FR3068132B1 - DEVICE FOR DETERMINING A STRESS VALUE CORRESPONDING TO A PIC OF THE STRESS AND METHOD OF DETERMINING THE STRESS - Google Patents
DEVICE FOR DETERMINING A STRESS VALUE CORRESPONDING TO A PIC OF THE STRESS AND METHOD OF DETERMINING THE STRESS Download PDFInfo
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Abstract
Le dispositif (1) comporte au moins un capteur de contrainte (2) comportant un élément piézorésistif (3) et un élément piézoélectrique (4) apte à générer un signal électrique lorsqu'une contrainte est appliquée au capteur de contrainte (2). Le dispositif (1) comporte un détecteur (5) configuré pour détecter un pic de la contrainte appliquée au capteur de contrainte (2) par traitement du signal électrique. Le dispositif (1) est configuré pour déclencher, lorsque le pic de la contrainte appliquée est détecté par le détecteur (5), une mesure d'une grandeur électrique représentative d'une résistance électrique de l'élément piézorésistif (3) du capteur de contrainte (2). Le dispositif (1) est configuré pour déterminer une valeur de la contrainte appliquée au capteur de contrainte (2) en utilisant la grandeur électrique mesurée.The device (1) comprises at least one stress sensor (2) comprising a piezoresistive element (3) and a piezoelectric element (4) capable of generating an electrical signal when a stress is applied to the stress sensor (2). The device (1) comprises a detector (5) configured to detect a peak of the stress applied to the stress sensor (2) by processing the electrical signal. The device (1) is configured to trigger, when the peak of the applied stress is detected by the detector (5), a measurement of an electrical quantity representative of an electrical resistance of the piezoresistive element (3) of the sensor. constraint (2). The device (1) is configured to determine a value of the stress applied to the stress sensor (2) using the measured electrical quantity.
Description
DISPOSITIF POUR DETERMINER UNE VALEUR DE CONTRAINTECORRESPONDANT A UN PIC DE LA CONTRAINTE ET PROCEDE DEDETERMINATION DE CONTRAINTEDEVICE FOR DETERMINING A CONSTRAINTS VALUE CONCEALED TO A PIC OF THE STRESS AND METHOD OF DEDETMINING THE STRESS
Domaine de l’invention [001] Le domaine de l’invention concerne l’étude de contrainte. Plusgénéralement, l’invention est relative à un dispositif comprenant au moins uncapteur de contrainte.Field of the Invention [001] The field of the invention relates to the study of stress. More generally, the invention relates to a device comprising at least one strain sensor.
Etat de la technique [002] Il existe de nombreuses solutions permettant de caractériser des contraintesexercées sur des capteurs de contrainte ou de pression.STATE OF THE ART [002] There are numerous solutions for characterizing stresses exerted on stress or pressure sensors.
[003] Dans le domaine particulier de la chaussure, il est possible d’utiliser descapteurs de pression judicieusement positionnés au sein d’une semelle pour, parexemple, déterminer les chocs subis par le corps humain lors de l’impact du piedet/ou par exemple mesurer différentes pressions appliquées par la voûte plantairedu pied sur la semelle.[003] In the particular field of the shoe, it is possible to use pressure sensors judiciously positioned within a soleplate, for example, to determine the shocks suffered by the human body during the impact of the foot / or by example measure different pressures applied by the foot arch of the foot on the sole.
[004] Un capteur de pression peut être formé par un élément piézorésistif qui secomporte comme une résistance variable dont la valeur dépend de la pressionappliquée au capteur de pression. Un tel capteur de pression présente l’avantagede permettre la détection de chocs ou autres phénomènes brefs, mais présentel’inconvénient de nécessiter l’utilisation d’une électronique de mesure à fréquenced’acquisition élevée de grandeurs électriques chacune représentative d’unerésistance électrique de l’élément piézorésistif et dépendante de la contrainteexercée pour tenter de mesurer une valeur représentative du pic de la contraintecorrespondant à l’une de ces grandeurs électriques. Une fréquence d’acquisitionélevée de l’électronique de mesure, notamment supérieure à 200Hz ou 300Hz, estconsommatrice en énergie. Une consommation en énergie trop élevée estincompatible avec des solutions embarquées qui utilisent généralement unebatterie pour fonctionner. Par ailleurs, un autre inconvénient est que, si la fréquenced’acquisition n’est pas suffisamment élevée, la précision du capteur n’est passatisfaisante car il est possible que la mesure assimilée à une correspondance aupic de la contrainte ne se fasse pas au bon moment.[004] A pressure sensor may be formed by a piezoresistive element that separates as a variable resistor whose value depends on the pressure applied to the pressure sensor. Such a pressure sensor has the advantage of enabling the detection of shocks or other brief phenomena, but has the disadvantage of requiring the use of a measurement electronics with high frequency of acquisition of electrical quantities each representative of an electrical resistance of the piezoresistive and stress-dependent element exerted to attempt to measure a representative value of the stress peak corresponding to one of these electrical magnitudes. A high acquisition frequency of the measurement electronics, especially greater than 200 Hz or 300 Hz, is energy consuming. Too high energy consumption is incompatible with embedded solutions that generally use battery to operate. Furthermore, another disadvantage is that, if the acquisition frequency is not high enough, the accuracy of the sensor is not satisfactory because it is possible that the measurement assimilated to a correspondence with the constraint is not made to good moment.
[005] En ce sens, il existe un besoin de trouver une solution pour limiter laconsommation d’énergie nécessaire à la mesure de la grandeur électriquereprésentative de la résistance électrique correspondant à un pic de pressionexercée sur un capteur de pression utilisant la technologie piézorésistive.[005] In this sense, there is a need to find a solution for limiting the energy consumption required to measure the electrical magnitude representative of the electrical resistance corresponding to a peak pressure exerted on a pressure sensor using piezoresistive technology.
[006] La demande de brevet CN104535229, ou encore le modèle d’utilitéCN204286650, cherchent à répondre à ce besoin en utilisant un capteur additionnelde pression de type piézoélectrique. Ce capteur additionnel sert de module deréveil de capteurs piézorésistifs formant chacun un capteur de pression. Le réveildes capteurs piézorésistifs est mis en œuvre dès qu’il est mesuré une valeur, àpartir du capteur piézoélectrique, qui dépasse un seuil prédéterminé. Cette solutionprésente l’inconvénient d’une consommation élevée simultanée des capteurspiézorésistifs dès que le seuil est atteint. Par ailleurs, cette solution présente aussil’inconvénient que le seuil puisse ne pas être atteint en cas de vieillissement ducapteur piézoélectrique, ou en cas d’application d’une contrainte trop faible. Eneffet, en fonction du vieillissement du capteur piézoélectrique, la tension qu’il vapouvoir générer va évoluer, et il se peut qu’il se retrouve dans une situation où il nepourra plus générer une tension suffisante pour que le seuil soit atteint.[006] The patent application CN104535229, or the utility modelCN204286650, seek to meet this need by using an additional pressure sensor piezoelectric type. This additional sensor serves as a wake-up module of piezoresistive sensors each forming a pressure sensor. The awakening of piezoresistive sensors is implemented as soon as a value is measured, starting from the piezoelectric sensor, which exceeds a predetermined threshold. This solution has the disadvantage of a high simultaneous consumption of the piezoresistive sensors as soon as the threshold is reached. Moreover, this solution has the disadvantage that the threshold may not be reached in the case of aging piezoelectric sensor, or in the case of application of a stress too low. As a function of the aging of the piezoelectric sensor, the voltage that it can generate will evolve, and it may be in a situation where it can not generate enough voltage for the threshold to be reached.
Objet de l’invention [007] L’ invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients précités.Object of the invention [007] The invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
[008] A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif comportant au moins uncapteur de contrainte comportant un élément piézorésistif, le dispositif estcaractérisé en ce que : • le capteur de contrainte comporte un élément piézoélectrique apte à générerun signal électrique lorsqu’une contrainte est appliquée au capteur decontrainte, • ledit dispositif comporte un détecteur configuré pour détecter un pic de lacontrainte appliquée au capteur de contrainte par traitement du signalélectrique, • le dispositif est configuré pour déclencher, lorsque le pic de la contrainteappliquée est détecté par le détecteur, une mesure d’une grandeurélectrique représentative d’une résistance électrique de l’élémentpiézorésistif du capteur de contrainte, et • le dispositif est configuré pour déterminer une valeur de la contrainteappliquée au capteur de contrainte en utilisant la grandeur électriquemesurée.[008] For this purpose, the invention relates to a device comprising at least one strain sensor comprising a piezoresistive element, the device ischaracterized in that: • the stress sensor comprises a piezoelectric element capable of generating an electrical signal when a constraint is applied to the stress sensor, • said device comprises a detector configured to detect a stress peak applied to the stress sensor by processing of the electrical signal, • the device is configured to trip, when the peak of the stress applied is detected by the detector, a measurement of an electrical magnitude indicative of an electrical resistance of the stressorresistive element of the stress sensor, and • the device is configured to determine a value of the stress applied to the stress sensor using the electromeasured magnitude.
[009] Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs descaractéristiques suivantes.[009] The device according to the invention may comprise one or more following features.
[0010] Selon une caractéristique du dispositif, le détecteur est configuré pourdétecter un extremum local du signal électrique de l’élément piézoélectriquecorrespondant au pic de la contrainte appliquée.According to a characteristic of the device, the detector is configured to detect a local extremum of the electrical signal of the piezoelectric element corresponding to the peak of the applied stress.
[0011] Selon une caractéristique du dispositif, le détecteur est configuré pourutiliser la dérivée du signal électrique pour détecter l’extremum local du signalélectrique.According to a characteristic of the device, the detector is configured to use the derivative of the electrical signal to detect the local extremum of the electrical signal.
[0012] Selon une caractéristique du dispositif, le détecteur comporte : • un dérivateur configuré pour déterminer la dérivée du signal électrique, • un comparateur configuré pour fournir en sortie un signal logique alternantentre deux niveaux, le passage à l’un des niveaux indiquant que le pic de lacontrainte appliquée est détecté, ledit comparateur étant configuré pourchanger le niveau du signal logique lors d’un passage par zéro de la dérivéedu signal électrique déterminée par le dérivateur.According to a characteristic of the device, the detector comprises: a diverter configured to determine the derivative of the electrical signal, a comparator configured to output an alternating logic signal between two levels, the transition to one of the levels indicating that the applied stress peak is detected, said comparator being configured tochange the level of the logic signal upon a zero crossing of the derivative of the electrical signal determined by the differentiator.
[0013] Selon une caractéristique du dispositif, les deux niveaux du signal logiquecorrespondent respectivement à un premier niveau et à un deuxième niveau, et lecomparateur est configuré pour : • faire passer le signal logique du premier niveau au deuxième niveau lors d’unpassage par zéro de la dérivée du signal électrique déterminée par le dérivateurpour un maximum local du signal électrique, • faire passer le signal logique du deuxième niveau au premier niveau lors d’unpassage par zéro de la dérivée du signal électrique déterminée par le dérivateurpour un minimum local du signal électrique, l’extremum local du signal électrique étant le maximum local du signal électrique,le pic de contrainte est considéré comme détecté lors du passage du premierniveau au deuxième niveau, ou l’extremum local du signal électrique étant leminimum local du signal électrique, le pic de contrainte est considéré commedétecté lors du passage du deuxième niveau au premier niveau.According to a feature of the device, the two levels of the logic signal correspond respectively to a first level and a second level, and the concomparator is configured to: • pass the logic signal from the first level to the second level during a zero crossing from the derivative of the electrical signal determined by the differentiator for a local maximum of the electrical signal, • passing the logic signal from the second level to the first level during a zero crossing of the derivative of the electrical signal determined by the differentiator for a local minimum of the signal electrical, the local extremum of the electrical signal being the local maximum of the electrical signal, the peak of stress is considered as detected during the passage of the first level to the second level, where the local extremum of the electrical signal being the local minimum of the electrical signal, the peak of stress is considered as detected during the passage of the second nive at the first level.
[0014] Selon une caractéristique du dispositif, l’élément piézorésistif et l’élémentpiézoélectrique du capteur de contrainte sont juxtaposés.According to a feature of the device, the piezoresistive element and the piezoelectric element of the stress sensor are juxtaposed.
[0015] Selon une caractéristique du dispositif, l’élément piézoélectrique etl’élément piézorésistif du capteur de contrainte sont agencés de sorte que : • l’élément piézoélectrique entoure au moins partiellement l’élémentpiézorésistif, ou • l’élément piézorésistif entoure au moins partiellement l’élémentpiézoélectrique.According to a feature of the device, the piezoelectric element and the piezoresistive element of the stress sensor are arranged such that: the piezoelectric element at least partially surrounds the piezoresistive element, or the piezoresistive element at least partially surrounds the élémentpiézoélectrique.
[0016] Selon une caractéristique du dispositif, le capteur de contrainte est tel quel’élément piézoélectrique et l’élément piézorésistif sont empilés.According to a feature of the device, the stress sensor is such that the piezoelectric element and the piezoresistive element are stacked.
[0017] Selon une caractéristique du dispositif, le dispositif adopte au moins enpartie la forme d’une semelle pour chaussure intégrant le capteur de contrainte.According to a feature of the device, the device adopts at least partly the form of a shoe sole incorporating the stress sensor.
[0018] L’ invention a aussi pour objet un procédé de détermination de contrainte àpartir d’un dispositif comportant au moins un capteur de contrainte comportant unélément piézorésistif. Ce procédé de détermination de contrainte vise aussiremédier à tout ou partie des inconvénients précités. Le procédé de déterminationde contrainte comporte une étape d’application d’une contrainte au capteur decontrainte, et ledit capteur de contrainte comportant un élément piézoélectrique,ledit procédé de détermination de contrainte comporte : • une étape de traitement d’un signal électrique généré par l’élémentpiézoélectrique en réponse à la contrainte appliquée au capteur decontrainte pour détecter un pic de la contrainte appliquée au capteur decontrainte, • une étape de mesure d’une grandeur électrique représentative d’unerésistance électrique de l’élément piézorésistif du capteur de contrainte,l’étape de mesure de la grandeur électrique de la résistance électrique del’élément piézorésistif étant déclenchée lorsque le pic de la contrainteappliquée est détecté, • une étape de détermination d’une valeur de la contrainte appliquée auditcapteur de contrainte en utilisant la grandeur électrique mesurée.The invention also relates to a stress determination method from a device comprising at least one stress sensor comprising a piezoresistive element. This stress determination method also aims to overcome all or some of the aforementioned drawbacks. The stress determining method comprises a step of applying a stress to the stress sensor, and said stress sensor comprising a piezoelectric element, said stress determining method comprises: a step of processing an electrical signal generated by the stress sensor; a piezoelectric element in response to the stress applied to the stress sensor for detecting a peak of the stress applied to the stress sensor; and a step of measuring an electrical quantity representative of an electrical resistance of the piezoresistive element of the stress sensor. step of measuring the electrical magnitude of the electrical resistance of the piezoresistive element being triggered when the peak of the constraint applied is detected, • a step of determining a value of the stress applied to said strain sensor using the measured electrical quantity.
[0019] Le procédé de détermination de contrainte selon l’invention peut comporterune ou plusieurs des caractéristiques suivantes.The stress determination method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics.
[0020] Selon une caractéristique du procédé de détermination de contrainte,l’étape de traitement comporte une étape de détection d’un extremum local dusignal électrique correspondant au pic de la contrainte appliquée.According to a characteristic of the stress determination method, the processing step comprises a step of detecting a local extremum of electric signal corresponding to the peak of the applied stress.
[0021] Selon une caractéristique du procédé de détermination de contrainte,l’étape de détection de l’extremum local du signal électrique comporte une étapede détermination de la dérivée du signal électrique, et une étape de détection d’unpassage par zéro de la dérivée du signal électrique d’où il résulte que leditextremum local du signal électrique est détecté.According to a characteristic of the stress determination method, the step of detecting the local extremum of the electrical signal comprises a step of determining the derivative of the electrical signal, and a step of detecting a zero crossing of the derivative. of the electrical signal from which it results that leditextremum local electrical signal is detected.
[0022] Selon une caractéristique du procédé de détermination de contrainte,l’étape de détection du passage par zéro de la dérivée du signal électrique est miseen œuvre par un comparateur du dispositif fournissant en sortie un signal logiquealternant entre deux niveaux, le pic de la contrainte appliquée étant détecté lorsquele signal logique en sortie du comparateur passe à l’un des niveaux du signallogique assimilé à un état détecté de l’extremum local du signal électrique.According to a characteristic of the stress determination method, the step of detecting the zero crossing of the derivative of the electrical signal is implemented by a comparator of the device providing an output logic signalalternant between two levels, the peak of the applied stress being detected when the logic signal at the output of the comparator passes to one of the levels of the signallogic equated with a detected state of the local extremum of the electrical signal.
