de connexion 18, 20. L'épaisseur du substrat 12 peut être comprise entre 100 nm et 1000 pm, de préférence entre 10 μιη et 200 μιη. Le substrat 12 peut être un substrat rigide ou un substrat flexible. Un substrat flexible peut, sous l'action d'une force extérieure, se déformer, notamment se plier, sans se casser ou se déchirer. Un exemple de substrat rigide comprend un substrat en silicium, en germanium ou en verre. Un exemple de substrat flexible comprend un film en polyéthylène naphtalate (PEN), polyéthylène téréphtalate (PET), polyimide (PI) ou polyétheréthercétone (PEEK). De préférence, le substrat 12 est un film flexible. Ceci permet d'adapter facilement le substrat 12 à la forme de l'objet dont on veut mesurer les contraintes et/ou les déformations. Le substrat 12 est, en outre, de préférence isolant électriquement. De plus, le substrat 12 est de préférence hydrophobe. Le module d'Young du matériau composant le substrat 12 est compris entre 1 GPa et 4 GPa.
Les pistes de connexion 18, 20 peuvent être en oxyde d'étain et d'indium, en un matériau métallique, notamment l'argent, l'or, le nickel, le palladium, le platine, l'aluminium, le cuivre, le titane ou un alliage ou un mélange d'au moins deux de ces matériaux, en un polymère conducteur, par exemple le poly(3, 4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrène sulfonate) (PEDOT : PSS) ou en graphène. L'épaisseur des pistes de connexion 18, 20 peut être comprise entre 30 nm et 5 pm.
La couche d'interface 22 est en un matériau partiellement cristallisé. La couche d'interface 22 peut être réalisée en un composé à base de PVDF. Le composé à base de PVDF peut comprendre le seul polymère PVDF, un seul copolymère du PVDF, un mélange de deux ou plus de deux copolymères du PVDF, un mélange du polymère PVDF et d'au moins un copolymère du PVDF. De préférence, le copolymère du PVDF est le poly(fluorure de vinylidène - tri fluoro éthylène) (P (VDF-TrFE)), notamment le P (VDFx-TrFE]_oo-x) où x est un nombre réel compris entre 60 et 80, notamment environ 70, le poly(fluorure de vinylidène tétrafluoroéthylène), le poly(fluorure de vinylidène trifluoroéthylène - chlorofluoroéthylène) (P(VDF-TrFE-CFE)) ou le poly(fluorure de vinylidène - trifluoroéthylène - chlorotrifluoro éthylène) (P(VDF-TrFE-CTFE)). De préférence, la couche d'interface 22 est en P(VDF-TrFE). Selon un mode de réalisation, la couche d'interface 22 comprend plus de 25 % en moles de PVDF ou du copolymère de PVDF. La masse molaire du polymère de PVDF ou du copolymère de PVDF est supérieure ou égale à 415000 g/mol. A titre d'exemple, le taux de cristallisation de la piste 24 est supérieur à 52 %, de préférence supérieur à 55 %. Le taux de cristallisation de la couche d'interface 22 peut être adapté en fonction de l'amplitude des contraintes/déformations que l'on souhaite mesurer.
Le composé à base de PVDF peut, en outre, comprendre des charges. Les charges peuvent correspondre à des particules céramiques, par exemple des particules de titanate de baryum (BaTi03), des particules de zirconate titanate de plomb (PbZrTi03 ou PZT) , des particules de titanate de plomb (PbTiC>3) ou des particules de tantalate de lithium (LiTa03). La concentration en poids de charges dans le composé à base de PVDF peut varier de 5 % à 25 %.
