WO2015082844A1 - Systeme de determination de la forme au moins partielle d'un objet tridimentionnel et procede correspondant - Google Patents

Systeme de determination de la forme au moins partielle d'un objet tridimentionnel et procede correspondant Download PDF

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WO2015082844A1
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layer
pressure
shape
electrodes
grid
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PCT/FR2014/053153
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Olivier Brel
Genevieve BREL
Yannick KERVRAN
Tayeb Mohammed-Brahim
Samuel CRAN
Olivier LE MONIES DE SAGAZAN
Original Assignee
Odaxos
Universite De Rennes 1
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    • A61C9/008—Mechanical means or methods, e.g. a contact probe moving over the teeth

Definitions

  • complex shape is meant here the shape of an object having an outer surface having many accidents or singular points (inflection points, hollows, bumps, ).
  • the collected data can thus be processed by calculation means such as a computer.
  • Impression devices are known, for example by molding. These devices do not make it possible to obtain numerical modeling, in particular in terms of resistance to the constraints of surface data relating to the object.
  • Electronic recognition devices based on particular material resistances are also known. These are manufactured using techniques which do not make it possible to obtain reliable spatial resolutions (US 4,734,034, US 4,856,993, US 5,505,072, US 5,989,700, US 2011/226069).
  • the The invention makes it possible to produce with a single planar sensor a precise three-dimensional measurement of the order of a micrometer, and this with a system requiring only a small footprint.
  • the intrinsic flexibility of the sensor and inherent because of its small thickness makes it possible to determine the partial shape of the interface of two objects without disturbing the measurement. It will be noted that the layers and / or slices which are in general of different thicknesses are, on the other hand, of constant or substantially constant thicknesses.
  • one or more of the following provisions are also and / or in addition:
  • the gate comprises a first layer comprising a first network of metal electrodes called generally parallel line electrodes, of said second intermediate layer, and a third layer comprising a second network of metal electrodes called column electrodes, defining so-called intersection zones with line electrodes to form said sensors;
  • the grid comprises at least 5000 sensors adjacent to each other, of square section less than or equal to 600 micro meters;
  • the intermediate layer is formed by plasma deposition of the doped silicon under an insulating layer
  • the shape of the object is dynamically displayed on a computer screen by integrating complementary data.
  • FIGS. 3A to 3D illustrate the steps of producing a pressure sensor of the detection member of FIG. 2 (in view from above, and in section A-B).
  • FIG. 5 is a schematic view of the acquisition card belonging to the connection elements of the system of FIG. 1.
  • Fig. 6 is a simplified flowchart showing the main steps of the method according to one embodiment of the invention.
  • Figs 7A and 7B are diagrammatic representations in section of an object applied at two different pressures on the detector member.
  • the system 1 comprises means 3 of calculation and graphical representation which are adapted to calculate a distribution of measured pressures and to deduce a shape.
  • the means 3 comprise a computer 4 connected by connection means 5 to a detector member 6 of a pressure field 7.
  • the detector member 6 is planar and arranged so that the object 2 can be applied to it for example by placing it on its upper plane surface 8.
  • the system 1 comprises means 9 applicators of the object 2 on the detector member 6, which are arranged in line with it.
  • These applicator means 9 exert a force F on a side or face 10 of the object, opposite to the one whose shape is desired to be determined.
  • the side 10 is arranged to be of complementary shape to the pressure face of the applicator means, so that there is a homogeneous distribution on the object of the force exerted.
  • the side 10 is for example formed by a flat surface.
  • the means consist, for example, of a jack
  • the pressure obtained is derived from the force F and is applied homogeneously by the applicator means 9 on the object. It is determined and controlled by the calculation means (mixed line 12).
  • the detector member 6 is based on a support table 13, fixed and adapted to allow the sensor member to absorb the pressure applied by the applicator means 9, partially in a measurable manner (for example 95%) or In totality.
  • the detector member 6 is in the form of a flat plate or part 14, for example of parallelepipedal shape.
  • the plate is for example 15 cm x 15 cm in size and in the example chosen here total thickness of the order of 800 pm.
  • the part 14 comprises a support sheet 15 made of plastic material, for example flexible polyethylene naphthalate (PEN), glued to a grid 16 of pressure sensors 17.
  • PEN flexible polyethylene naphthalate
  • the support sheet 15 is substantially parallelepipedal, of dimension of the order of or less than that of the plate.
  • the part 14 comprises a thin layer 18, of ceramic, for example 100 micrometers thick, bonded to the sheet or PEN 15, for example silicon nitride and of dimensions equal to those of the sheet 15.
  • the assembly thus formed comprises on the top, a first layer 19 comprising a first array of electrodes 20, 20 ', called line electrodes.
  • Each electrode is a metal wire for example of flattened rectangular section, elongate, electrical conductor for example aluminum.
  • the width of the electrodes is less than 2 mm for example 0.5 mm and the thickness is for example between 150 nm and 500 nm, for example between 200 and 400, for example 300 nm.
  • the electrode array is thus formed of a bundle of line electrodes substantially parallel to each other and spaced apart by a width of less than 2 mm, for example 0.25 mm.
  • the row electrodes are in number greater than 100, for example 120, and operate in pairs 20, 20 '.
  • Conducting elements 21 and 22 are also provided and will be detailed below.