[0023] Selon une caractéristique du procédé de détermination de contrainte, leprocédé de détermination de contrainte comporte une étape de détermination,selon une fréquence d’acquisition, d’une pluralité de grandeurs physiques chacunereprésentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif, et la détectiondu pic de la contrainte appliquée provoque l’augmentation de la fréquenced’acquisition pour déclencher l’étape de mesure de la grandeur électriquereprésentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif.According to a characteristic of the stress determination method, the stress determination method comprises a step of determining, according to an acquisition frequency, a plurality of physical quantities each representative of the electrical resistance of the piezoresistive element, and detecting the peak of the applied stress causes the increase of the acquisition frequency to trigger the step of measuring the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the piezoresistive element.
[0024] Selon une caractéristique du procédé de détermination de contrainte, leprocédé de détermination de contrainte comporte une pluralité de capteurs decontrainte comportant chacun un élément piézorésistif et un élémentpiézoélectrique, et les étapes d’application d’une contrainte, de traitement, demesure, et de détermination d’une valeur de la contrainte appliquée sont mises enœuvre pour chaque capteur de contrainte.According to a characteristic of the stress determination method, the stress determination method comprises a plurality of stress sensors each comprising a piezoresistive element and a piezoelectric element, and the steps of applying a stress, a treatment, a measurement, and determining a value of the applied stress are implemented for each stress sensor.
Description sommaire des dessins [0025] D’autres avantages et caractéristiques ressortiront clairement de ladescription qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l’invention donnésà titre d’exemple non limitatifs et représentés sur les dessins annexés danslesquels : - La figure 1 représente deux courbes, l’une des courbes correspondant àl’évolution de la résistance électrique d’un élément piézorésistif au cours dutemps, et l’autre des courbes correspondant à l’évolution de la tensiongénérée au cours du temps par un élément piézoélectrique, - La figure 2 illustre un mode de réalisation particulier d’un dispositif à capteurde contrainte selon l’invention, - La figure 3 illustre de manière superposée l’évolution de signaux électriquesdonnés en volts en fonction du temps, - La figure 4 est un exemple de mise en œuvre d’un détecteur du dispositif, - La figure 5 illustre une vue de dessus d’une première réalisation d’un capteurde contrainte du dispositif, - La figure 6 est une vue en coupe selon A-A de la figure 5, ladite coupe étantperpendiculaire au plan de la figure 5, - La figure 7 illustre une vue de dessus d’une deuxième réalisation du capteurde contrainte du dispositif, - La figure 8 est une vue en coupe selon B-B de la figure 7, ladite coupe étantperpendiculaire au plan de la figure 7, - La figure 9 illustre une vue de dessus d’une troisième réalisation du capteurde contrainte du dispositif, - La figure 10 est une vue en coupe selon C-C de la figure 9, ladite coupeétant perpendiculaire au plan de la figure 9, et la figure 11 une vue en coupeselon C-C de la figure 9 selon une alternative à la figure 10, - La figure 12 illustre un exemple d’électrodes interdigitées pour élémentpiézorésistif, - La figure 13 illustre une mise en œuvre particulière du dispositif selonl’invention utilisé dans le domaine de la chaussure, - La figure 14 est un exemple de mise en œuvre d’un procédé dedétermination de contrainte à partir du dispositif comprenant le capteur decontrainte.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [0025] Other advantages and features will become clear from the following description of particular embodiments of the invention given by way of nonlimiting example and represented in the accompanying drawings in which: FIG. curves, one of the curves corresponding to the evolution of the electrical resistance of a piezoresistive element over time, and the other of the curves corresponding to the evolution of the voltagegenerated over time by a piezoelectric element, - FIG. 2 illustrates a particular embodiment of a constraint sensor device according to the invention; FIG. 3 superimposedly illustrates the evolution of electrical signals given in volts as a function of time; FIG. 4 is an example of an implementation of FIG. of a device detector, - Figure 5 illustrates a view from above of a first embodiment of FIG. 6 is a sectional view along AA of FIG. 5, said section being perpendicular to the plane of FIG. 5; FIG. 7 illustrates a view from above of a second embodiment of the stress sensor of FIG. FIG. 8 is a sectional view along BB of FIG. 7, said section being perpendicular to the plane of FIG. 7; FIG. 9 illustrates a view from above of a third embodiment of the constraint sensor of the device; FIG. 10 is a sectional view along CC of FIG. 9, said section being perpendicular to the plane of FIG. 9, and FIG. 11 a sectional view along CC of FIG. 9 according to an alternative to FIG. 10; FIG. an example of interdigitated electrodes for a piezoresistive element, - FIG. 13 illustrates a particular implementation of the device according to the invention used in the field of footwear, - FIG. 14 is an example of implementation of FIG. a constraint ofdetermining method from the device comprising the sensor decontrainte.
[0026] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner lesmêmes éléments.In these figures, the same references are used to designate the same elements.
[0027] Les éléments représentés aux figures ne sont pas nécessairement àl’échelle pour rendre les figures plus lisibles.The elements shown in the figures are not necessarily scaled to make the figures more readable.
Description de modes particuliers de réalisation [0028] Dans la présente description, « à base de » correspond à « comportantmajoritairement ».DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS [0028] In the present description, "based on" corresponds to "comprising more or less".
[0029] Un « élément piézorésistif », aussi appelé capteur piézorésistif, correspondà un élément ayant une résistance électrique variant en fonction de la contrainte àlaquelle il est soumis. Sur la figure 1, une courbe C1 montre l’évolution de larésistance électrique de l’élément piézorésistif en fonction du temps lorsd’application de contraintes successives à l’élément piézorésistif présentantchacune une valeur maximale aux instants indiqués par les lignes 11 et I2, ou d’unemême contrainte dont l’intensité varie de sorte à présenter localement deux valeursmaximales aux instants indiqués par les lignes 11 et I2.A "piezoresistive element", also called piezoresistive sensor, corresponds to an element having an electrical resistance varying according to the stress to which it is subjected. In FIG. 1, a curve C1 shows the evolution of the electrical resistance of the piezoresistive element as a function of time during the application of successive stresses to the piezoresistive element each having a maximum value at the times indicated by the lines 11 and 12, or the same constraint whose intensity varies so as to locally present two maximum values at the times indicated by the lines 11 and I2.
[0030] Un « élément piézoélectrique », aussi appelé capteur piézoélectrique,correspond à un élément apte à générer un signal électrique en fonction de lacontrainte à laquelle il est soumis, par exemple ce signal électrique représentel’évolution d’une tension générée par l’élément piézoélectrique en fonction dutemps. Sur la figure 1, une courbe C2 montre l’évolution de la tension de l’élémentpiézoélectrique en fonction du temps lors d’application d’une ou de plusieurscontraintes telles que celles décrites en combinaison avec la courbe C1. Pourchaque pic de contrainte, le signal électrique présente un extremum local.L’extremum local peut être un maximum local ou un minimum local selon lebranchement de l’élément piézoélectrique. Sur la figure 1, les extremums locauxsont des valeurs maximales positives de tension visées par les références P1 etP2.A "piezoelectric element", also called a piezoelectric sensor, corresponds to an element capable of generating an electrical signal as a function of the stress to which it is subjected, for example this electrical signal represents the evolution of a voltage generated by the piezoelectric element as a function of time. In FIG. 1, a curve C2 shows the evolution of the voltage of the piezoelectric element as a function of time during the application of one or more stresses such as those described in combination with the curve C1. For each peak stress, the electrical signal has a local extremum. The local end may be a local maximum or a local minimum depending on the branch of the piezoelectric element. In FIG. 1, the local extremums are positive maximum voltage values referred to by the references P1 and P2.
[0031] Par « extremum local d’un signal électrique », on entend que pour unepartie du signal électrique généré par l’élément piézoélectrique il existe une valeurde cette partie de signal qui peut être, le cas échéant, maximale ou minimale, et encette valeur, la dérivée de la partie du signal électrique est nulle (c’est-à-dire égaleà 0). Par dérivée, on parle ici de la dérivée temporelle première du signal électrique.[0032] Le dispositif et le procédé de détermination de contrainte décrits ci-aprèsproposent d’utiliser un capteur de contrainte comprenant à la fois un élémentpiézoélectrique et un élément piézorésistif. L’élément piézoélectrique comporte unmatériau actif apte à générer un signal électrique (par exemple une tensionélectrique) fonction de la contrainte appliquée sans être alimenté : la consommationpour générer le signal électrique est donc nulle. Ainsi, l’utilisation de l’élément piézoélectrique et l’utilisation de la tension qu’il génère lorsqu’il est sous contraintepour détecter un pic de contrainte consomme beaucoup moins d’énergie que lamesure continue de l’élément piézorésistif à fréquence élevée, notammentcomprise entre 200Hz et 20kHz. Cependant, l’élément piézoélectrique ne permetpas à lui seul d’obtenir une valeur précise de la contrainte car ce dernier sedécharge lorsqu’il est lu par une électronique basse consommation (c’est-à-direune consommation strictement inférieure à 10pW) du fait que l’impédance d’entréede cette électronique n’est pas infinie. Ainsi, pour une même valeur de contrainte,la tension aux bornes de l’élément piézoélectrique peut être différente en fonctionde la manière dont il a été lu. Dès lors, on préfère l’utilisation de l’élémentpiézorésistif à celui de l’élément piézoélectrique pour déterminer une valeur decontrainte de manière précise. C’est en ce sens que la présente invention proposed’utiliser l’élément piézoélectrique du capteur de contrainte pour détecter le pic dela contrainte appliquée au capteur de contrainte afin de déclencher une mesured’une grandeur électrique représentative d’une résistance électrique de l’élémentpiézorésistif à un moment opportun correspondant au pic de la contrainte appliquéeau capteur de contrainte. En comparaison avec la demande de brevetCN104535229, la consommation en énergie liée au fonctionnement de l’élémentpiézorésistif peut être limitée au plus proche du pic de la contrainte que l’on chercheà visualiser. Par ailleurs, le pic de contrainte provoquera toujours la présence d’unextremum local du signal électrique quel que soit l’état de vieillissement del’élément piézoélectrique.By "local extremum of an electrical signal" is meant that for part of the electrical signal generated by the piezoelectric element there is a value of this signal part which can be, if appropriate, maximum or minimum, and nibble value, the derivative of the part of the electrical signal is zero (that is to say 0). By derivative, this is the first time derivative of the electrical signal. The constraint determining device and method described hereinafterprovides using a strain sensor comprising both a piezoelectric element and a piezoresistive element. The piezoelectric element comprises an active material capable of generating an electrical signal (for example an electrical voltage) which is a function of the stress applied without being powered: the consumption for generating the electrical signal is therefore zero. Thus, the use of the piezoelectric element and the use of the voltage it generates when it is under stress to detect a peak of stress consumes much less energy than the continuous breakdown of the high frequency piezoresistive element. especiallycomprise between 200Hz and 20kHz. However, the piezoelectric element alone does not make it possible to obtain a precise value of the stress because the latter is loaded when read by a low power electronics (that is to say a consumption strictly less than 10pW) because that the input impedance of this electronics is not infinite. Thus, for the same stress value, the voltage across the piezoelectric element may be different depending on how it was read. Therefore, it is preferred to use the piezoresistive element to that of the piezoelectric element to accurately determine a stress value. It is in this sense that the present invention proposes to use the piezoelectric element of the stress sensor to detect the peak of the stress applied to the stress sensor in order to trigger a measurement of an electrical quantity representative of an electrical resistance of the piezoresistive element at a convenient moment corresponding to the peak of the stress applied to the stress sensor. In comparison with the patent application CN104535229, the energy consumption related to the operation of the piezoresistive element can be limited to the closest to the peak of the constraint that one seeks to visualize. Moreover, the peak stress will always cause the presence of local unextremum of the electrical signal regardless of the aging state of the piezoelectric element.
[0033] Dans la présente description, un pic d’une contrainte appliquée au capteurde contrainte peut correspondre à un maximum local de la contrainte. En fait, ondistingue deux cas. Dans un premier cas, la contrainte est liée à un évènement brefoù elle est appliquée au capteur de contrainte, puis entièrement relâchée : elleprésente alors un unique maximum de contrainte. Dans un deuxième cas,l’intensité de la contrainte appliquée au capteur de contrainte peut varier, et elleprésentera alors des maximums locaux qui pourront adopter des valeurs identiquesou différentes. Dans le premier cas, l’élément piézoélectrique va générer un signalélectrique comportant un unique extremum local correspondant au pic, cetextremum local étant généré lorsque la contrainte appliquée au capteur decontrainte atteint son pic. Dans le deuxième cas, il sera possible de détecter à partirdu signal électrique généré par l’élément piézoélectrique plusieurs extremums locaux correspondant chacun à un pic de la contrainte, c’est-à-dire à une valeurmaximale locale de la contrainte. Autrement dit, une contrainte appliquée au sensde la présente description peut présenter un unique pic de contrainte, ou plusieurspics de contrainte, chaque pic de la contrainte appliquée au capteur de contrainteprovoque alors la présence d’un extremum local correspondant du signalélectrique. Un pic de contrainte peut être bref, c’est-à-dire que la contrainte diminueimmédiatement après que le pic ait été atteint, ou peut-être plus long de sorte quela contrainte est maintenue pendant un laps de temps.In the present description, a peak of a stress applied to the stress sensor may correspond to a local maximum of the stress. In fact, undistinguished two cases. In a first case, the constraint is linked to a brief event where it is applied to the stress sensor, then completely relaxed: it then presents a unique maximum of stress. In a second case, the intensity of the stress applied to the stress sensor may vary, and it will then present local maxima that can adopt identical or different values. In the first case, the piezoelectric element will generate an electrical signal comprising a single local extremum corresponding to the peak, this local extremum being generated when the stress applied to the pressure sensor reaches its peak. In the second case, it will be possible to detect from the electrical signal generated by the piezoelectric element several local extrema each corresponding to a peak of the stress, that is to say to a local maximum value of the stress. In other words, a stress applied in the sense of the present description may have a single stress peak, or several stress peaks, each peak of the stress applied to the stress sensor then causes the presence of a corresponding local extremum of the electrical signal. A stress peak may be brief, i.e. the stress decreases immediately after the peak has been reached, or perhaps longer so that the stress is maintained for a period of time.