Le composé peut donc comprendre un mélange du polymère PVDF et d'au moins une céramique ou un mélange d'au moins un copolymère du PVDF et d'au moins une céramique, par exemple les mélanges suivants : PVDF/BaTiOg, P(VDF-TrFE)/BaTiOg, P(VDF-TrFE-CTFE)/BaTi03, P(VDF-TrFE-CFE)/BaTi03, PVDF/PbZrTi03, P(VDF-TrFE)/PbZrTi03, P(VDF-TrFE-CTFE)/PbZrTi03, P(VDF-TrFE-CFE) /PbZrTi03, PVDF/PbTi03, P(VDF-TrFE)/PbTi03, P(VDF-TrFE-CTFE) /PbTi03, P(VDF-TrFE-CFE)/PbTi03, PVDF/LiTa03, P(VDF-TrFE) /LiTa03, P(VDF-TrFE-CTFE)/LiTa03, P(VDF-TrFE-CFE)/LiTa03. L'épaisseur de la couche d'interface 22 peut être comprise entre 1 pm et 10 pm. Selon un mode de réalisation, le module d'Young du matériau composant la couche d'interface 22 est supérieur strictement au module d'Young du matériau composant le substrat 12 et inférieur strictement au module d'Young du matériau composant la piste de jauge 24. Le module d'Young du matériau composant la couche d'interface 22 est compris entre 0,3 GPa et 3 GPa.
La piste de jauge 24 comprend un matériau semiconducteur inorganique à base d'oxyde d'étain (SnOg), notamment de l'oxyde d'étain dopé à l'antimoine (ATO) ou de l'oxyde d'étain dopé à l'indium (ITO) . La piste de jauge 24 comprend, en outre, du carbone. La piste de jauge 24 comprend de 95 % à 50 % en poids du matériau semiconducteur à base d'oxyde d'étain et de 5 % à 50 % en poids de carbone. Le module d'Young du matériau composant la piste de jauge 24 est compris entre 1 GPa et 4 GPa. Le coefficient de température de résistance, TCR, de la piste de jauge 24 est compris entre 100 ppm/°C et 1000 ppm/°C.
La piste de jauge 24 forme des allers-retours sur la couche d'interface 22. Selon le mode de réalisation représenté en figure 1, la piste de jauge comprend des portions rectilignes parallèles 28 s'étendant les unes à côté des autres et connectées en série par des portions de raccord 29, six portions rectilignes parallèles 28 étant représentées en figure 1. La piste de jauge 24 s'étend, en vue de dessus, dans un rectangle dont le petit côté Wg est compris entre 1000 pm et 5000 pm et dont le grand côté Lg est compris entre 500 pm et 9500 pm. L'épaisseur de la piste de jauge 24 est comprise entre 1 pm et 20 pm et la largeur Wp de la piste 24 est comprise entre 5 pm et 500 pm.
La couche d'encapsulation 26 est en un matériau diélectrique. Le matériau diélectrique peut être un polymère fluoré, notamment le polymère fluoré commercialisé sous l'appellation Cytop par la société Bellex, le poly tétra fluoro éthylène (PTEE), un polymère fluoré à base de PVDF, notamment les matériaux décrits précédemment pour la réalisation de la couche d'interface 22, ou un mélange d'au moins deux de ces composés. L'épaisseur de la couche d'encapsulation 26 peut varier de 10 pm à 2 mm. La couche d'encapsulation 26 est, de préférence, flexible. De plus, la couche d'encapsulation 26 est de préférence hydrophobe.
En fonctionnement, le substrat 12 est fixé à un objet dont on souhaite mesurer les déformations et/ou les contraintes. La fixation du substrat 12 à l'objet peut être réalisée par collage. La colle est choisie en fonction de la nature de l'objet. La colle est, par exemple, une colle époxy ou une colle cyanoacrylate. Une déformation de l'objet entraîne une déformation du substrat 12. Une déformation du substrat 12 entraîne une déformation de la piste 24 et donc une variation de la résistance électrique de la piste 24. La variation de la résistance électrique de la piste de jauge 24 est détectée, par exemple à partir d'une mesure de la tension entre les pistes conductrices 18 et 20 et du courant traversant la piste de jauge 24.
Les inventeurs ont mis en évidence que la composition de la piste de jauge 24 permet d'obtenir un facteur de jauge élevé et une sensibilité de mesure élevée. En particulier, la présence de carbone dans la piste de jauge 24 entraîne une augmentation de la sensibilité de mesure. De plus, le carbone permet de diminuer le coefficient TCR de la piste 24. En outre, la couche d'interface 22 permet de transférer les déformations du substrat 12 à la piste de jauge 24 et permet d'éviter les risques de ruptures de la piste de j auge 2 4.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la couche d'interface 22 forme une structure monobloc interposée entre la piste 24 et le substrat 12.
La figure 3 est une figure analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation d'une jauge de déformation 30. La jauge de déformation 30 comprend l'ensemble des éléments de la jauge de déformation 10 à la différence que la couche d'interface 22 est remplacée par des bandes d'interface 32, chaque bande d'interface 32 s'étendant entre le substrat 12 et une portion rectiligne de la piste 24. Les bandes 32 sont séparées les unes des autres de sorte qu'un interstice, par exemple de quelques nanomètres à quelques micromètres est présent entre deux bandes 32 adjacentes. Les bandes 32 permettent d'améliorer la transmission des contraintes du substrat 12 vers la piste de jauge 24.
La figure 4 est une figure analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation d'une jauge de déformation 40. La jauge de déformation 40 comprend l'ensemble des éléments de la jauge de déformation 30 à la différence que chaque portion rectiligne 28 est remplacée par une ligne en zigzag 42, c'est-à-dire une ligne brisée formant des angles alternativement saillants et rentrants. La forme de la jauge de déformation 40 selon le présent mode de réalisation a une sensibilité de mesure améliorée.
La figure 5 est une figure analogue à la figure 1 d'un mode de réalisation d'un capteur de déformation 50. Le capteur 50 comprend une jauge de déformation 10, telle que représentée sur les figures 1 et 2. Le capteur 50 comprend, en outre, trois résistances 52, 54, 56 qui, avec la jauge de déformation 10, sont montées en pont de Wheatstone selon une configuration en quart de pont. Chaque résistance 52, 54, 56 correspond à une portion formée à partir d'une encre de carbone. De préférence, chaque résistance a un coefficient TCR compris entre 100 ppm/°C et 1000 ppm/°C, de préférence inférieure à 500 ppm/°C.
Plus précisément, la piste de connexion 18 de la jauge de déformation 10 est connectée à une première extrémité de la résistance 52 et la piste de connexion 20 de la jauge de déformation 10 est connectée à une première extrémité de la résistance 54. La deuxième extrémité de la résistance 52 est connectée à une première extrémité de la résistance 56 par une piste de connexion 58 et la deuxième extrémité de la résistance 54 est connectée à la deuxième extrémité de la résistance 56 par une piste de connexion 60. Une tension d'entrée Vin est appliquée par exemple entre la première extrémité de la résistance 52 et la deuxième extrémité de la résistance 56 par des pistes de connexion 62 et 64 et une tension de sortie Vout est mesurée par exemple entre la première extrémité de la résistance 56 et la première extrémité de la résistance 54 par des pistes de connexion 66, 68. Les pistes de connexion 62, 64, 66 et 68 peuvent avoir la même composition et la même épaisseur que les pistes de connexion 18, 20.
Selon un autre mode de réalisation, un circuit en demi-pont peut être utilisé en remplaçant la résistance 52 ou 54 par une jauge de déformation supplémentaire, des contraintes opposées étant appliquées aux deux jauges de déformation. Selon un autre mode de réalisation, un circuit en pont complet peut être utilisé en remplaçant chaque résistance 52, 54 et 56 par une jauge de déformation.
Les figures 6A à 6F illustrent un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du capteur 50 représenté sur la figure 5.