[0034] Comme illustré en figure 2, il est à présent décrit un mode de réalisationparticulier dans lequel le dispositif 1, aussi appelé dispositif de détermination, oude mesure, de contrainte (en particulier d’au moins un pic de contrainte), comporteau moins un capteur de contrainte 2. Ce dispositif 1 peut comporter un ou plusieurscapteurs de contrainte 2, ce point sera détaillé par la suite. Le capteur de contrainte2 comporte un élément piézorésistif 3 et un élément piézoélectrique 4. Le dispositif1 est aussi appelé dispositif pour la détermination d’au moins une valeur decontrainte à partir de l’élément piézorésistif 3. L’élément piézoélectrique 4 est apteà générer un signal électrique lorsqu’une contrainte est appliquée au capteur decontrainte 2. Par la suite, la référence au signal électrique correspond à celuigénéré par l’élément piézoélectrique 4, aussi appelé signal électrique de l’élémentpiézoélectrique 4. Notamment, le signal électrique est un signal électrique detension représentant l’évolution de la tension électrique générée par l’élémentpiézoélectrique 4 en fonction du temps selon la contrainte appliquée au capteur decontrainte 2. Lorsqu’une contrainte est appliquée au capteur de contrainte 2,l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3 sont soumis à cettecontrainte. Par ailleurs, le dispositif 1 comporte un détecteur 5 configuré pourdétecter un pic de la contrainte appliquée au capteur de contrainte 2 par traitementdu signal électrique de l’élément piézoélectrique 4. Dans la suite de la descriptionpar « pic de la contrainte appliquée », on entend le pic de la contrainte appliquéeau capteur de contrainte 2. Par « traitement du signal électrique », on entend touteopération appliquée au signal électrique en vue de détecter le pic de la contrainteappliquée. Le cas échéant, pour une même contrainte, le détecteur 5 peut détecterun ou plusieurs pics de la contrainte appliquée. Par ailleurs, le dispositif 1 estconfiguré pour déclencher, lorsque ledit, et notamment chaque, pic de la contrainteappliquée est détecté par le détecteur 5, une mesure d’une grandeur électrique représentative d’une résistance électrique de l’élément piézorésistif 3 du capteurde contrainte 2. Ainsi, la détection du pic de la contrainte appliquée provoque ledéclenchement de la mesure de la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3. Le dispositif 1 gagne donc enprécision puisqu’il sait quand mesurer la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3 qui est alors elle aussireprésentative du pic de la contrainte appliquée. La mesure de la grandeurélectrique représentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3peut être réalisée en alimentant électriquement l’élément piézorésistif 3, et enmesurant la tension à ses bornes à l’aide d’un pont résistif par exemple, ou enmesurant le courant circulant dans une branche incluant l’élément piézorésistif 3.Cette grandeur électrique mesurée est dite représentative de la contrainteappliquée au capteur de contrainte 2, et plus particulièrement de la valeur du picde la contrainte appliquée, car elle peut être utilisée pour déterminer une valeur dela contrainte, c’est-à-dire élaborer une valeur de la contrainte, lorsqu’elle atteint unpic. Typiquement, la grandeur électrique mesurée est dite représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3 car elle dépend de sa résistanceélectrique. La résistance électrique de l’élément piézorésistif 3 dans le cadre de laprésente description se traduit par la propriété de l’élément piézorésistif à s’opposerau passage d’un courant électrique, bien que l’unité de la résistance électrique soitl’ohm, la grandeur électrique mesurée peut être une tension, ou un courant, dont lavaleur dépend de la résistance électrique de l’élément piézorésistif, ou encoredirectement la résistance électrique. Par exemple, la grandeur électrique mesuréepeut être obtenue à partir de la mesure de la tension aux bornes de l’élémentpiézorésistif 3 alimenté au travers d’un pont résistif, qui permet ensuite de remonter,le cas échéant, de manière connue en soi par l’homme du métier, à la valeur de lacontrainte, cette dernière étant fonction de la résistance, elle-même fonction de latension. Par ailleurs, le dispositif 1 est configuré pour déterminer une valeur de lacontrainte appliquée au capteur de contrainte 2 en utilisant, c’est-à-dire à partir de,la grandeur électrique mesurée. Ainsi, la valeur de la contrainte déterminée,correspondant à la valeur du pic de la contrainte appliquée, peut être déterminéede manière fiable en limitant la consommation électrique du dispositif 1.As illustrated in FIG. 2, there is now described a particular embodiment in which the device 1, also called a device for determining, or measuring, stress (in particular at least one stress peak), comprises less than a strain sensor 2. This device 1 may comprise one or more stress sensors 2, this point will be detailed later. The stress sensor 2 comprises a piezoresistive element 3 and a piezoelectric element 4. The device 1 is also called a device for determining at least one stress value from the piezoresistive element 3. The piezoelectric element 4 is able to generate a signal when the stress is applied to the pressure sensor 2. Thereafter, the reference to the electrical signal corresponds to that of the piezoelectric element 4, also called the electrical signal of the piezoelectric element 4. In particular, the electrical signal is an electrical signal detension representing the evolution of the electrical voltage generated by the piezoelectric element 4 as a function of time according to the stress applied to the stress sensor 2. When a stress is applied to the stress sensor 2, the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 are subject to this constraint e. Furthermore, the device 1 includes a detector 5 configured to detect a peak of the stress applied to the stress sensor 2 by processing the electrical signal of the piezoelectric element 4. In the following description, "peak of the applied stress" is understood to mean the peak of the stress applied to the stress sensor 2. "Electrical signal processing" means any operation applied to the electrical signal in order to detect the peak of the applied stress. If necessary, for the same constraint, the detector 5 can detect one or more peaks of the applied stress. Furthermore, the device 1 is configured to trigger, when said, and in particulareach peak, of the applied constraint is detected by the detector 5, a measurement of an electrical quantity representative of an electrical resistance of the piezoresistive element 3 of the constraint sensor. 2. Thus, the detection of the peak of the applied stress causes the triggering of the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3. The device 1 thus gains in precision since it knows when to measure the electrical quantity representative of the resistance. of the piezoresistive element 3, which is then also representative of the peak of the applied stress. The measurement of the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 can be achieved by electrically feeding the piezoresistive element 3, and measuring the voltage at its terminals by means of a resistive bridge for example, or by measuring the current circulating in a branch including the piezoresistive element 3.This measured electrical quantity is said to be representative of the stress applied to the stress sensor 2, and more particularly of the value of the peak of the applied stress, since it can be used to determine a value of the stress , that is to say, to develop a value of the constraint, when it reaches a peak. Typically, the measured electrical quantity is said to be representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 because it depends on its electrical resistance. The electrical resistance of the piezoresistive element 3 in the context of this description results in the property of the piezoresistive element to be opposed to the passage of an electric current, although the unit of the electrical resistance is the ohm, the measured electrical magnitude may be a voltage, or a current, whose value depends on the electrical resistance of the piezoresistive element, or indirectly the electrical resistance. For example, the measured electrical quantity can be obtained from the measurement of the voltage at the terminals of the piezoresistive element 3 fed through a resistive bridge, which can then be traced back, if necessary, in a manner known per se by the a person skilled in the art, at the value of the stress, the latter being a function of the resistance, itself a function of tension. Furthermore, the device 1 is configured to determine a value of the stress applied to the stress sensor 2 by using, that is to say from, the measured electrical quantity. Thus, the value of the determined stress, corresponding to the value of the peak of the applied stress, can be determined reliably by limiting the power consumption of the device 1.
[0035] Comme illustré en figure 2, le dispositif 1 peut comporter un moduleélectronique 6 relié électriquement au capteur de contrainte 2. Le module électronique 6 peut comporter le détecteur 5 et des moyens nécessaires pourdéclencher et mettre en œuvre la mesure de la grandeur électrique représentativede la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3. Le module électronique 6peut comporter une source d’alimentation électrique 7, comme par exemple unebatterie, ou être relié à une source d’énergie extérieure permettant d’alimenter lescomposants du module électronique 6. Le module électronique 6 peut aussicomporter des éléments nécessaires à réaliser des mesures à partir du capteur decontrainte 2, comme par exemple des mesures de grandeurs électriques del’élément piézorésistif 3 et des mesures de grandeurs électriques de l’élémentpiézoélectrique 4, ces grandeurs électriques variant selon la contrainte appliquéeau capteur de contrainte 2. Ainsi, le dispositif 1, et notamment le moduleélectronique 6 du dispositif 1, peut être configuré pour mettre en œuvre une étapede traitement du signal électrique, une étape de mesure de la grandeur électrique,et une étape de détermination de la valeur de la contrainte appliquée audit capteurde contrainte en utilisant la grandeur électrique mesurée telles quelles serontdécrites ci-après en combinaison avec le procédé de détermination de contrainte.[0036] Par exemple, pour mesurer la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3, l’élément piézorésistif 3 estalimenté électriquement (flèche F1 de la figure 2) à l’aide d’un pont résistif (nonreprésenté) du module électronique 6, et la mesure est réalisée par lecture (flècheF2 de la figure 2) du point milieu du pont résistif, par exemple en utilisant unconvertisseur analogique-numérique (non représenté),aussi connu sous le sigle« ADC » pour l’anglais « Analog to Digital Converter », du module électronique 6.[0037] Par « contrainte », on entend par exemple une pression, ou un étirement,ou une force. De manière plus générale, une contrainte peut correspondre à touteforce extérieure exercée sur le capteur de contrainte 2 et qui tend à le déformer desorte que ce dernier peut fournir la grandeur électrique mesurée représentative dela résistance électrique de l’élément piézorésistif 3, et dépendante de ladéformation de l’élément piézorésistif 3. Le capteur de contrainte peut être uncapteur de force. Selon un exemple particulier, la contrainte appliquée au capteurde contrainte 2 peut être une pression appliquée au, ou plus particulièrement surle, capteur de contrainte 2 par un corps, par exemple une partie du corps humainou un organe d’une machine. Par exemple, la contrainte appliquée peut êtremesurée en kg/cm2 et la contrainte appliquée peut être comprise entre Okg/cm2 et 5kg/cm2, notamment dans le domaine de la chaussure où la contrainte appliquéesur le capteur de contrainte est provoquée par un pied.As illustrated in FIG. 2, the device 1 may comprise an electronic module 6 electrically connected to the stress sensor 2. The electronic module 6 may comprise the detector 5 and the means necessary for triggering and implementing the measurement of the representative electrical quantity. the electrical resistance of the piezoresistive element 3. The electronic module 6 may comprise a power supply 7, such as a battery, or be connected to an external power source for supplying the components of the electronic module 6. The module The electronics 6 may also have elements necessary for making measurements from the pressure sensor 2, such as, for example, measurements of the electrical magnitudes of the piezoresistive element 3 and measurements of the electrical quantities of the piezoelectric element 4, these electrical quantities varying according to the constraint. applied sensor c Thus, the device 1, and in particular the electronic module 6 of the device 1, can be configured to implement an electrical signal processing step, a step of measuring the electrical quantity, and a step of determining the value of the stress applied to said strain sensor using the measured electrical quantity as such will be described hereinafter in combination with the stress determination method. [0036] For example, in order to measure the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3, the piezoresistive element 3 is electrically powered (arrow F1 of FIG. 2) by means of a resistive bridge (not shown) of the electronic module 6 and the measurement is made by reading (arrow F2 of FIG. 2) of the mid-point of the resistive bridge, for example using an analog-digital converter (not shown), also known by the acronym "ADC" for the English "Analog to Digital Converter ", of the electronic module 6. [0037] By "constraint" is meant, for example, pressure, or stretching, or force. More generally, a constraint may correspond to any external force exerted on the strain sensor 2 and which tends to distort it as long as the latter can provide the measured electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3, and dependent on the deformation of the piezoresistive element 3. The stress sensor may be a force sensor. According to a particular example, the stress applied to the stress sensor 2 can be a pressure applied to the, or more particularly on the stress sensor 2 by a body, for example a part of the human body or an organ of a machine. For example, the stress applied can be measured in kg / cm 2 and the stress applied can be between λg / cm 2 and 5 kg / cm 2, especially in the shoe field where the stress applied to the stress sensor is caused by a foot.
[0038] Comme évoqué précédemment, le signal électrique généré par l’élémentpiézoélectrique 4 présente un extremum local lorsque la contrainte appliquée aucapteur de contrainte présente un pic. En ce sens, le détecteur 5 peut être configurépour détecter cet extremum local du signal électrique de l’élément piézoélectrique4, ledit extremum local du signal électrique correspondant au pic de la contrainteappliquée au capteur de contrainte 2. La détection de l’extremum local est facile àmettre en œuvre par traitement du signal électrique, et permet une détectionefficace du pic de la contrainte appliquée. Par « extremum local du signal électriquecorrespondant au pic de la contrainte appliquée au capteur de contrainte 2 », onentend que l’extremum local du signal électrique est généré par l’élémentpiézoélectrique 4 lorsque, c’est-à-dire au moment où, le capteur de contrainte 2 estsoumis au pic de la contrainte appliquée. Le détecteur 5 peut détecter, pour unecontrainte appliquée au capteur de contrainte 2, au moins un extremum local dusignal électrique, c’est-à-dire un extremum local ou plusieurs extremums locaux.Tout ce qui s’applique à la détection par le détecteur 5 de l’extremum local du signalélectrique généré par l’application de la contrainte au capteur de contrainte 2 peuts’appliquer à la détection par le détecteur 5 de plusieurs extremum locaux du signalélectrique générés par l’application d’une même contrainte, chaque extremum localdu signal électrique devant être détecté par le détecteur 5 correspondant à un piccorrespondant de la contrainte appliquée au capteur de contrainte 2. Ainsi, ledispositif 1, et plus particulièrement le module électronique 6 du dispositif, peut êtreconfiguré pour déclencher, lorsque l’extremum local du signal électriquecorrespondant au pic de ladite contrainte appliquée au capteur de contrainte 2 estdétecté par le détecteur 5, la mesure de la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3 du capteur de contrainte 2.As mentioned above, the electrical signal generated by the piezoelectric element 4 has a local extremum when the stress applied to the stress sensor has a peak. In this sense, the detector 5 can be configured to detect this local extremum of the electrical signal of the piezoelectric element 4, said local extremum of the electrical signal corresponding to the peak of the constraintapplied to the stress sensor 2. The detection of the local extremum is easy to implement by processing the electrical signal, and allows effective detection of the peak of the applied stress. By "local extremum of the electric signal corresponding to the peak of the stress applied to the stress sensor 2", it is meant that the local extremum of the electrical signal is generated by the piezoelectric element 4 when, that is to say when, the Stress sensor 2 is subjected to the peak of the applied stress. The detector 5 can detect, for a stress applied to the stress sensor 2, at least one local extremum of electric signal, that is to say a local extremum or several local extremums. All that applies to the detection by the detector 5 of the local extremum of the electrical signal generated by the application of the stress to the stress sensor 2 canapply to the detection by the detector 5 of several local extremum of the electric signal generated by the application of the same constraint, each extremum localPosition of the electrical signal to be detected by the detector 5 corresponding to a piccorrespondant of the stress applied to the stress sensor 2. Thus, the device 1, and more particularly the electronic module 6 of the device, can beeconfigured to trigger, when the local extremum of electric signal corresponding to the peak of said stress applied to the stress sensor 2 is detected by the detector 5, the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 of the stress sensor 2.
[0039] L’ extremum local du signal électrique à détecter peut être un maximumlocal, par exemple une tension positive, ou un minimum local, par exemple unetension négative, selon le branchement de l’élément piézoélectrique 4. En ce sens,connaissant le type de contrainte qui sera appliquée au capteur de contrainte 2, etles caractéristiques de l’élément piézoélectrique 4, l’homme du métier est à mêmede savoir si un maximum local, ou un minimum local, du signal électrique est àdétecter en tant qu’extremum local du signal électrique.The local extremum of the electrical signal to be detected may be a local maximum, for example a positive voltage, or a local minimum, for example a negative voltage, depending on the connection of the piezoelectric element 4. In this sense, knowing the type constraint that will be applied to the stress sensor 2, andthe characteristics of the piezoelectric element 4, the person skilled in the art is even to know whether a local maximum, or a local minimum, of the electrical signal is to be detected as a local extremum electrical signal.
[0040] On comprend de ce qui a été dit précédemment qu’il existe un besoin depermettre une détection précise de l’extremum local du signal électrique. Le signalélectrique présente une dérivée, notamment temporelle, et cette dérivée est nulle,c’est-à-dire égale à zéro, pour l’extremum local du signal électrique. Ainsi, ledétecteur 5 peut être configuré pour utiliser la dérivée du signal électrique pourdétecter l’extremum local du signal électrique. Autrement dit, la détection del’extremum local du signal électrique par le détecteur 5 est réalisée par la détectiond’un passage par zéro de la dérivée du signal électrique. Comme illustré en figure2, pour permettre la mise en œuvre cette détection précise, le détecteur 5comporte préférentiellement un dérivateur 8 (notamment un dérivateur 8 de tensionlorsque le signal électrique est un signal de tension) configuré pour déterminer ladérivée du signal électrique. En fait, le dérivateur 8 peut fournir en sortie la dérivéesous la forme d’un signal de dérivée du signal électrique. Le signal de dérivée dusignal électrique peut être un signal de tension représentant l’évolution de ladérivée du signal électrique au cours du temps. Ainsi, la dérivée du signal électriquepeut être formée par des valeurs de tension. Le dérivateur 8 peut être relié àl’élément piézoélectrique 4 qui lui fournit le signal électrique à dériver. Par ailleurs,le détecteur 5 comporte aussi un comparateur 9 configuré pour fournir en sortie unsignal logique alternant entre deux niveaux, par exemple entre 0 ou 1 (1représentant un niveau par exemple donné par la tension d’alimentation ducomparateur 9, et 0 représentant par exemple 0 volt). Le comparateur 9 peutcomporter un amplificateur opérationnel monté en comparateur ou un comparateurbasse consommation (par exemple inférieure à 5μΑ). Le passage à l’un desniveaux indique que l’extremum local du signal électrique, c’est-à-dire le pic de lacontrainte appliquée, est détecté. En ce sens, ledit un des niveaux indique l’étatdétecté de l’extremum local du signal électrique. Le comparateur 9 est configurépour changer le niveau du signal logique lors d’un, notamment lors de chaque,passage par zéro de la dérivée du signal électrique déterminée par le dérivateur 8.Autrement dit, le comparateur 9 est un comparateur à zéro. Cette solution à basedu dérivateur 8 et du comparateur 9 est préférée car elle participe à limiter laconsommation pour détecter le pic de la contrainte appliquée. De manièreclassique, le comparateur 9 peut comporter des moyens adaptés pour éviter lesfausses détections de l’extremum local du signal électrique, ces moyens, connusen soi par l’homme du métier, peuvent par exemple comporter des composants logiques tels que des bascules associées à la génération de constante de tempsou encore des cellules à retard dont l’utilisation peut être combinée à celle desbascules.It is understood from what has been said previously that there is a need for accurate detection of the local extremum of the electrical signal. The electrical signal has a derivative, in particular time derivative, and this derivative is zero, that is to say equal to zero, for the local extremum of the electrical signal. Thus, the detector 5 can be configured to use the derivative of the electrical signal to detect the local extremum of the electrical signal. In other words, the detection of the local end of the electrical signal by the detector 5 is achieved by the detection of a zero crossing of the derivative of the electrical signal. As illustrated in FIG. 2, to enable the implementation of this precise detection, the detector 5 preferably includes a diverter 8 (notably a voltage diverter 8when the electrical signal is a voltage signal) configured to determine the electrical signal's value. In fact, the diverter 8 can output the derivative in the form of a signal derived from the electrical signal. The electric signal derivative signal may be a voltage signal representing the evolution of the electric signal's time difference. Thus, the derivative of the electrical signal can be formed by voltage values. The diverter 8 may be connected to the piezoelectric element 4 which provides it with the electrical signal to be derived. Furthermore, the detector 5 also comprises a comparator 9 configured to output a logic signal alternating between two levels, for example between 0 or 1 (1représentant a level for example given by the supply voltage comcomparateur 9, and 0 representing for example 0 volts). The comparator 9 may comprise an operational amplifier mounted as a comparator or a low power comparator (for example less than 5 μΑ). The changeover to one of the levels indicates that the local extremum of the electrical signal, i.e., the applied peak stress, is detected. In this sense, said one of the levels indicates the detected state of the local extremum of the electrical signal. The comparator 9 is configured to change the level of the logic signal during a, especially during each zero crossing of the derivative of the electrical signal determined by the differentiator 8. In other words, the comparator 9 is a zero comparator. This bridge-based solution 8 and the comparator 9 is preferred because it helps to limit consumption to detect the peak of the applied stress. In a conventional manner, the comparator 9 may comprise means adapted to avoid false detections of the local extremum of the electrical signal, these means, known to those skilled in the art, may for example comprise logic components such as latches associated with the generation of time constant or delay cells whose use can be combined with that of thebules.