La figure 6A représente la structure obtenue après avoir réalisé un traitement de la face 14 afin de la rendre hydrophile pour faciliter les dépôts de matériaux aux étapes ultérieures du procédé. Le traitement peut comprendre l'exposition de la face 14 à un rayonnement ultraviolet, notamment en présence d'ozone. Le traitement peut durer entre 1 minute et 10 minutes.
La figure 6B représente la structure obtenue après avoir formé les pistes de connexion sur le substrat 12, seules deux pistes de connexion 18 et 58 étant représentées sur les figures 6B à 6F. Selon le matériau composant les pistes de connexion 18, 58, le procédé de formation des pistes de connexion peut correspondre à un procédé dit additif, par exemple par impression directe d'une composition fluide ou visqueuse comprenant le matériau composant les pistes de connexion aux emplacements souhaités, par exemple par impression par jet d'encre, héliographie, sérigraphie, flexographie, revêtement par pulvérisation (en anglais spray coating) ou dépôt de gouttes (en anglais drop-casting). Selon le matériau composant les pistes de connexion, le procédé de formation des pistes de connexion peut correspondre à un procédé dit soustractif, dans lequel le matériau composant les pistes de connexion est déposé sur la totalité de la structure et dans lequel les portions non utilisées sont ensuite retirées, par exemple par photolithographie ou ablation laser. Selon le matériau considéré, le dépôt sur la totalité de la structure peut être réalisé, par exemple, par voie liquide, par pulvérisation cathodique ou par évaporation. Il peut s'agir notamment de procédés du type dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (en anglais slot-die coating), revêtement à la lame (en anglais blade-coating), flexographie ou sérigraphie. Selon le procédé de dépôt mis en oeuvre, une étape de séchage des matériaux déposés peut être prévue.
Lorsque la formation des pistes de connexion 18, 58 comprend une étape de dépôt physique en phase vapeur, le procédé peut comprendre le dépôt d'une couche conductrice sur la face 14 du substrat 12 et la gravure de cette couche pour délimiter les pistes de connexion 18, 58. La gravure peut comprendre une étape de photolithographie.
La figure 6C représente la structure obtenue après avoir formé les résistances, seule la résistance 52 étant représentée sur les figures 6C à 6F. Le procédé peut comprendre le dépôt d'une première composition liquide, éventuellement visqueuse, puis une étape de séchage pour former les résistances. La première composition liquide comprend un premier solvant et un composé à base d'un matériau carboné dissous dans le premier solvant. Le premier solvant peut être choisi parmi le groupe comprenant le cyclohéxane, le chloroforme, le tétrahydrofurane, l'acétate d'éthyle et le xylène.
La première composition peut comprendre de 5 % à 30 %, en poids du composé carboné et de 85 % à 70 %, en poids du premier solvant. De façon avantageuse, la concentration en poids du premier solvant est choisie pour ajuster la viscosité de la première composition obtenue afin de permettre la mise en oeuvre de techniques d'impression. Le procédé de formation des résistances peut correspondre à un procédé dit additif tel que décrit précédemment, notamment par jet d'encre, sérigraphie ou revêtement par pulvérisation. Le procédé de formation des résistances peut, en outre, correspondre à un procédé dit soustractif tel que décrit précédemment. L'étape de séchage de la première composition peut comprendre un recuit thermique réalisé à une température comprise entre 90 °C et 130 °C pendant 10 minutes à 60 minutes.
La figure 6D représente la structure obtenue après avoir formé la couche d'interface 22. Le procédé peut comprendre le dépôt d'une deuxième composition liquide, éventuellement visqueuse puis une étape de cristallisation du composé à base de PVDF de la deuxième composition pour former la couche d'interface 22.
La deuxième composition liquide peut comprendre un deuxième solvant et un composé à base de PVDF dissous dans le deuxième solvant. De préférence, le deuxième solvant est un solvant polaire. Ceci permet, de façon avantageuse, d'améliorer la dissolution du polymère à base de PVDF. De préférence, le deuxième solvant est adapté à absorber, au moins partiellement, le rayonnement UV, par exemple sur une plage de longueurs d'onde comprises entre 200 nm et 400 nm. Selon un mode de réalisation, la température d'évaporation du deuxième solvant est comprise entre 110 °C et 140 °C, de préférence entre 110 °C et 130 °C, plus préférentiellement entre 120 °C et 130 °C. Le deuxième solvant peut être choisi parmi le groupe comprenant le cyclopentanone, le dyméthylsulphoxide (DMSO), le dyméthylformamide (DMF) , le dyméthylacétamide (DMAc) ou le N-méthyl-E-pyrrolidone (NMP). De préférence, le deuxième solvant est le cyclopentanone.
La deuxième composition peut comprendre de 1 % à 30 %, de préférence de 1 % à 30 %, de préférence de 10 % à 25 %, notamment environ 20 %, en poids du composé à base de PVDF et de 70 % à 99 %, de préférence de 75 % à 90 %, notamment environ 80 %, en poids du deuxième solvant. De façon avantageuse, la concentration en poids du deuxième solvant est choisie pour ajuster la viscosité de la deuxième composition obtenue afin de permettre la mise en oeuvre de techniques d'impression. Le procédé de formation de la couche d'interface 22 peut correspondre à un procédé dit additif tel que décrit précédemment, notamment par jet d'encre, sérigraphie ou revêtement par pulvérisation. Le procédé de formation de la couche d'interface 22 peut, en outre, correspondre à un procédé dit soustractif tel que décrit précédemment. Lorsque le procédé de dépôt comprend une étape de sérigraphie, la viscosité de la deuxième composition peut varier de 5 Pa.s à 30 Pa.s. L'étape de cristallisation du composé à base de PVDF peut comprendre un recuit réalisé à une température comprise entre 100 °C et 130 °C pendant 10 minutes à 30 minutes. Selon un autre mode de réalisation, l'étape de cristallisation peut comprendre 1'irradiation de la deuxième composition aux rayons ultraviolets (UV) par une succession d'impulsions de rayonnement UV, ou flashs ultraviolets. Par rayonnement UV, on entend un rayonnement dont les longueurs d'onde sont, au moins en partie, comprises entre 200 nm et 400 nm. Selon un mode de réalisation, la durée d'une impulsion UV est comprise entre 500 ps et 2 ms. La durée entre deux impulsions UV successives peut être comprise entre 1 et 5 secondes. La fluence du rayonnement UV peut être comprise entre 5 J/cm^ et 20 J/cm^. Le nombre d'impulsions UV dépend notamment de l'épaisseur de la couche d'interface 22. De préférence, l'étape d'irradiation entraîne une évaporation de plus de 50 % en poids, de préférence de plus de 80 % en poids, du deuxième solvant de la deuxième composition. L'étape de cristallisation permet d'augmenter le taux de cristallisation de la piste 24. A titre d'exemple, avant l'étape de cristallisation, le taux de cristallisation de la piste 24 est inférieur à 50 %, de préférence inférieur à 48 %. Après l'étape de cristallisation, le taux de cristallisation de la piste 24 est supérieur à 52 %, de préférence supérieur à 55 %.
La figure 6E représente la structure obtenue après avoir formé la piste 24. Le procédé peut comprendre le dépôt d'une troisième composition liquide, éventuellement visqueuse, puis une étape de séchage pour former la piste 24. La troisième composition liquide comprend un troisième solvant, un composé à base d'ATO et un composé à base d'un matériau carboné dissous dans le troisième solvant. Le matériau carboné peut comprendre du noir de carbone. Le troisième solvant peut être choisi parmi le groupe comprenant le cyclopentanone, acétate d'éthlyle, tétrahydrofurane, 3-hexanone ou 2-pentanone.