[0041] De manière générale, le module électronique 6 peut comporter un systèmeélectronique 10 dont une fonction peut être de déclencher la mesure de la grandeurélectrique représentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3 enparticulier lorsque le comparateur 9 a détecté l’extremum local du signal électrique,et donc le pic de la contrainte appliquée. Ce système électronique 10, alimenté parla source d’alimentation électrique 7, peut être un microcontrôleur présentantl’avantage d’une consommation électrique limitée. Le système électronique 10 peutêtre relié à la sortie du comparateur 9. Plus particulièrement, la sortie ducomparateur 9 est reliée à une entrée d’interruption du système électronique 10 desorte que le système électronique 10 génère une interruption déclenchant lamesure de ladite grandeur électrique représentative de la résistance électrique del’élément piézorésistif 3 lorsqu’il détecte le passage du signal logique qu’il reçoitsur son entrée d’interruption à un niveau qu’il assimile à un état détecté del’extremum local du signal électrique. L’avantage de l’utilisation d’unmicrocontrôleur tel que décrit est que ce dernier peut occuper un état d’attente danslequel sa consommation électrique est limitée. Cet état d’attente pouvant êtreinterrompu lors de la génération de l’interruption ou lorsqu’il est réalisé deslectures/déterminations de grandeurs physiques à une fréquence d’acquisitioncomme il le sera décrit ci-après.In general, the electronic module 6 may comprise an electronic system 10 whose function may be to trigger the measurement of the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 in particular when the comparator 9 has detected the local extremum of the electrical signal, and therefore the peak of the applied stress. This electronic system 10, powered by the power supply source 7, may be a microcontroller with the advantage of limited power consumption. The electronic system 10 can be connected to the output of the comparator 9. More particularly, the output of the comparator 9 is connected to an interruption input of the electronic system 10 so that the electronic system 10 generates a cut-off interruption of said electrical variable representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 when it detects the passage of the logic signal it receives on its interruption input at a level that it assimilates to a detected state of the local end of the electrical signal. The advantage of using a microcontroller as described is that the latter can occupy a state of waiting in which its power consumption is limited. This waiting state can be interrupted during the generation of the interrupt or when physical measurements / determinations are made at an acquisition frequency as will be described hereinafter.
[0042] Le niveau du signal logique indiquant que l’extremum local du signalélectrique a été détecté peut-être fixé par conception du dispositif, notamment enprenant en compte si l’extremum local du signal électrique à détecter est unmaximum local du signal électrique généré, ou un minimum local du signalélectrique généré. Le fonctionnement du comparateur 9 est aussi à prendre encompte pour considérer quel niveau du signal logique correspond à celui indiquantque l’extremum local du signal électrique a été détecté.The level of the logic signal indicating that the local extremum of the electrical signal has been detected may be fixed by design of the device, including taking into account whether the local extremum of the electrical signal to be detected is a local maximum of the generated electrical signal, or a local minimum of the generated electrical signal. The operation of the comparator 9 is also to be taken into account to consider what level of the logic signal corresponds to that indicating that the local extremum of the electrical signal has been detected.
[0043] Selon un exemple préféré permettant de détecter le pic de la contrainteappliquée, les deux niveaux du signal logique correspondent respectivement à unpremier niveau et à un deuxième niveau. Les premier et deuxième niveaux sontdifférents, et sont notamment chacun choisi parmi un niveau bas et un niveau haut,par exemple chacun associé à une tension électrique qui lui est propre, par exemple OV ou une tension d’alimentation du comparateur 9. Par ailleurs, lecomparateur 9 est configuré pour : • faire passer le signal logique du premier niveau au deuxième niveau lorsd’un passage par zéro de la dérivée du signal électrique déterminée par ledérivateur 8 pour un maximum local du signal électrique, par exemple pourune valeur positive de tension, • faire passer le signal logique du deuxième niveau au premier niveau lorsd’un passage par zéro de la dérivée du signal électrique déterminée par ledérivateur 8 pour un minimum local du signal électrique, par exemple unevaleur négative de tension.According to a preferred example for detecting the peak of the applied constraint, the two levels of the logic signal correspond respectively to a first level and to a second level. The first and second levels are different, and are in particular each one chosen from a low level and a high level, for example each associated with a voltage of its own, for example OV or a supply voltage of the comparator 9. Moreover, The analyzer 9 is configured to: • pass the logic signal from the first level to the second level during a zero crossing of the derivative of the electrical signal determined by the detector 8 for a local maximum of the electrical signal, for example for a positive value of voltage, • to pass the logic signal from the second level to the first level during a zero crossing of the derivative of the electrical signal determined by the diverter 8 for a local minimum of the electrical signal, for example a negative voltage value.
On comprend alors que si l’extremum local du signal électrique à détecter par ledétecteur 5 est le maximum local du signal électrique alors le pic de contrainte estconsidéré comme détecté lors du passage du premier niveau au deuxième niveau.Inversement, si l’extremum local du signal électrique à détecter est le minimumlocal du signal électrique, alors le pic de contrainte est considéré comme détectélors du passage du deuxième niveau au premier niveau. Une telle méthode estavantageuse dans le sens où elle peut facilement être implémentée sansnécessiter une consommation en énergie importante. Alternativement, bien quecela nécessite une consommation électrique plus importante, le microcontrôleurévoqué précédemment peut être configuré pour détecter le pic de la contrainte,déclencher la mesure de la grandeur électrique, et déterminer la valeur de lacontrainte. Il est à présent décrit une application concrète de l’exemple préféré. Surla figure 3, il est représenté, lors de l’application d’une contrainte variant dans letemps au capteur de contrainte, l’évolution de signaux de tension S1, S1 ’, SL enfonction du temps représentant respectivement le signal électrique S1, la dérivéeS1’ du signal électrique et le signal logique SL. Le signal SL varie entre 0 et unetension d’alimentation du comparateur 9. Selon cette application concrète, lecomparateur 9 permet de comparer la dérivée S1’ du signal électrique S1 à zéro,par exemple à un potentiel électrique nul, notamment la masse. Ici, le comparateur9 prend en entrée des valeurs de tension correspondant chacune à une valeur dela dérivée S1’ du signal électrique. Par ailleurs, le comparateur 9 est configuré desorte que si la tension correspondant à la dérivée du signal électrique à son entréeest une tension différente de zéro et positive, alors le niveau du signal logique est haut, et de sorte que si la tension correspondant à la dérivée du signal électrique àson entrée est une tension négative différente de zéro, le niveau du signal logiqueest bas. Dans ce cas, lorsque la dérivée ST du signal électrique devient nulle, celas’accompagne ensuite d’un changement de signe de la dérivée ST du signalélectrique. Par exemple, si l’extremum local du signal électrique à détecter est unmaximum local du signal électrique S1, par exemple une tension positive, la dérivéeST du signal électrique sera positive avant d’atteindre l’extremum local du signalélectrique, puis négative après avoir atteint l’extremum local du signal électrique :il en résulte que l’extremum local du signal électrique peut être détecté suite à lagénération en sortie du comparateur 9 d’un front descendant pour passer du niveauhaut au niveau bas du signal logique SL. Au contraire, si l’extremum local du signalélectrique est un minimum local du signal électrique S1, par exemple une tensionnégative, la dérivée ST du signal électrique sera négative avant d’atteindrel’extremum local du signal électrique à détecter, puis positive après avoir atteintl’extremum local du signal électrique à détecter : il en résulte que l’extremum localdu signal électrique peut être détecté suite à la génération en sortie du comparateur9 d’un front montant pour passer du niveau bas du signal logique SL au niveau hautdu signal logique.It is then understood that if the local extremum of the electrical signal to be detected by the detector 5 is the local maximum of the electrical signal, then the peak of stress is considered as detected during the transition from the first level to the second level. Conversely, if the local extremum of the The electrical signal to be detected is the minimum local of the electrical signal, whereas the peak of stress is considered as detected during the transition from the second level to the first level. Such a method is advantageous in the sense that it can easily be implemented without requiring a significant energy consumption. Alternatively, although it requires greater power consumption, the microcontroller evoked previously can be configured to detect the peak of the stress, trigger the measurement of the electrical quantity, and determine the value of the stress. It is now described a concrete application of the preferred example. FIG. 3 shows, during the application of a constraint varying in the meantime to the stress sensor, the evolution of voltage signals S1, S1 ', SL depending on the time respectively representing the electrical signal S1, the derivative S1 of the electrical signal and the logic signal SL. The signal SL varies between 0 and a power supply of the comparator 9. According to this concrete application, the comparator 9 makes it possible to compare the derivative S1 'of the electrical signal S1 with zero, for example with a zero electrical potential, in particular ground. Here, the comparator 9 takes as input voltage values each corresponding to a value of the derivative S1 'of the electrical signal. Moreover, the comparator 9 is configured so that if the voltage corresponding to the derivative of the electrical signal at its input is a voltage different from zero and positive, then the level of the logic signal is high, and so that if the voltage corresponding to the derived from the electrical signal at its input is a negative voltage different from zero, the level of the logic signal is low. In this case, when the derivative ST of the electrical signal becomes zero, it then accompanies a change of sign of the derivative ST of the electrical signal. For example, if the local extremum of the electrical signal to be detected is a local maximum of the electrical signal S1, for example a positive voltage, the derivative ST of the electrical signal will be positive before reaching the local extremum of the electrical signal, then negative after reaching the local extremum of the electrical signal: it follows that the local extremum of the electrical signal can be detected following the regeneration at the output of the comparator 9 of a falling edge to go from the high level to the low level of the logic signal SL. On the contrary, if the local extremum of the electrical signal is a local minimum of the electrical signal S1, for example a negative voltage, the derivative ST of the electrical signal will be negative before reaching the local end of the electrical signal to be detected, then positive after reaching local extremum of the electrical signal to be detected: it follows that the local extremum of the electrical signal can be detected following the output generation of the comparator 9 of a rising edge to go from the low level of the logic signal SL to the high level of the logic signal.
[0044] Plus particulièrement, la sortie du comparateur 9 fournissant le signallogique peut être reliée à l’entrée d’interruption du système électronique 10. Ainsi,le système électronique 10 génère une interruption déclenchant la mesure de lagrandeur électrique représentative de la résistance électrique de l’élémentpiézorésistif 3 lorsque ledit système électronique 10 détecte le passage du signallogique qu’il reçoit sur son entrée d’interruption à un niveau qu’il assimile à l’étatdétecté de l’extremum local du signal électrique. Bien entendu, selon laprogrammation du système électronique, un inverseur de signal logique pourra êtreplacé entre la sortie du comparateur 9 et l’entrée d’interruption du systèmeélectronique 10 : tout dépendra de comment le système électronique 10 interprètele signal logique se présentant à son entrée d’interruption en fonction del’interprétation du signal logique en sortie du comparateur 9.More particularly, the output of the comparator 9 providing the signal may be connected to the interruption input of the electronic system 10. Thus, the electronic system 10 generates an interruption triggering the measurement of the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the electronic system 10. the piezoresistive element 3 when said electronic system 10 detects the passage of signalallogic that it receives on its interruption input at a level that it assimilates to the detected state of the local extremum of the electrical signal. Of course, depending on the programming of the electronic system, a logic signal inverter may be placed between the output of the comparator 9 and the interrupt input of the electronic system 10: it will depend on how the electronic system 10 interprets the logic signal at its input. interruption as a function of the interpretation of the logic signal at the output of the comparator 9.
[0045] Comme illustré en figure 4, le dérivateur 8 peut être un circuit RC enconfiguration série. Dans le domaine, un circuit RC est un circuit qui comporte uncomposant résistif 8a et un condensateur 8b. La figure 4 illustre un exempleparticulier de mise en œuvre du dérivateur 8 comportant une entrée En8 reliée à l’élément piézoélectrique et une sortie S8 reliée au comparateur 9. Lecondensateur 8b du dérivateur 8 est relié à la sortie S8 et à l’entrée En8 dudérivateur 8. Par ailleurs, le composant résistif 8a du dérivateur 8 est relié, d’unepart, à la masse, et, d’autre part, à un lien électrique reliant le condensateur 8b àla sortie S8 du dérivateur 8. L’avantage d’un tel dérivateur est qu’il consomme peud’énergie et prend très peu de place sur la carte électronique (deux composants).La capacité du condensateur 8b est comprise entre 1pF et 100pF, et la résistanceélectrique du composant résistif 8a est comprise entre 1ΜΩ et 100ΜΩ, et ce pourne pas influer sur la tension de sortie de l’élément piézoélectrique dont la capacitésera typiquement comprise entre 100pF et 10nF.As illustrated in FIG. 4, the differentiator 8 may be a series RC cononfiguration circuit. In the field, an RC circuit is a circuit which comprises a resistive component 8a and a capacitor 8b. FIG. 4 illustrates a particular example of implementation of the differentiator 8 comprising an input En8 connected to the piezoelectric element and an output S8 connected to the comparator 9. The capacitor 8b of the differentiator 8 is connected to the output S8 and to the input En8 of the derivative 8. Furthermore, the resistive component 8a of the diverter 8 is connected, on the one hand, to ground, and on the other hand, to an electrical link connecting the capacitor 8b to the output S8 of the diverter 8. The advantage of such a derivative is that it consumes little energy and takes up very little space on the electronic board (two components). The capacitance of the capacitor 8b is between 1 μF and 100 μF, and the electrical resistance of the resistive component 8 a is between 1 μΩ and 100ΜΩ, and this does not affect the output voltage of the piezoelectric element whose capacity will typically be between 100pF and 10nF.
[0046] Comme illustré en figure 4, le comparateur 9 peut comporter une premièreentrée notée « + » et une deuxième entrée notée « - ». La première entrée « + »est reliée à la sortie S8 du dérivateur 8 et la deuxième entrée « - » est reliée à lamasse de sorte à permettre la comparaison à zéro. La sortie S9 du comparateur 9permet de fournir le signal logique évoqué précédemment par comparaison desdonnées fournies aux première et deuxième entrées du comparateur 9. Le niveaudu signal logique correspondant à l’état détecté du pic de la contrainte appliquéedépendra notamment du branchement des entrées du comparateur 9 au dérivateur8 et à la masse.As illustrated in Figure 4, the comparator 9 may include a first input denoted "+" and a second input denoted "-". The first input "+" is connected to the output S8 of the diverter 8 and the second input "-" is connected to the line so as to allow the comparison to zero. The output S9 of the comparator 9 makes it possible to supply the logic signal mentioned above by comparison of the data supplied to the first and second inputs of the comparator 9. The level of the logic signal corresponding to the detected state of the peak of the stress applied depends in particular on the connection of the inputs of the comparator 9. to the differentiator8 and to the mass.