La troisième composition peut comprendre de 5 % à 30 %, en poids du matériau semiconducteur inorganique à base d'oxyde d'étain et du composé carboné et de 95 % à 70 %, en poids du troisième solvant. Plus précisément, la troisième composition peut comprendre de 95 % à 50 % du matériau semiconducteur inorganique à base d'oxyde d'étain et de 5 % à 50 % du matériau carboné.
De façon avantageuse, la concentration en poids du troisième solvant est choisie pour ajuster la viscosité de la troisième composition obtenue afin de permettre la mise en oeuvre de techniques d'impression. Le procédé de formation de la pise 24 peut correspondre à un procédé dit additif tel que décrit précédemment, notamment par jet d'encre, sérigraphie ou revêtement par pulvérisation. Le procédé de formation de la piste 24 peut, en outre, correspondre à un procédé dit soustractif tel que décrit précédemment. L'étape de séchage de la troisième composition peut comprendre un recuit thermique réalisé à une température comprise entre 100 °C et 130 °C pendant 10 minutes à 60 minutes. De préférence, le recuit est réalisé sous une atmosphère d'azote. Le recuit thermique peut être réalisé sur une plaque chauffante. A titre de variante, le recuit thermique peut être un recuit par lampe flash ou un recuit infrarouge.
La figure 6F représente la structure obtenue après avoir formé la couche d'encapsulation 26 sur la structure obtenue à l'étape précédente. La couche d'encapsulation 26 peut être déposée par sérigraphie. Une étape de recuit peut être prévue, par exemple à une température comprise entre 60 °C et 80 °C pendant une durée variant de 30 minutes à plusieurs heures.
Les essais décrits par la suite ont été réalisés avec une jauge de déformation 10 et un capteur de déformation 50 comprenant un substrat 12 de PEN ayant une épaisseur de 125 pm. La piste de jauge 24 était en ATO avec 12 % en poids de carbone. La piste de jauge 24 avait une largeur Wp égale à 150 pm et une épaisseur égale à 5 pm. La piste de jauge 24 formait six allers-retours qui, en vue de dessus, s'étendaient dans un rectangle avec Lg égal à 9250 pm, Wg égal à 2900 pm. Les pistes de connexion 18, 20 étaient en Or (Au) et avaient une épaisseur de 30 nm. Cette même jauge a été utilisée pour effectuer des essais avec un capteur de déformation 50 dans lequel les résistances 52, 54, 56 étaient en carbone. La couche d'interface 22 étant en P(VDF-TrFE) et avait une épaisseur de 2 pm. En outre, pour le capteur 50, les résistances 52, 54, 56 étaient réalisées à partir d'encre de carbone.
La figure 7 représente une courbe C]_ d'évolution de la variation AR/R de la résistance de la jauge de déformation 10 en fonction de l'allongement relatif AL/L de la jauge de déformation 10. Le facteur de jauge obtenu par régression linéaire est de 13,5. Le facteur de jauge de la jauge de déformation 10 est élevé en comparaison à des facteurs de jauge de jauges de déformation classiques qui sont généralement compris entre 1 et 5.
La figure 8 représente une courbe Cg d'évolution de la force appliquée au capteur de déformation 50 et une courbe C3 d'évolution de la tension de sortie Vout du capteur 50 en fonction de l'allongement relatif AL/L de la jauge de déformation 10 du capteur 50 pour une tension d'entrée Vin de 5 V. La sensibilité dV/d(AL/L) du capteur 50 correspond à la pente de la courbe d'évolution C3. Comme cela apparaît sur la figure 8, la sensibilité est maximale autour d'une déformation d'environ 1,5 %. Le capteur 50 est donc particulièrement adapté à la mesure de faibles déformations/contraintes avec une bonne précision.
La figure 9 représente des courbes C4, C5 et Cg d'évolution de la sensibilité dV/d(AL/L) du capteur de déformation 50 en fonction de l'allongement relatif AL/L de la jauge de déformation 10 du capteur 50 respectivement pour une tension d'alimentation Vin de 2 V, 5 V et 10 V. Comme cela apparaît sur la figure 9, la sensibilité varie en fonction de la tension Vin. En particulier, plus la tension Vin est élevée, plus la sensibilité dV/d(AL/L) est élevée. L'inventeur a, en outre, mis en évidence que la sensibilité du capteur 50 varie en fonction de la cristallinité de la couche d'interface 22. En effet, plus la cristallinité de la couche d'interface 22 augmente, plus la couche d'interface 22 est rigide et plus la sensibilité augmente.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, dans les modes de réalisation décrits précédemment, la jauge de déformation représentée est une jauge de déformation uniaxiale. Toutefois, la forme de la jauge de déformation peut être adaptée au type de déformations à mesurer. En particulier, une jauge de déformation biaxiale ou une jauge de déformation biaxiale de cisaillement peut être utilisée.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Jauge de déformation (10 ; 30 ; 40) comprenant une piste (24) s'étendant sur une face (14) d'un substrat (12) en formant des allers-retours, la piste étant en un matériau comprenant de l'oxyde d'étain et du carbone.
- 2. Jauge de déformation (10 ; 30 ; 40) comprenant de 95 % à 50 % en poids d'oxyde d'étain et de 5 % à 50 % en poids de carbone.
- 3. Jauge de déformation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'oxyde d'étain est de l'oxyde d'étain dopé à 1'antimoine.
- 4. Jauge de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une couche (22) interposée entre au moins une partie de la piste (24) et le substrat (12) , le substrat étant en un premier matériau ayant un premier module d'Young, la piste (24) étant en un deuxième matériau ayant un deuxième module d'Young supérieur strictement au premier module d'Young, la couche (22) étant en un troisième matériau ayant un troisième module d'Young compris entre le premier module d'Young et le deuxième module d'Young.
- 5. Jauge de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la couche (22) est en poly(fluorure de vinylidène), en un seul copolymère du poly (fluorure de vinylidène), en un mélange de deux ou plus de deux copolymères du poly(fluorure de vinylidène), ou en un mélange du poly(fluorure de vinylidène) et d'au moins un copolymère du poly(fluorure de vinylidène).
- 6. Jauge de déformation selon la revendication 5, dans laquelle le copolymère du PVDF est le poly(fluorure de vinylidène tri fluoro éthylène), le poly(fluorure de vinylidène tétrafluoroéthylène), le poly(fluorure de vinylidène trifluoroéthylène - chlorofluoroéthylène) (P(VDF-TrFE-CFE)) ou le poly(fluorure de vinylidène - trifluoroéthylène - chlorotrifluoro éthylène) (P(VDF-TrFE-CTFE)).
- 7. Jauge de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le substrat (12) est flexible.
- 8. Jauge de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le substrat (12) est un film ayant une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 pm, de préférence entre 10 pm et 200 pm, en polyéthylène naphtalate, en polyéthylène téréphtalate, en polyimide ou en polyétheréthercétone.
- 9. Procédé de fabrication d'une jauge de déformation (10) comprenant la formation d'une piste (24) s'étendant sur une face (14) d'un substrat (12) en formant des allers-retours, la piste comprenant de l'oxyde d'étain et du carbone.
- 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel la piste (24) est formée par des techniques d'impression.
- 11. Procédé de fabrication selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la formation de la piste (24) comprend le dépôt d'une composition liquide ou pâteuse et un recuit thermique dans une atmosphère d'azote.
- 12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant la formation d'une couche (22) interposée entre au moins une partie de la piste (24) et le substrat (12), le substrat étant en un premier matériau ayant un premier module d'Young, la piste (24) étant en un deuxième matériau ayant un deuxième module d'Young supérieur strictement au premier module d'Young, la couche (22) étant en un troisième matériau ayant un troisième module d'Young compris entre le premier module d'Young et le deuxième module d'Young.
- 13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, comprenant le dépôt du troisième matériau sur le substrat (12) sous forme amorphe et la cristallisation au moins partielle du troisième matériau.
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