[0047] Comme illustré en figures 5 à 11, le dispositif peut comporter un substrat11 sur lequel est agencé le capteur de contrainte 2. Le substrat 11 peut être fin etsouple pour autoriser sa déformation lorsque la contrainte est appliquée au capteurde contrainte 2. Le substrat 11 peut aussi à l’opposé être rigide. Le substrat 11 peutêtre choisi de telle sorte à pouvoir être découpé, par exemple au format d’unesemelle, pour être inséré dans une chaussure. Le substrat 11 peut être en plastiquede type PEN (pour poly(naphtalate d'éthylène)), PET (pour poly(téréphtalated'éthylène)), PC (pour Polycarbonate), Polymide (par exemple du Kapton®) ouautre. Typiquement, le substrat 11 présente une épaisseur pouvant être compriseentre 100pm et 200pm. L’épaisseur du substrat 11 donnée ci-avant et combinée àun module d’Young du matériau du substrat 11 par exemple compris entre 0,5GPaet 10GPa correspond à la définition de substrat 11 fin et souple. Alternativement,le substrat 11 peut aussi être du papier, du textile, du métal, ou d’un autre typeadapté à l’application souhaitée. La gamme d’épaisseur donnée en relation avec les différents exemples du substrat 11 permet d’obtenir une souplesse suffisantedu substrat pour les applications dans le domaine de la semelle de chaussure.[0048] Comme représenté en figures 5 à 11, l’élément piézoélectrique 4 peutcomporter un empilement comprenant deux électrodes 41, 42 (aussi appeléespremière électrode 41 et deuxième électrode 42 de l’élément piézoélectrique 4)séparées par une couche en matériau piézoélectrique 43, par exemple une coucheen matériau diélectrique présentant des propriétés piézoélectriques. Les électrodes41, 42 de l’élément piézoélectrique 4 peuvent adopter la forme de couchesempilées avec la couche en matériau piézoélectrique 43 située entre lesdites deuxélectrodes 41, 42. Les couches formant les électrodes 41, 42 de l’élémentpiézoélectrique 4 peuvent présenter chacune une épaisseur comprise entre 0,5nmet 500nm pour des électrodes réalisées par dépôt chimique en phase vapeur etentre 0,5pm et 5pm pour des électrodes réalisées par impression. La couche enmatériau piézoélectrique 43 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,5pm et50pm suivant la force souhaitée du signal en tension généré par l’élémentpiézoélectrique 4. L’épaisseur de la couche en matériau piézoélectrique a uneinfluence sur la tension générée par l’élément piézoélectrique : plus l’épaisseur estimportante plus la tension du signal électrique généré par l’élément piézoélectrique4 sera importante. Les électrodes 41, 42 de l’élément piézoélectrique 4 peuventcomporter du métal (par exemple de l’argent sous la forme de particules, denanoparticules ou de nanofils), ou un polymère conducteur électronique commepar exemple le PEDOT-PSS ou la polyaniline. Les électrodes 41, 42 de l’élémentpiézoélectrique 4 peuvent être obtenues par impression à partir d’une encrecomportant le métal précité, ou le polymère conducteur électronique précité.Alternativement, les électrodes 41, 42 de l’élément piézoélectrique 4 peuvent êtreobtenues par utilisation d’un procédé de dépôt sous vide comme par exemple unprocédé CVD (pour l’anglais « chemical Vapor déposition » ou dépôt chimique enphase vapeur en français) ou un procédé PVD (pour l’anglais « Physical vapordéposition » ou dépôt physique en phase vapeur en français). Les deux électrodes41, 42 de l’élément piézoélectrique 4 peuvent être réalisées dans des matériauxidentiques ou différents. Le PEDOT-PSS aussi noté PEDOT:PSS est un sigledésignant un mélange de deux polymères, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS).Le PEDOT est un polymère conjugué dérivé du polythiophène dont une fraction des atomes de soufre est protonée avec une charge positive, tandis que le PSS estun polystyrène sulfoné chargé négativement dont une fraction desgroupes sulfonate SC>3_ porte un ion sodium Na+. La couche en matériaupiézoélectrique 43 peut comporter des particules inorganiques piézoélectriquescomme des particules de titano-zirconate de plomb (aussi connu sous ladénomination PZT), ou de titanate de baryum (comme par exemple BaTiOs), ouencore comporter un polymère électro-actif tel que du poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (aussi connu sous la dénomination P(VDF)-TrFE). La couche enmatériau piézoélectrique 43 peut être réalisée par dépôt d’une encre comportantles particules inorganiques ou le polymère électro-actif.As illustrated in FIGS. 5 to 11, the device may comprise a substrate 11 on which the stress sensor 2 is arranged. The substrate 11 may be thin and coupled to allow its deformation when the stress is applied to the stress sensor 2. The substrate On the other hand, it can be rigid. The substrate 11 can be chosen so that it can be cut, for example in the format of a sole, to be inserted into a shoe. The substrate 11 may be of plastic type PEN (for polyethylene naphthalate), PET (for polyethylene terephthalate), PC (for Polycarbonate), Polymide (for example Kapton®) or other. Typically, the substrate 11 has a thickness that can be between 100pm and 200pm. The thickness of the substrate 11 given above and combined with a Young's modulus of the material of the substrate 11, for example between 0.5GPa and 10GPa, corresponds to the definition of a thin and flexible substrate 11. Alternatively, the substrate 11 may also be paper, textile, metal, or another typ adapted to the desired application. The range of thickness given in relation to the various examples of the substrate 11 makes it possible to obtain sufficient flexibility of the substrate for applications in the field of the shoe sole. [0048] As represented in FIGS. 5 to 11, the piezoelectric element 4 may comprise a stack comprising two electrodes 41, 42 (also called first electrode 41 and second electrode 42 of the piezoelectric element 4) separated by a layer of piezoelectric material 43, for example a dielectric material having piezoelectric properties. The electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 can take the form of layers stacked with the layer of piezoelectric material 43 located between said two electrodes 41, 42. The layers forming the electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 may each have a thickness of between 0.5 nm and 500 nm for electrodes produced by chemical vapor deposition and between 0.5 μm and 5 μm for electrodes produced by printing. The layer of piezoelectric material 43 may have a thickness of between 0.5 μm and 50 μm depending on the desired force of the voltage signal generated by the piezoelectric element 4. The thickness of the layer of piezoelectric material has an influence on the voltage generated by the piezoelectric element : the greater the estimated thickness plus the voltage of the electrical signal generated by the piezoelectric element 4 will be important. The electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 may comprise metal (for example silver in the form of particles, nanoparticles or nanowires), or an electronically conductive polymer such as, for example, PEDOT-PSS or polyaniline. The electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 can be obtained by printing from an ink containing the aforementioned metal, or the aforementioned electronic conductive polymer.Alternatively, the electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 can be obtained by using a vacuum deposition method such as a CVD (chemical vapor deposition in French) or a PVD (physical vapor deposition) process or physical vapor deposition in English French). The two electrodes 41, 42 of the piezoelectric element 4 may be made of identical or different materials. PEDOT-PSS, also known as PEDOT: PSS, is a combination of two polymers, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and sodium poly (styrene sulfonate) (PSS). PEDOT is a derivative conjugated polymer polythiophene of which a fraction of the sulfur atoms is protonated with a positive charge, whereas the PSS is a negatively charged sulfonated polystyrene of which a fraction of the sulfonate groups SC> 3 carries a sodium ion Na +. The layer of piezoelectric material 43 may comprise piezoelectric inorganic particles such as titanium lead zirconate particles (also known under the name PZT), or barium titanate (as for example BaTiOs), or still include an electro-active polymer such as poly (vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) (also known as P (VDF) -TrFE). The layer of piezoelectric material 43 may be made by depositing an ink comprising the inorganic particles or the electroactive polymer.
[0049] Comme représenté en figures 5 à 11, l’élément piézorésistif 3 peutcomporter deux électrodes 31, 32 imbriquées l’une dans l’autre sous forme d’unpeigne : il s’agit d’électrodes interdigitées 31, 32 (aussi appelées premièreélectrode 31 et deuxième électrode 32 interdigitées de l’élément piézorésistif 3)comme par exemple illustrées en figure 12 qui représente un exemple d’électrodes31,32 interdigitées. Chacune de ces électrodes 31,32 interdigitées peut présenterune épaisseur, donnée orthogonalement par rapport au plan où elles sontinterdigitées, comprise entre 1pm et 15pm (bien que des valeurs supérieurespuissent être aussi possibles), et préférentiellement entre 7pm et 8pm. L’électrode31 peut comporter des doigts 31a et l’électrode 32 peut comporter des doigts 32a,les doigts sont interdigités de sorte que chaque doigt 31a d’une des électrode 31de l’élément piézorésistif 3 est séparé d’un doigt 32a de l’autre électrode 32 del’élément piézorésistif 3 d’une distance comprise entre 100pm et 1000pm. Lalargeur des doigts interdigités parallèlement au plan où ils sont interdigités peut êtrecomprise entre 100pm et 1000pm. Selon un exemple non limitatif, la largeur desdoigts est de 500pm, et l’espacement entre deux doigts adjacents est de 500pm.Chacune des électrodes interdigitées peut par exemple comporter huit doigts(figure 12). Les dimensions des doigts interdigités, leur espacement et leur nombresont choisis en fonction de la contrainte que l’on souhaite mesurer et de lasensibilité souhaitée du capteur de contrainte. Ces électrodes 31, 32 de l’élémentpiézorésistif 3 peuvent comporter du métal (par exemple de l’argent sous la formede particules, de nanoparticules ou de nanofils), ou un polymère conducteurélectronique comme par exemple le PEDOT-PSS ou la polyaniline. Les électrodes31, 32 de l’élément piézorésistif 3 peuvent être réalisées par impression à partir d’encres comportant les matériaux décrits ci-dessus, ou être formées en utilisantun procédé de dépôt sous vide, par exemple par CVD ou par PVD. Une couche enmatériau piézorésistif 33, notamment d’épaisseur comprise entre 5pm et 25pm estmaintenue en regard des électrodes par un élément d’entretoisement 34 aussiappelé espaceur. Plus particulièrement, la couche en matériau piézorésistif 33 estformée sur un support 35 fixé à l’élément d’entretoisement 34. Le matériaupiézorésistif être du FSR (pour l’anglais « Force Sensing Resistor »). Le matériaupiézorésistif peut comporter au moins l’un des matériaux choisis parmi : desparticules de carbone, des nanotubes de carbone, du graphène et des particulesde métal, mélangé à un liant élastomère. Le matériau piézorésistif peutalternativement être formé par un polymère électriquement conducteur (parexemple la polyaniline, le polypyrrole ou le polyacétylène). L’élémentd’entretoisement 34 peut être un adhésif en acrylique ou en silicone. Le support 35peut être en polypropylène (PP), polyéthylène (PE), ou polyuréthane (PUR) etnotamment adopter la forme d’une couche d’épaisseur comprise entre 25pm et200pm. L’élément d’entretoisement 34 est agencé de sorte à ce que l’élémentpiézorésistif 33 reste à distance, par exemple 50pm, des électrodes lorsqu’aucunecontrainte à déterminer n’est appliquée au capteur de contrainte 2. Par ailleurs,lorsqu’une contrainte à déterminer est appliquée au capteur de contrainte 2, celapeut déformer la couche en matériau piézorésistif 33 qui vient en contact avec lesélectrodes interdigitées 31, 32 : il en résulte qu’il est possible d’alimenter l’élémentpiézorésistif 3 pour en mesurer une tension (permettant le cas échéant de remonterà la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3) représentative de ladéformation de la couche en matériau piézorésistif 33, cette tension pouvant êtreensuite corrélée à une valeur de contrainte, comme une pression. On comprendalors que l’élément d’entretoisement 34 est dimensionné en fonction descontraintes que l’on souhaite déterminer.As represented in FIGS. 5 to 11, the piezoresistive element 3 may comprise two electrodes 31, 32 nested one inside the other in the form of an undefine: these are interdigital electrodes 31, 32 (also called first electrode 31 and second interdigitated electrode 32 of the piezoresistive element 3) as for example illustrated in FIG. 12 which represents an example of interdigitated electrodes 31, 32. Each of these interdigitated electrodes 31, 32 may have a thickness, given orthogonally with respect to the plane where they are interdigitated, between 1pm and 15pm (although higher values may also be possible), and preferably between 7pm and 8pm. The electrode 31 may comprise fingers 31a and the electrode 32 may comprise fingers 32a, the fingers are interdigitated so that each finger 31a of one of the electrodes 31 of the piezoresistive element 3 is separated from a finger 32a of the another electrode 32 of the piezoresistive element 3 with a distance of between 100 μm and 1000 μm. The width of the interdigitated fingers parallel to the plane where they are interdigitated can be between 100pm and 1000pm. According to a non-limiting example, the width of the fingers is 500 μm, and the spacing between two adjacent fingers is 500 μm. Each interdigital electrode may for example comprise eight fingers (Figure 12). The dimensions of the interdigital fingers, their spacing and their numbers are chosen according to the constraint that one wishes to measure and the desired sensitivity of the stress sensor. These electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 may comprise metal (for example silver in the form of particles, nanoparticles or nanowires), or an electron conducting polymer such as, for example, PEDOT-PSS or polyaniline. The electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 can be made by printing from inks comprising the materials described above, or be formed using a vacuum deposition method, for example by CVD or by PVD. A layer of piezoresistive material 33, in particular with a thickness of between 5 μm and 25 μm, is held facing the electrodes by a spacer element 34, which is called a spacer. More particularly, the piezoresistive material layer 33 is formed on a support 35 fixed to the spacer element 34. The piezoresistive material is FSR (for the English "Force Sensing Resistor"). The piezoresistive material may comprise at least one of: carbon particles, carbon nanotubes, graphene, and metal particles, mixed with an elastomeric binder. The piezoresistive material may alternatively be formed by an electrically conductive polymer (e.g. polyaniline, polypyrrole or polyacetylene). The bracing member 34 may be an acrylic or silicone adhesive. The support 35 may be made of polypropylene (PP), polyethylene (PE), or polyurethane (PUR) and in particular take the form of a layer of thickness between 25pm and 200pm. The spacer element 34 is arranged such that the piezoresistive element 33 remains at a distance, for example 50 μm, from the electrodes when no stress to be determined is applied to the stress sensor 2. Moreover, when a stress to be determined is applied to the stress sensor 2, it deforms the layer of piezoresistive material 33 which comes into contact with the interdigitated electrodes 31, 32: it follows that it is possible to supply the piezoresistive element 3 to measure a voltage ( allowing the electrical resistance of the piezoresistive element 3) representative of the deformation of the piezoresistive material layer 33, if applicable, to be able to be correlated with a stress value, such as a pressure. It is then understood that the bracing member 34 is sized according to the stresses that it is desired to determine.
[0050] Lorsque le capteur de contrainte n’est pas sollicité, les couches enmatériau piézoélectrique et en matériau piézorésistif sont préférentiellementparallèles entre elles. Le dispositif est notamment agencé de sorte que la contraintesoit appliquée parallèlement à la direction de l’empilement formant le capteurpiézoélectrique, cette direction d’empilement étant perpendiculaire au plan dusubstrat 11.When the stress sensor is not stressed, the layers of piezoelectric material and piezoresistive material are preferablyparallel between them. The device is arranged in such a way that the stress is applied parallel to the direction of the stack forming the piezoelectric sensor, this stacking direction being perpendicular to the plane of the substrate 11.
[0051] Afin d’améliorer le fonctionnement du capteur de contrainte 2, il estpréférable que l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3 soient le plusproche possible l’un de l’autre. Cette proximité recherchée permet que le pic de lacontrainte vue par l’élément piézoélectrique 4 et par l’élément piézorésistif 3 soitdétectée par l’élément piézoélectrique 4 puis mesurée par l’élément piézorésistifau même point ou quasiment au même point, améliorant ainsi la précision globaledu capteur de contrainte 2.In order to improve the operation of the stress sensor 2, it is better that the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 are as close as possible to one another. This desired proximity allows the peak of the stress seen by the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 to be detected by the piezoelectric element 4 and then measured by the piezoresistive element at the same point or almost at the same point, thus improving the overall accuracy of the piezoelectric element. stress sensor 2.
[0052] Selon une première réalisation du capteur de contrainte 2 illustrée enfigures 5 et 6, l’élément piézorésistif 3 et l’élément piézoélectrique 4 du capteur decontrainte 2 sont juxtaposés, et notamment disposés côte à côte sur le mêmesubstrat 11. L’élément piézorésistif 3 comporte les électrodes interdigitées 31, 32,notamment en contact avec le substrat 11, et la couche en matériau piézorésistif 33 formée sur le support 35 séparé du substrat 11 par l’élément d’entretoisement 34 reliant le substrat 11 audit support 35. L’élément piézoélectrique 4 comporte lacouche en matériau piézoélectrique 43 située entre ses deux électrodes 41,42 dontl’une 41 est proximale du, et notamment en contact avec le, substrat 11. Cettesolution présente l’avantage d’être facile à réaliser, mais présente l’inconvénientd’un décalage latéral entre les éléments piézorésistif 3 et piézoélectrique 4. Cedécalage limite la précision du capteur de contrainte 2 lorsque la contrainte estappliquée orthogonalement au plan de la figure 5 car la détection du pic de lacontrainte à partir de l’élément piézoélectrique 4 et la mesure de la grandeurélectrique représentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3 seferont en deux points proches mais distincts.According to a first embodiment of the stress sensor 2 illustrated in FIGS. 5 and 6, the piezoresistive element 3 and the piezoelectric element 4 of the pressure sensor 2 are juxtaposed, and in particular arranged side by side on the same substrate 11. The element piezoresistive 3 comprises the interdigital electrodes 31, 32, in particular in contact with the substrate 11, and the layer of piezoresistive material 33 formed on the support 35 separated from the substrate 11 by the spacer element 34 connecting the substrate 11 to said support 35. The piezoelectric element 4 comprises a layer of piezoelectric material 43 located between its two electrodes 41, 42, 41 of which is proximal to, and in particular in contact with, the substrate 11. This solution has the advantage of being easy to produce, but has the disadvantage of a lateral shift between the piezoresistive elements 3 and piezoelectric 4. Decalculation limits the accuracy of the stress sensor 2 when the stress is applied orthogonally to the plane of FIG. 5 because the detection of the stress peak from the piezoelectric element 4 and the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 will be split in two close but distinct points.
[0053] On comprend qu’il existe une problématique d’amélioration de la précisiondu capteur de contrainte 2. Les deuxième et troisième réalisations du capteur decontrainte 2 décrites ci-après permettent de répondre à cette problématiqued’amélioration de la précision.It is understood that there is a problem of improving the accuracy of the strain sensor 2. The second and third embodiments of the pressure sensor 2 described below allow to address this problem of improving the accuracy.
[0054] Selon la deuxième réalisation du capteur de contrainte 2 illustrée en figures7 et 8, l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3 du capteur decontrainte 2 sont agencés de sorte que l’élément piézoélectrique 4 entoure, enparticulier au moins partiellement, l’élément piézorésistif 3 ou inversement. On ditque l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3 peuvent êtreconcentriques. Par exemple, comme illustré en figure 7, l’élément piézoélectrique4 adopte une forme annulaire. L’élément piézoélectrique 4 peut former un anneau ouvert ou fermé selon les besoins technologiques. En figure 7, l’élémentpiézoélectrique 4 est disposé autour de l’élément piézorésistif 3, selon une autreformulation l’élément piézoélectrique 4 est disposé latéralement à l’élémentpiézorésistif 3 de sorte à l’entourer. Selon cette deuxième réalisation, l’élémentpiézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif sont formés sur le substrat 11 à lamanière telle que décrite en relation avec la première réalisation. Cette deuxièmeréalisation permet d’améliorer la précision du capteur de contrainte 2 en améliorantla localisation de la contrainte relativement aux éléments piézoélectrique 4 etpiézorésistif 3.According to the second embodiment of the strain sensor 2 illustrated in FIGS. 7 and 8, the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 of the pressure sensor 2 are arranged so that the piezoelectric element 4 surrounds, in particular at least partially, the piezoresistive element 3 or vice versa. It is said that the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 can be concentric. For example, as illustrated in FIG. 7, the piezoelectric element 4 adopts an annular shape. The piezoelectric element 4 can form an open or closed ring according to the technological needs. In FIG. 7, the piezoelectric element 4 is arranged around the piezoresistive element 3, according to another formulation, the piezoelectric element 4 is disposed laterally to the piezoresistive element 3 so as to surround it. According to this second embodiment, the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element are formed on the substrate 11 in the manner as described in connection with the first embodiment. This second realization makes it possible to improve the accuracy of the stress sensor 2 by improving the location of the stress relative to the piezoelectric elements 4 andpiezoresistive 3.
[0055] Selon la troisième réalisation illustrée en figures 9 à 11, le capteur decontrainte 2 est tel que l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3 sontempilés, notamment cet empilement est réalisé sur le substrat 11. Cette réalisationest préférée, notamment lorsque la contrainte appliquée au capteur de contrainte2 est parallèle, ou sécante mais non orthogonale, à la direction d’empilement del’empilement comportant l’élément piézoélectrique 4 et l’élément piézorésistif 3.Selon cette troisième réalisation, on obtient un capteur de contrainte 2 compact etprécis puisque tout effort appliqué parallèlement à la direction d’empilement peutêtre vu de manière similaire par les éléments piézoélectrique 4 et piézorésistif 3.Sur les figures 10 et 11, l’élément piézorésistif 3 est formé sur l’élémentpiézoélectrique 4. L’élément piézoélectrique 4 est formé quant à lui le substrat 11qui le porte. Sur la figure 11, on retrouve successivement depuis le substrat 11, unempilement comportant l’une des électrodes 41 de l’élément piézoélectrique 4, lacouche en matériau piézoélectrique 43, l’autre des électrodes 42 de l’élémentpiézoélectrique 4, un élément en matériau diélectrique 12 (se présentant parexemple sous la forme d’une couche formée sur la deuxième électrode 42), puisles électrodes interdigitées 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 formées sur l’élémenten matériau diélectrique 12. L’élément en matériau diélectrique 12 peut avoir uneépaisseur comprise entre 1pm et 10pm, et être en poly(fluorure devinylidène) (PVDF). La couche en matériau piézorésistif 33 est disposée en vis-à-vis des électrodes interdigitées 31, 32, et est maintenue à distance desditesélectrodes interdigitées 31, 32 via l’élément d’entretoisement 34 qui peut être fixé,d’une part, sur l’élément en matériau diélectrique 12 ou encore sur le substrat 11et, d’autre part sur le support 35 sur lequel est formée la couche en matériaupiézorésistif 33 orientée vers les électrodes interdigitées 31, 32. Selon une alternative illustrée en figure 10, l’élément en matériau diélectrique 12 n’est pasnécessaire, dans ce cas l’électrode 42 de l’élément piézoélectrique 4 la plusdistante du substrat 11 peut être formée par l’une des électrodes 32 interdigités del’élément piézorésistif 3 alors disposées sur la couche en matériau piézoélectrique43, ceci présente l’avantage de limiter le nombre de couches et la quantité dematériaux utilisés : le capteur de contrainte 2 peut alors être plus compact et doncplus précis.According to the third embodiment illustrated in FIGS. 9 to 11, the pressure sensor 2 is such that the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 are stacked, in particular this stack is made on the substrate 11. This embodiment is preferred, especially when the stress applied to the stress sensor 2 is parallel, or secant but not orthogonal, to the stacking direction of the stack comprising the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3. According to this third embodiment, a stress sensor 2 is obtained compact and accurate since any force applied parallel to the stacking direction can be seen similarly by the piezoelectric elements 4 and piezoresistive 3.On FIGS. 10 and 11, the piezoresistive element 3 is formed on the piezoelectric element 4. The element piezoelectric 4 is formed as for him the substrate 11 which carries it. FIG. 11 shows successively from the substrate 11, a stack comprising one of the electrodes 41 of the piezoelectric element 4, the piezoelectric material layer 43, the other of the electrodes 42 of the piezoelectric element 4, a material element dielectric 12 (for example, in the form of a layer formed on the second electrode 42), and the interdigital electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 formed on the element dielectric material 12. The element of dielectric material 12 can have a thickness between 1pm and 10pm, and be poly (fluoride divinylidene) (PVDF). The layer of piezoresistive material 33 is disposed opposite the interdigital electrodes 31, 32, and is kept at a distance from said interdigital electrodes 31, 32 via the spacer element 34 which can be fixed, on the one hand, on the element made of dielectric material 12 or else on the substrate 11et, on the other hand on the support 35 on which is formed the layer of piezoresistive material 33 oriented towards the interdigital electrodes 31, 32. According to an alternative illustrated in FIG. 10, the element in dielectric material 12 is not required, in this case the electrode 42 of the most resistant piezoelectric element 4 of the substrate 11 may be formed by one of the interdigitated electrodes 32 of the piezoresistive element 3 then arranged on the layer piezoelectric material43, this has the advantage of limiting the number of layers and the amount of material used: the stress sensor 2 can then to be more compact and therefore more precise.
[0056] De manière préférée, l’une des électrodes de l’élément piézoélectrique 4et l’une des électrodes de l’élément piézorésistif 3 sont reliées électriquement entreelles, ceci permet de limiter le nombre de pistes électriques à réaliser pourconnecter les éléments piézoélectrique 4 et piézorésistif 3 au module électronique,et de limiter le nombre de pistes à former sur une même face du substrat 11 en vued’éviter des chevauchements de pistes qui seraient à isoler électriquement. Pourles réalisations du capteur de contrainte 2 des figures 6 et 8, il est possible de relierl’électrode de l’élément piézoélectrique 4 la plus proche du substrat 11 à l’une desélectrodes de l’élément piézorésistif 3. Sur la figure 10, l’élément piézoélectrique4 et l’élément piézorésistif 4 comportent une électrode commune, ce qui permet defaciliter la fabrication du dispositif.Preferably, one of the electrodes of the piezoelectric element 4 and one of the electrodes of the piezoresistive element 3 are electrically connected to each other, this makes it possible to limit the number of electrical tracks to be made to connect the piezoelectric elements 4 and piezoresistive 3 to the electronic module, and limit the number of tracks to be formed on the same face of the substrate 11 to avoid overlapping tracks that would be electrically insulated. For the embodiments of the stress sensor 2 of FIGS. 6 and 8, it is possible to connect the electrode of the piezoelectric element 4 closest to the substrate 11 to one of the electrodes of the piezoresistive element 3. In FIG. the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 4 comprise a common electrode, which makes it possible to facilitate the manufacture of the device.
[0057] Les différentes réalisations du capteur de contrainte 2 décritesprécédemment sont tout particulièrement adaptées au dispositif tel que décrit.Cependant, un tel capteur de contrainte 2 peut être utilisé de manière indépendantedans tout type de système qui cherche à obtenir des informations sur une contrainteappliquée à un capteur de contrainte 2 sans pour autant se limiter à l’application audispositif tel que décrit. En effet, les données issues de l’élément piézoélectrique 4et de l’élément piézorésistif 3 peuvent être utilisées de manière complémentairepour caractériser une contrainte appliquée au capteur de contrainte.The different embodiments of the stress sensor 2 described above are particularly suitable for the device as described. However, such a stress sensor 2 can be used independently in any type of system that seeks to obtain information on a constraintapplied to a stress sensor 2 without being limited to the audipositive application as described. Indeed, the data from the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3 can be used in a complementary manner to characterize a stress applied to the stress sensor.
[0058] Le capteur de contrainte 2 décrit peut être en tout ou partie obtenu parimpression de matériaux adaptés comme évoqué ci-dessus. L’impression peut êtreréalisée par sérigraphie, par pulvérisation aussi connue sous la dénominationanglaise « spray-coating », ou par jet d’encre. L’avantage de l’utilisation del’impression dans la réalisation d’un capteur de contrainte 2 tel que décrit est qu’ilest ainsi possible de déposer les matériaux selon un motif adapté ne nécessitantpas de gravure et donc la perte de matière. Le capteur de contrainte 2 peut ainsi être fabriqué à moindre coûts, sur de grandes surfaces et sur des substratsflexibles.The strain sensor 2 described may be wholly or partly obtained by printing suitable materials as mentioned above. The printing can be carried out by screen printing, by spraying also known by the English name "spray-coating", or by inkjet. The advantage of the use of printing in the production of a stress sensor 2 as described is that it is thus possible to deposit the materials in a suitable pattern that does not require etching and therefore the loss of material. The stress sensor 2 can thus be manufactured at low cost, over large areas and on flexible substrates.
[0059] Il est à présent décrit un procédé de fabrication du capteur de contrainte 2tel qu’illustré selon ses différentes réalisations en figures 5 à 11. Les matériauxutilisés dans le présent procédé de fabrication peuvent être ceux décritsprécédemment en lien avec la description de l’élément piézoélectrique et del’élément piézorésistif. Un tel procédé de fabrication comporte une étape deformation de l’élément piézoélectrique 4 et une étape de formation de l’élémentpiézorésistif 3. Comme on le verra par la suite ces deux étapes de formationpeuvent être totalement indépendantes, ou peuvent comporter des étapestechnologiques communes. Les épaisseurs décrites ci-avant sont donnéesorthogonalement au plan du substrat pour ce qui est formé à partir du, ou au-dessusdu, substrat, ou le cas échéant du support pour la couche en matériau piézorésistifformée sur le support.It is now described a method for manufacturing the stress sensor 2 as illustrated in its various embodiments in Figures 5 to 11. The materials used in the present manufacturing process can be those described above in connection with the description of the piezoelectric element and the piezoresistive element. Such a manufacturing method comprises a step of forming the piezoelectric element 4 and a step of forming the piezoresistive element 3. As will be seen later, these two formation steps may be completely independent, or may include common technological techniques. The thicknesses described above are given orthogonally to the plane of the substrate for what is formed from, or above, the substrate, or possibly the support for the layer of piezoresistive material on the support.
[0060] Le procédé de fabrication peut comporter une étape de fourniture dusubstrat 11 tel que décrit précédemment.The manufacturing method may comprise a substrate supply step 11 as previously described.
[0061] Avant de mettre en œuvre les étapes de formation des élémentspiézoélectrique 4 et piézorésistif 3, le procédé de fabrication peut comporter uneétape de nettoyage du substrat 11 par exemple à l’éthanol, ou à l’acétone, ou partraitement plasma. Le but de ce nettoyage est d’obtenir un état de surfacereproductible du substrat avant de former le capteur de contrainte.Before implementing the steps of forming the piezoelectric elements 4 and piezoresistive 3, the manufacturing process may comprise a cleaning step of the substrate 11 for example with ethanol or acetone, or by plasma treatment. The purpose of this cleaning is to obtain a surface conditionproductible substrate before forming the stress sensor.
[0062] Il résulte de ce qui est représenté en figures 6, 8, 10 et 11 que l’étape deformation de l’élément piézoélectrique 4 peut comporter les étapes suivantes : uneétape de formation de la première électrode 41, dite électrode inférieure, del’élément piézoélectrique 4, notamment sur le substrat 11; une étape de formationde la couche en matériau piézoélectrique 43 sur la première électrode 41 ; uneétape de formation de la deuxième électrode 42, dite électrode supérieure, del’élément piézoélectrique 4 sur la couche en matériau piézoélectrique 43.It follows from what is shown in Figures 6, 8, 10 and 11 that the deformation step of the piezoelectric element 4 may comprise the following steps: a step of forming the first electrode 41, said lower electrode, del piezoelectric element 4, in particular on the substrate 11; a step of forming the layer of piezoelectric material 43 on the first electrode 41; a step of forming the second electrode 42, referred to as the upper electrode, of the piezoelectric element 4 on the layer of piezoelectric material 43.
[0063] L’étape de formation de la première électrode 41 de l’élémentpiézoélectrique 4 est notamment telle que la première électrode 41 de l’élémentpiézoélectrique 4 peut être réalisée par impression (par exemple par sérigraphie),sur le substrat 11, d’une encre métallique (par exemple à base d’argent ou decuivre), ou d’une encre polymère (par exemple à base de PEDOT-PSS oupolyaniline), ou peut être réalisée par dépôt sous vide par exemple par PVD ou CVD. Lorsque la première électrode 41 de l’élément piézoélectrique 4 est réaliséepar impression d’une encre, l’encre imprimée est séchée puis recuite. Le recuit peutavoir lieu dans une étuve à une température comprise entre la températureambiante (25°C°) et 200°C selon la nature du substrat 11 et du matériau utilisé pourformer la première électrode 41 de l’élément piézoélectrique 4.The step of forming the first electrode 41 of the piezoelectric element 4 is in particular such that the first electrode 41 of the piezoelectric element 4 may be produced by printing (for example by screen printing) on the substrate 11, a metallic ink (for example based on silver or copper), or a polymeric ink (for example based on PEDOT-PSS or polyaniline), or can be produced by vacuum deposition, for example by PVD or CVD. When the first electrode 41 of the piezoelectric element 4 is made by printing an ink, the printed ink is dried and then annealed. The annealing can take place in an oven at a temperature between the ambient temperature (25 ° C °) and 200 ° C depending on the nature of the substrate 11 and the material used to form the first electrode 41 of the piezoelectric element 4.
[0064] De manière générale, le séchage d’une encre permet une évaporation dessolvants qu’elle contient à température douce, typiquement comprise entre latempérature ambiante et 60°C, le recuit de l’encre permet quant à lui d’évaporer lereste de solvant de l’encre mais de donner à l’encre au terme du recuit certainesdes propriétés souhaitées de l’élément à former à partir de l’encre.In general, the drying of an ink allows a solvent evaporation it contains at a gentle temperature, typically between room temperature and 60 ° C, the annealing of the ink allows for it to evaporate the luster of solvent of the ink but to give the ink at the end of the annealing some desired properties of the element to be formed from the ink.
[0065] L’étape de formation de la couche en matériau piézoélectrique 43 estnotamment telle que la couche en matériau piézoélectrique 43 peut être réaliséepar impression (par exemple par sérigraphie), sur la première électrode 41 del’élément piézoélectrique 4, d’une encre comprenant ledit matériau piézoélectrique.Pour cela, on dit que le matériau piézoélectrique est dispersé et dissous dansl’encre. Alternativement, le matériau piézoélectrique choisi pour former la coucheen matériau piézoélectrique 43 peut être déposé sous vide, par exemple par PVDou CVD. Lorsque la couche en matériau piézoélectrique est réalisée parimpression, l’encre imprimée est séchée puis recuite. Le recuit peut avoir lieu dansune étuve à une température comprise entre la température ambiante (25°C) et200°C selon la nature du substrat 11 et du matériau utilisé pour former la coucheen matériau piézoélectrique 43. Le recuit est notamment mis en œuvre à unetempérature permettant au matériau piézoélectrique de se cristalliser sous uneforme lui donnant ses propriétés. Le séchage peut être réalisé ici dans une chambresous vide à température ambiante, ou sur une plaque chauffante, ou en étuve àtempérature inférieure à 60°C.The step of forming the layer of piezoelectric material 43 is particularly such that the piezoelectric material layer 43 can be made by printing (for example by screen printing), on the first electrode 41 of the piezoelectric element 4, an ink The piezoelectric material is said to be dispersed and dissolved in the ink. Alternatively, the piezoelectric material chosen to form the piezoelectric material layer 43 may be deposited under vacuum, for example by PVDou CVD. When the layer of piezoelectric material is produced by printing, the printed ink is dried and then annealed. The annealing can take place in an oven at a temperature between room temperature (25 ° C) and200 ° C depending on the nature of the substrate 11 and the material used to form the piezoelectric material layer 43. The annealing is particularly carried out at a temperature allowing the piezoelectric material to crystallize in a form giving it its properties. The drying can be carried out here in an empty chamber at room temperature, or on a hot plate, or in an oven at a temperature below 60 ° C.
[0066] L’étape de formation de la deuxième électrode 42 de l’élémentpiézoélectrique 4 est notamment telle que ladite deuxième électrode 42 peut êtreréalisée de la même manière que la première électrode 41 de l’élémentpiézoélectrique 4 à la différence que son impression ou son dépôt se fait sur lacouche en matériau piézoélectrique 43.The step of forming the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 is in particular such that said second electrode 42 may be made in the same manner as the first electrode 41 of the piezoelectric element 4, with the difference that its printing or deposit is made on the layer of piezoelectric material 43.
[0067] Il résulte de ce qui est représenté en figures 6, 8, 10 et 11 que l’étape deformation de l’élément piézorésistif 3 peut comporter les étapes suivantes : uneétape de formation des première et deuxième électrodes 31, 32 interdigitées de l’élément piézorésistif 3 (par exemple comme sur la figure 12) ; une étaped’association de la couche en matériau piézorésistif 33 aux première et deuxièmeélectrodes interdigitées 31, 32.It follows from what is shown in Figures 6, 8, 10 and 11 that the deformation step of the piezoresistive element 3 may comprise the following steps: a step of forming the first and second electrodes 31, 32 interdigitated piezoresistive element 3 (for example as in FIG. 12); a step of associating the layer of piezoresistive material 33 with the first and second interdigitated electrodes 31, 32.
[0068] L’étape de formation des première et deuxième électrodes interdigitées 31,32 peut comporter un dépôt par impression (par exemple par sérigraphie) d’uneencre (telle que décrite dans le cadre de l’élément piézorésistif) selon un motifadapté aux formes souhaitées des première et deuxième électrodes interdigitées31, 32. Alternativement les première et deuxième électrodes interdigitées 31, 32peuvent être obtenues à d’un dépôt de matériau adapté, notamment par techniquePVD ou CVD. En particulier, les première et deuxième électrodes 31, 32 del’élément piézorésistif 3 peuvent être formées simultanément à la deuxièmeélectrode 42 de l’élément piézoélectrique 4 de telle sorte que la deuxième électrode42 de l’élément piézoélectrique 4 soit reliée électriquement à l’une 32 des premièreet deuxième électrodes 31, 32 de l’élément piézorésistif 3, ou, le cas échéant quela deuxième électrode 42 de l’élément piézoélectrique 4 soit commune à l’une despremière et deuxième électrodes 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 (figure 10).Lorsqu’elles sont réalisées par impression, les première et deuxième électrodes31, 32 de l’élément piézorésistif 3 sont séchées, puis recuites par exemple dansune étuve à la manière telle que décrite précédemment dans le cadre de laformation de la première électrode 41 de l’élément piézoélectrique 4.The step of forming the first and second interdigitated electrodes 31, 32 may comprise a deposit by printing (for example by screen printing) of an ink (as described in the context of the piezoresistive element) in a pattern adapted to the shapes The first and second interdigitated electrodes 31, 32 may alternatively be obtained from a deposition of suitable material, in particular by PVD or CVD technique. In particular, the first and second electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 may be formed simultaneously with the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 so that the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 is electrically connected to one 32 of the first and second electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3, or, if appropriate, that the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 is common to one of the first and second electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 ( 10). When they are produced by printing, the first and second electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 are dried, then annealed for example in an oven in the manner as described above in the context of the formation of the first electrode 41 of the piezoelectric element 4.
[0069] L’étape d’association de la couche en matériau piézorésistif 33 auxpremière et deuxième électrodes interdigitées 31, 32 peut comporter une étapeformation de l’élément d’entretoisement 34 autour des première et deuxièmeélectrodes interdigitées 31, 32. L’étape de formation de l’élément d’entretoisement34 peut être réalisée par impression d’un matériau adaptée comme une résine ouune colle, ou par laminage d’un film adhésif. L’étape d’association peut ensuitecomporter une étape de montage de la couche en matériau piézorésistif 33 àl’élément d’entretoisement 34 après sa formation. La couche en matériaupiézorésistif 33, peut être formée sur le support 35, par exemple par impression.Ce support 35 peut être du même type que le substrat 11 décrit précédemment, etest collé sur l’élément d’entretoisement 34.The step of combining the piezoresistive material layer 33 with the first and second interdigitated electrodes 31, 32 may comprise a step of forming the spacer element 34 around the first and second interdigitated electrodes 31, 32. formation of the spacer element can be achieved by printing a suitable material such as a resin or glue, or by laminating an adhesive film. The association step may then include a step of mounting the layer of piezoresistive material 33 to the spacer element 34 after its formation. The layer of piezoresistive material 33 may be formed on the support 35, for example by printing. This support 35 may be of the same type as the substrate 11 described above, and is bonded to the spacer element 34.
[0070] Par exemple, pour mettre en œuvre le premier ou le deuxième mode deréalisation du capteur de contrainte 2, l’étape de formation des première etdeuxième électrodes interdigitées 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 peut être telle que ces première et deuxième électrodes interdigitées 31, 32 sont formées sur lesubstrat 11, et que cette étape de formation des première et deuxième électrodesinterdigitées 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 est réalisée de manière simultanéeà l’étape de formation de la première électrode 41 de l’élément piézoélectrique 4,ou à l’étape de formation de la deuxième électrode 42 de l’élément piézoélectrique4. L’avantage de la formation simultanée est d’améliorer la cadence de fabricationpar exemple en diminuant le temps de fabrication grâce à l’utilisation de moins deniveaux à imprimer, ou en diminuant le nombre de masques de sérigraphie àutiliser.For example, to implement the first or second embodiment of the stress sensor 2, the step of forming the first and second interdigital electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 may be such that these first and second interdigitated electrodes 31, 32 are formed on the substrate 11, and that this step of forming the first and second interdigitated electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 is performed simultaneously with the step of forming the first electrode 41 of the element piezoelectric 4, or at the step of forming the second electrode 42 of the piezoelectric element4. The advantage of simultaneous training is to improve the production rate, for example by reducing the manufacturing time by using fewer levels to print, or by reducing the number of screen printing masks to be used.
[0071] Par exemple, pour mettre en œuvre le troisième mode de réalisation ducapteur de contrainte 2 (figures 10 et 11), l’étape de formation de la premièreélectrode 41 de l’élément piézoélectrique est telle que ladite première électrode 41est formée sur le substrat 11. Par ailleurs, les première et deuxième électrodesinterdigitées 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 peuvent être formées sur l’élémenten matériau diélectrique 12 servant de séparation (figure 11 ) formé sur la deuxièmeélectrode 42 de l’élément piézoélectrique avant de mettre en œuvre l’étape deformation de l’élément piézorésistif sur cet élément en matériau diélectrique 12.Alternativement (figure 10), toujours selon le troisième mode de réalisation, l’étapede formation des première et deuxième électrodes interdigitées 31, 32 de l’élémentpiézorésistif 3 peut être réalisée simultanément à l’étape de formation de ladeuxième électrode 42 de l’élément piézoélectrique 4 d’où il résulte que ladeuxième électrode 42 de l’élément piézoélectrique 4 et l’une des première etdeuxième électrodes interdigitées 31, 32 de l’élément piézorésistif 3 forment uneunique électrode commune à l’élément piézoélectrique 4 et à l’élément piézorésistif3, ceci permet de limiter la quantité de matériau utilisé.For example, to implement the third embodiment of the strain sensor 2 (FIGS. 10 and 11), the step of forming the first electrode 41 of the piezoelectric element is such that said first electrode 41 is formed on the In addition, the first and second interdigitated electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 can be formed on the dielectric material element 12 serving as separation (FIG. 11) formed on the second electrode 42 of the piezoelectric element before putting the step of forming the piezoresistive element on this element made of dielectric material 12.Alternatively (FIG. 10), again according to the third embodiment, the step of forming the first and second interdigital electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 can be performed simultaneously with the step of forming the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 from which it follows that the second electrode 42 of the piezoelectric element 4 and one of the first and second interdigital electrodes 31, 32 of the piezoresistive element 3 form a common electrode common to the piezoelectric element 4 and the piezoresistive element 3, this limits the amount of material used.
[0072] En particulier, le procédé de fabrication du capteur de contrainte peut êtreune étape d’un procédé de fabrication du dispositif tel que décrit.In particular, the method of manufacturing the stress sensor may be a step of a manufacturing method of the device as described.
[0073] Le dispositif 1 peut comporter un ou plusieurs capteurs de contrainte 2 telsque décrits. Sur la figure 13, le dispositif 1 adopte au moins en partie la forme d’unesemelle pour chaussure intégrant le, ou le cas échéant les, capteurs de contrainte2. Ceci présente l’avantage de pouvoir mesurer des contraintes, notamment leurspics, liées à la marche d’un individu lorsqu’il porte une chaussure équipée dudispositif.The device 1 may comprise one or more stress sensors 2 as described. In FIG. 13, the device 1 adopts, at least in part, the shape of a shoe insole incorporating the or, where appropriate, the stress sensors 2. This has the advantage of being able to measure stresses, particularly peaks, related to the walk of an individual when wearing a shoe equipped with the device.
[0074] En particulier, comme illustré sur la figure 13 le dispositif 1 comporte unepluralité de capteurs de contrainte 2, tout ce qui a été décrit en relation avec uncapteur de contrainte 2 peut s’appliquer à chaque capteur de contrainte 2 dudispositif 1. Sur l’exemple de la figure 13, onze capteurs de contrainte 2 sontrépartis sur le substrat 11 adoptant la forme d’une semelle de chaussure. Ainsi,lorsque le dispositif 1 comporte une pluralité de capteurs de contrainte 2, chaquecapteur de contrainte 2 comporte un élément piézorésistif 3 et un élémentpiézoélectrique 4 apte à générer un signal électrique lorsqu’une contrainte estappliquée audit capteur de contrainte 2 (sur la figure 13, les élémentspiézoélectriques 4 et les éléments piézorésistifs 3 des capteurs de contrainte 2sont, à titre d’exemple, représentés empilés à la manière de la figure 9). En figure13, le dispositif 1 comporte une pluralité de détecteurs 5 schématisés en ligne dansle cadre correspondant au module électronique 6. Chaque capteur de contrainte 2est associé à un des détecteurs 5, c’est-à-dire qu’il est relié à un des détecteurs 5.Notamment, chaque détecteur 5 et chaque élément piézorésistif 3 est relié ausystème électronique 10. Par ailleurs, pour chaque capteur de contrainte 2 : • le détecteur 5 associé audit capteur de contrainte 2 est configuré pourdétecter un pic de la contrainte appliquée audit capteur de contrainte 2 partraitement du signal électrique de l’élément piézoélectrique 4 dudit capteurde contrainte 2, • le dispositif est configuré pour déclencher, lorsque ledit pic de contrainte estdétecté par ledit détecteur 5, une mesure de la grandeur électriquereprésentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3 duditcapteur de contrainte, • le dispositif 1 est configuré pour déterminer une valeur de la contrainteappliquée audit capteur de contrainte 2 en utilisant la grandeur électriquemesurée.In particular, as illustrated in FIG. 13, the device 1 comprises a plurality of stress sensors 2, all that has been described in relation to a strain sensor 2 can be applied to each stress sensor 2 of the device 1. the example of Figure 13, eleven strain sensors 2 are distributed on the substrate 11 adopting the shape of a shoe sole. Thus, when the device 1 comprises a plurality of stress sensors 2, each stress sensor 2 comprises a piezoresistive element 3 and a piezoelectric element 4 capable of generating an electrical signal when a stress is applied to said strain sensor 2 (in FIG. the piezoelectric elements 4 and the piezoresistive elements 3 of the stress sensors 2 are, by way of example, represented stacked in the manner of FIG. 9). In FIG. 13, the device 1 comprises a plurality of detectors 5 schematized in line in the frame corresponding to the electronic module 6. Each stress sensor 2 is associated with one of the detectors 5, that is to say that it is connected to one of the detectors 5. In particular, each detector 5 and each piezoresistive element 3 is connected to the electronic system 10. Moreover, for each stress sensor 2: the detector 5 associated with said stress sensor 2 is configured to detect a peak of the stress applied to said sensor stress 2 byprocessing the electrical signal of the piezoelectric element 4 of said stress sensor 2, • the device is configured to trigger, when said stress peak is detected by said detector 5, a measurement of the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 of said strain sensor, the device 1 is configured to terminating a value of the constraintapplied to said strain sensor 2 using the electrimetric magnitude.
Ici, on comprend que le dispositif présente l’avantage de permettre la détection depics de contraintes appliquées en plusieurs endroits distincts du dispositif 1, cescontraintes étant alors préférentiellement associées à un même évènement commepar exemple un appui d’un pied sur les capteurs de contrainte 2. Par exemple, dansune application d’une semelle sportive (figure 13), le dispositif 1 peut comporter lesubstrat 11 adoptant la forme d’une semelle de chaussure, ledit substrat 11 présentant une face où sont agencés les capteurs de contrainte 2 de la pluralité decapteurs, cette face étant destinée à être orientée vers la plante du pied.Here, it is understood that the device has the advantage of allowing the detection of stress currents applied in several distinct locations of the device 1, these constraints then being preferentially associated with the same event as for example a support of a foot on the stress sensors 2 For example, in an application of a sports sole (FIG. 13), the device 1 can comprise the substrate 11 adopting the shape of a shoe sole, said substrate 11 having a face on which the strain sensors 2 of the plurality are arranged. detectors, this face being intended to be oriented towards the sole of the foot.
[0075] Comme illustré en figures 2 et 13, le dispositif 1 peut comporter un modulede détermination 13 de la valeur de la contrainte (notamment de la valeur de pic dela contrainte appliquée), par exemple intégré au système électronique 10, utilisantla grandeur électrique mesurée à partir de l’élément piézorésistif 3 du capteur decontrainte 2. Ceci peut être mis en œuvre de manière connue en soi par l’hommedu métier, par exemple par lecture d’une table de correspondance du module detraitement 13 associant des valeurs de contraintes à des grandeurs électriquesreprésentatives de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3.As illustrated in FIGS. 2 and 13, the device 1 may comprise a modulus of determination 13 of the value of the stress (in particular of the peak value of the applied stress), for example integrated in the electronic system 10, using the measured electrical quantity. from the piezoresistive element 3 of the strain sensor 2. This can be implemented in a manner known per se by the skilled person, for example by reading a correspondence table of the processing module 13 associating stress values with electrical quantities representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3.
[0076] L’ invention est aussi relative à un procédé de détermination de contrainte(notamment d’au moins une valeur de contrainte appliquée à un capteur decontrainte 2 du dispositif 1) à partir du, c’est-à-dire en utilisant le, dispositif 1comportant ledit au moins un capteur de contrainte 2 comportant l’élémentpiézorésistif 3 et l’élément piézoélectrique 4, notamment le dispositif peut être telque celui décrit précédemment. Notamment, les avantages liés à ce procédé dedétermination de contrainte découlent de ceux décrits ci-dessus dans le cadre dudispositif 1. Le procédé de détermination de contrainte comporte (figure 14) : • une étape E1 d’application de la contrainte au capteur de contrainte 2, • une étape de traitement E2 du signal électrique généré par l’élémentpiézoélectrique 4 en réponse à la contrainte appliquée au capteur decontrainte 2 pour détecter le pic de la contrainte appliquée au capteur decontrainte 2, • une étape de mesure E3 de la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3, l’étape de mesure E3 de lagrandeur électrique représentative de la résistance électrique de l’élémentpiézorésistif 3 étant déclenchée lorsque le pic de la contrainte appliquée estdétecté, • une étape de détermination E4 de la valeur de la contrainte appliquée auditcapteur de contrainte 2 en utilisant la grandeur électrique mesuréereprésentative de la résistance électrique de l’élément piézorésistif 3.The invention also relates to a method of determining stress (in particular of at least one stress value applied to a pressure sensor 2 of the device 1) from the, that is to say by using the , Device 1comportant said at least one stress sensor 2 comprising thepiezoresistive element 3 and the piezoelectric element 4, in particular the device may be as previously described. In particular, the advantages associated with this method of determining strain derive from those described above in the context of device 1. The method of determining stress comprises (FIG. 14): a step E1 of applying the stress to the stress sensor 2, a processing step E2 of the electrical signal generated by the piezoelectric element 4 in response to the stress applied to the load sensor 2 to detect the peak of the stress applied to the load sensor 2, a measuring step E3 of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3, the measurement step E3 of the electrical amplifier representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 being triggered when the peak of the applied stress is detected, • a step of determining E4 of the value the stress applied to the strain sensor 2 using the a measured electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3.
Ainsi, c’est la détection du pic de contrainte qui provoque le déclenchement del’étape de mesure E3. L’enchaînement de ces différentes étapes présente l’avantage de déclencher la mesure de la grandeur électrique représentative de larésistance électrique de l’élément piézorésistif 3 au moment opportun, cecipermettant le cas échéant de limiter la consommation globale liée aufonctionnement de l’élément piézorésistif 3 et/ou de réaliser la mesure de lagrandeur électrique représentative de la résistance électrique de l’élémentpiézorésistif 3 au moment où la contrainte appliquée au capteur de contrainte 2présente un pic que l’on cherche à déterminer à partir de ladite grandeur électriquemesurée. Ainsi, la mesure de la grandeur électrique représentative de la résistanceélectrique de l’élément piézorésistif 3 est telle que la grandeur électrique mesuréeest représentative de la valeur du pic de la contrainte appliquée. En particulier,l’étape de traitement E2 peut être mise en œuvre par le détecteur 5, l’étape demesure E3 peut être déclenchée par le système électronique 10, et l’étape dedétermination E4 peut être mise en œuvre par le système électronique 10. L’étapede détermination E4 de la valeur de la contrainte appliquée, notamment la valeurdu pic de la contrainte appliquée, audit capteur de contrainte 2 à partir de lagrandeur électrique mesurée est connue en soi de l’homme du métier : du momentqu’il dispose de la grandeur électrique mesurée, il peut remonter à la valeurcorrespondante de la contrainte, comme par exemple une valeur de pressionappliquée.Thus, it is the detection of the stress peak which causes the triggering of the measurement step E3. The sequence of these different steps has the advantage of triggering the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 at the appropriate time, which makes it possible, if necessary, to limit the overall consumption related to the operation of the piezoresistive element. and / or to perform the measurement of the electrical magnitude representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 at the moment when the stress applied to the stress sensor 2presents a peak that one seeks to determine from said electrimetric magnitude. Thus, the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 is such that the measured electrical quantity is representative of the value of the peak of the applied stress. In particular, the processing step E2 can be implemented by the detector 5, the measurement step E3 can be triggered by the electronic system 10, and the determination step E4 can be implemented by the electronic system 10. The determining step E4 of the value of the applied stress, in particular the value of the peak of the applied stress, to said strain sensor 2 from the measured electrical magnifier, is known per se to those skilled in the art: as long as it has the measured electrical quantity, it can go back to the corresponding value of the stress, such as an applied pressure value.
[0077] En particulier, l’étape de traitement E2 du signal électrique comporte uneétape de détection E2-1 de l’extremum local du signal électrique correspondant aupic de la contrainte appliquée. Ledit extremum local du signal électrique est générépar l’élément piézoélectrique 4 au moment où le capteur de contrainte 2 est soumisau pic de la contrainte appliquée audit capteur de contrainte 2. Ainsi, il résulte dela détection de cet extremum local du signal électrique, une détection précise dupic de la contrainte appliquée.In particular, the processing step E2 of the electrical signal comprises a detection step E2-1 of the local extremum of the electrical signal corresponding to thepick of the applied stress. Said local extremum of the electrical signal is generated by the piezoelectric element 4 at the moment when the stress sensor 2 is subjected to the peak of the stress applied to said strain sensor 2. Thus, it results from the detection of this local extremum of the electrical signal, a detection precise dupic of the applied constraint.
[0078] Selon une mise en œuvre particulière, l’étape de détection E2-1 del’extremum local du signal électrique comporte une étape de détermination E2-1-1de la dérivée du signal électrique, et une étape de détection E2-1-2 d’un passagepar zéro de la dérivée du signal électrique, c’est-à-dire de la dérivée déterminée,d’où il résulte que ledit extremum local du signal électrique est détecté. L’étape dedétection E2-1-2 du passage par zéro consiste à détecter la présence d’un pointdu signal électrique pour lequel la dérivée déterminée du signal électrique en cepoint est nulle. L’étape de détermination E2-1-1 de la dérivée peut être mise en œuvre par le dérivateur 8, et l’étape de détection E2-1-2 du passage à zéro peutêtre mis en œuvre par le comparateur 9.According to a particular implementation, the detection step E2-1 of the local end of the electrical signal comprises a step E2-1-1determination of the derivative of the electrical signal, and a detection step E2-1- 2a zero passage of the derivative of the electrical signal, that is to say the determined derivative, whereby it results that said local extremum of the electrical signal is detected. The detection step E2-1-2 of the zero crossing consists in detecting the presence of a point of the electrical signal for which the determined derivative of the electrical signal at this point is zero. The determination step E2-1-1 of the derivative can be implemented by the differentiator 8, and the detection step E2-1-2 of the zero crossing can be implemented by the comparator 9.
[0079] L’étape de détection E2-1-2 du passage par zéro de la dérivée du signalélectrique, c’est-à-dire de la dérivée déterminée, peut être mise en œuvre par lecomparateur 9 du dispositif 1 fournissant en sortie le signal logique alternant entredeux niveaux, le pic de la contrainte appliquée étant détecté lorsque le signallogique en sortie du comparateur 9 passe à l’un des niveaux du signal logiqueassimilé à un état détecté de l’extremum local du signal électrique. Ici, lecomparateur 9 du dispositif 1 permet de comparer la dérivée du signal électrique àune valeur de référence nulle (égale à zéro). Notamment, l’étape de traitement E2comporte une étape de changement du niveau du signal logique du comparateur 9à chaque fois que la dérivée devient nulle.The detection step E2-1-2 of the zero crossing of the derivative of the electrical signal, that is to say of the determined derivative, can be implemented by the co-processor 9 of the device 1 supplying the output alternating logic signal between two levels, the peak of the applied stress being detected when the signal at the output of the comparator 9 goes to one of the levels of the logic signalassimilated to a detected state of the local extremum of the electrical signal. Here, the comparator 9 of the device 1 makes it possible to compare the derivative of the electrical signal with a zero reference value (equal to zero). In particular, the processing step E2comporte a step of changing the level of the logic signal of the comparator 9 each time the derivative becomes zero.
[0080] Selon une réalisation du procédé de détermination de contrainte, l’élémentpiézorésistif 3 peut être utilisé pour déterminer, de préférence à intervallesréguliers, des grandeurs physiques représentatives chacune d’une résistanceélectrique correspondante de l’élément piézorésistif 3 à partir desquelles il estpossible de connaître des valeurs d’éventuelles contraintes appliquées au capteurde contrainte 2 à des instants différents. En ce sens, le procédé de déterminationde contrainte peut comporter une étape de détermination E5, selon une fréquenced’acquisition, d’une pluralité de grandeurs physiques chacune représentative d’unerésistance électrique de l’élément piézorésistif 3. Cette fréquence d’acquisitionutilisée au cours de l’étape de détermination E5 est, de préférence, comprise entre10Hz et 20Hz pour limiter la consommation électrique nécessaire pour déterminerces grandeurs physiques. La détection du pic de la contrainte appliquée provoquel’augmentation de la fréquence d’acquisition pour déclencher l’étape de mesure E3de la grandeur électrique représentative de la résistance électrique de l’élémentpiézorésistif 3. Autrement dit, la détection du pic de la contrainte appliquéeinterrompt temporairement l’étape de détermination E5 des grandeurs physiquesle temps de mesurer la grandeur électrique représentative de la résistanceélectrique de l’élément piézorésistif 3 alors représentative de la valeur du pic de lacontrainte appliquée. Cette augmentation est notamment telle que la fréquenced’acquisition au cours de l’étape E2 est alors comprise entre 200Hz et 2kHz, maispeut se limiter à un, cinq voire dix points de mesure avant de revenir comprise entre10Hz et 20Hz pour continuer la mise en œuvre de l’étape de détermination E5 des grandeurs physiques. L’obtention de plusieurs points de mesure de grandeursélectriques chacun représentatif d’une résistance électrique correspondante del’élément piézorésistif 3 à des instants différents permettant de caractériser plus endétails le pic de la contrainte appliquée, par exemple pour savoir s’il s’agit d’unappui bref ou court sur le capteur de contrainte 2. Autrement dit, l’obtention deplusieurs points de mesure au niveau du moment où le pic de la contrainte estprésent permet d’obtenir des informations supplémentaires quant au pic de lacontrainte appliquée. L’étape E5 présente l’avantage de suivre l’évolution d’une ouplusieurs contraintes appliquées au capteur de contrainte 2 : il est alors possibled’obtenir des informations sur une ou des contraintes statiques ou dynamiques horsd’un ou des pics de contrainte.According to one embodiment of the stress determination method, the piezoresistive element 3 can be used to determine, preferably at regular intervals, physical quantities representative each of a corresponding electrical resistance of the piezoresistive element 3 from which it is possible to to know values of any constraints applied to the stress sensor 2 at different times. In this sense, the stress determination method may comprise a determination step E5, according to a frequency of acquisition, of a plurality of physical quantities each representative of an electrical resistance of the piezoresistive element 3. This acquisition frequency used during the determination step E5 is preferably between 10Hz and 20Hz to limit the power consumption required to determine these physical quantities. The detection of the peak of the stress applied provoquel'augmentation of the acquisition frequency to trigger the measurement step E3de the electrical quantity representative of the electrical resistance of thepiezoresistive element 3. In other words, the detection of the peak of the applied stress interrupts the determination step E5 of the physical quantities is temporarily measured to measure the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 then representative of the value of the applied stress peak. This increase is such that the acquisition frequency during the step E2 is then between 200Hz and 2kHz, but may be limited to one, five or even ten measurement points before returning between 10Hz and 20Hz to continue the implementation of the determination step E5 of the physical quantities. The obtaining of several measurement points of electrical quantities each representative of a corresponding electrical resistance of the piezoresistive element 3 at different times to characterize more endetails the peak of the applied stress, for example to know if it is about Brief or short support on the stress sensor 2. In other words, obtaining several measurement points at the moment when the stress peak is present makes it possible to obtain additional information as to the applied stress peak. The step E5 has the advantage of following the evolution of one or more constraints applied to the stress sensor 2: it is then possible to obtain information on one or more static or dynamic stresses out of one or more stress peaks.
[0081] Bien entendu, si le dispositif 1 comporte une pluralité de capteurs decontrainte 2 comportant chacun un élément piézorésistif 3 et un élémentpiézoélectrique 4 apte à générer un signal électrique lorsqu’une contrainte estappliquée audit capteur de contrainte 2, les étapes d’application d’une contrainteE1, de traitement E2, de mesure E3, et de détermination E4 d’une valeur de lacontrainte appliquée peuvent être mises en œuvre pour plusieurs, et notammentchaque, capteur de contrainte 2. Bien entendu, pour chaque capteur de contrainte,la contrainte appliquée peut être différente. Ici, chaque capteur de contrainte 2 estindépendant dans le sens où la mesure de l’élément piézorésistif 3 aura lieu lorsquele pic de la contrainte appliquée aura été détecté à partir du signal électrique del’élément piézoélectrique 4 du capteur de contrainte 2 : la consommation électriqueliée à l’utilisation de chaque capteur de contrainte 2 est alors limitéeindépendamment à celle des autres capteurs de contrainte 2. Dès lors, le procédéde détermination de contrainte peut comporter une étape de génération d’unecartographie des valeurs de contrainte subies en différentes zones du dispositif 1,chaque zone étant associée à un des capteurs de contrainte 2 qui se situe dansladite zone.Of course, if the device 1 comprises a plurality of pressure sensors 2 each comprising a piezoresistive element 3 and a piezoelectric element 4 capable of generating an electrical signal when a stress is applied to said stress sensor 2, the application steps of a constraint E1, E2 processing, E3 measurement and E4 determination of an applied stress value can be implemented for several, and especially each stress sensor 2. Of course, for each stress sensor, the constraint applied may be different. Here, each stress sensor 2 is independent in the sense that the measurement of the piezoresistive element 3 will take place when the peak of the applied stress has been detected from the electrical signal of the piezoelectric element 4 of the stress sensor 2: the electrical consumption connected the use of each stress sensor 2 is then limited independently to that of the other stress sensors 2. Therefore, the stress determination procedure may comprise a step of generating a mapping of the stress values undergone in different zones of the device 1 each zone being associated with one of the stress sensors 2 which is situated in said zone.
[0082] Par ailleurs, l’élément piézoélectrique 4, bien que judicieusement utilisépour déclencher la mesure de la grandeur électrique représentative de la résistanceélectrique de l’élément piézorésistif 3 au moment où le pic de la contrainte estappliqué au capteur de contrainte 2, peut aussi être utilisé pour mesurer desdonnées liées à la contrainte appliquée, par exemple des données d’effort encisaillement, ou pour mesurer un complément d’information quant au pic de la contrainte appliquée. C’est en ce sens que sur la figure 2, l’élément piézoélectrique4 est relié via la flèche F3 au système électronique 10 qui peut, via un ADC,mesurer une valeur, par exemple de tension, de l’élément piézoélectrique 4 lorsquele pic de la contrainte appliquée au capteur de contrainte 2 est détecté.Furthermore, the piezoelectric element 4, although judiciously used to trigger the measurement of the electrical quantity representative of the electrical resistance of the piezoresistive element 3 at the moment when the peak of the stress is applied to the stress sensor 2, may also be used to measure data related to the applied stress, for example shear stress data, or to measure additional information about the peak stress applied. It is in this sense that in FIG. 2, the piezoelectric element 4 is connected via the arrow F3 to the electronic system 10 which can, via an ADC, measure a value, for example of voltage, of the piezoelectric element 4 when the peak the stress applied to the stress sensor 2 is detected.
[0083] Selon une variante (non représentée), le capteur de contrainte peut aussicomporter plusieurs éléments piézorésistifs, et lorsque le pic de la contrainte estdétecté à partir de l’utilisation de l’élément piézoélectrique du capteur de contrainte,cela déclenche, pour chaque élément piézorésistif du capteur de contrainte, unemesure d’une grandeur électrique représentative d’une résistance électrique. Ceciprésente l’avantage d’avoir localement au capteur de contrainte plusieursinformations caractérisant la contrainte.According to a variant (not shown), the stress sensor can also have several piezoresistive elements, and when the peak of the stress is detected from the use of the piezoelectric element of the stress sensor, this triggers, for each piezoresistive element of the stress sensor, a measurement of an electrical quantity representative of an electrical resistance. Thispresents the advantage of locally having the constraint sensor severalinformation characterizing the stress.
[0084] Les applications industrielles de la présente invention sont nombreuses. Ledispositif, et donc le procédé de détermination de contrainte, peuvent être utilisésdans tout type d’application pour laquelle on souhaite disposer d’une valeurmaximale d’une contrainte exercée tout en limitant la consommation électriquepermettant d’obtenir cette valeur maximale. Une application décrite concerne celuidu sport dans le sens où le dispositif peut comporter une semelle permettant deconnaître les pressions exercées par le pied d’un coureur par exemple pouranticiper ses blessures. Dans le domaine médical, la présente invention peut aussis’appliquer pour détecter les zones de pression du corps d’un patient diabétique.L’invention peut aussi s’appliquer aux écrans tactiles, aux pneus pour véhicule, àla robotique, aux membres artificiels, aux gants, à des chaussures de sécurité, ouencore aux ailes d’avions dont on cherche à connaître les contraintes endéformation subies au cours du vol de l’avion.The industrial applications of the present invention are numerous. The device, and thus the stress determination method, can be used in any type of application for which it is desired to have a maximum value of a stress exerted while limiting the power consumption making it possible to obtain this maximum value. One application described relates to sport in the sense that the device may comprise a soleplate to recognize the pressures exerted by the foot of a runner for example to anticipate his injuries. In the medical field, the present invention can also be applied to detect the pressure zones of the body of a diabetic patient. The invention can also be applied to touch screens, vehicle tires, robotics, artificial limbs, gloves, safety shoes, or even the wings of airplanes which we seek to know the stresses inforeformation suffered during the flight of the aircraft.
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