  • an intermediate layer 23 On the first layer 19 of line electrodes is placed an intermediate layer 23.
  • the wafer 24 covers with a substantially homogeneous thickness between 30 nm and 100 nm the portions 25 associated with the line electrode array and the space 26 between them, forming an electrical bridge between said parts which will be detailed below.
  • the intermediate layer 21 thus formed is of variable resistivity as a function of the pressure and / or deformation applied thereto.
  • the column electrodes 30 are for example similar to the row electrodes but arranged so that the superposition of said row and column arrays forms a grid.
  • the two arrays are substantially orthogonal to each other, defining so-called intersection zones with the line electrodes to form the pressure sensors 17 bonded to the plate.
  • a protective layer 31 (mixed line in Figure 2), neutral (insulating) fills the voids and protect the top of the part 14 so that it has a flat face 32 arranged to cooperate with the measured object.
  • the column electrodes are of a thickness of between 400 nm and 600 nm and a number greater than 40, for example 54.
  • the number of sensors 17 being equal to the number of intersections of the grid, in the embodiment more particularly described here, it is greater than 4000 for example 6480.
  • the grid therefore comprises at least 5000 sensors adjacent to each other and, the intersection being orthogonal, the sensor section is square and less than or equal to 600 micro meters.
  • the plate is released from its impurities by cleaning in an ultrasonic bath with acetone and rinsed with ethanol or isopropanol in a manner known per se.
  • the gaseous phase of the PECVD consists of a gaseous mixture of silicon tetrahydride (SiH 4), which is silane, nitrogen (N 2) and hydrogen (H 2), and is carried out at a temperature of less than 200 °, for example 165 ° vs.
  • the desired silicon nitride layer is less than 100 nm thick, for example 50 nm thick.
  • a third deposition step, on the ceramic layer 18, of the network or layer of line electrodes 20, 20 ' is then carried out.
  • the deposition is carried out by electron beam lithography or by Joule evaporation, to create the line metal contacts on a thickness of the order of 300 nm.
  • the contacts are then etched by wet etching.
  • the sample is immersed in a hot aluminum bath (approximately 50 ° C.) with an etching agent such as phosphoric acid (H 3 PO 4) for a predetermined time.
  • an etching agent such as phosphoric acid (H 3 PO 4)
  • This determined time can be of the order of 2 to 3 minutes.
  • the metal contacts comprise, a first in-line electrode 20, a second in-line electrode 20 'parallel to the first and a first 21 and second 22 contact pads.
  • the first contact pad 21 is substantially parallelepipedal and orthogonal to the electrodes being connected to the first electrode 20 and extends in the space between the pair 20, 20 'of electrodes.
  • the second substep of the formation of this layer consists of depositing the layer of electrically insulating material.
  • This layer has a maximum thickness of 300 nm.
  • the layer is deposited of electrodes of column 30, 30 'for example 500 nm thick, made of aluminum by Joule evaporation, followed by photo-lithography for creating the second metal contacts 22 of columns, in a network orthogonal to the network of lines.
  • the network is arranged in such a way that the lines of a pair of column electrodes 30 pass in line with the first 21 and second 22 contact pads.
  • One of the column electrodes 30 of the pair overhangs in order an insulating layer 27, a piezoelectric layer 24 and the first contact pad 21.
  • the other is directly to the right of a piezoelectric layer 24 and the second contact pad 22.
  • each line electrode 20 is split by a parallel offset electrode 20 'allowing flexibility of geometry in the formation of the detector member.
  • An electrical voltage is for example applied between a line pin 20 and a column pin 30.
  • d s ; dfi and d f 2 respective thicknesses of PEN and silicon nitride layers
  • Y ⁇ and Y f are Young's Modules of the Substrate (Y s ) ie 2,5GPa, and Silicon Nitride (Y f ) layers ie 270 GPa.
  • the abscissa shows the epsilon stress in% and the ordinate the relative variation of the current.
  • the four values obtained are given by varying the width (W) for the same length (L) or reverse. This limitation makes it possible to obtain a measurement accuracy of the micrometric order.
  • Each pressure measurement comprises two resistivity measurements, the first said initial without applied pressure to be measured and the second with the pressure to be measured applied to the object.
  • step 44 exerts and maintains a pressure determined homogeneously on the side 10 of the object 2 with which it is in contact.
  • the calculation means having the internal characteristics of the detector member (in particular the thicknesses and Young's moduli of the materials) previously introduced into the computer and having the differences in resistance between the initial positions and under pressure for a given coordinate (line / column) pair, they then determine the pressure applied to the plate for each pair of coordinates (step 46).
  • the computing means comprise means arranged for dynamically displaying on a computer screen the shape of the object by integrating complementary data.
  • the shape of the object appears directly on the user's screen.

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Abstract

L'invention concerne un système (1) et un procédé de détermination de la forme au moins partielle d'un objet (2) tridimensionnel. Il comprend un organe (6) détecteur d'un champ de pressions agencé pour pouvoir y appliquer l'objet, des éléments (5) de connexion de l'organe détecteur avec des moyens (3) de calcul de la répartition des pressions mesurées pour en déduire ladite forme, lesdits moyens (3) de calcul et des moyens (9) applicateurs de l'objet sur l'organe détecteur avec une pression homogène. L'organe détecteur (6) comprend une pièce (14) munie d'une feuille (15) en matière plastique souple rendue solidaire d'une grille (16) de capteurs (17) de pression, la grille comprenant une couche intermédiaire de résistivité variable en fonction de la pression comportant une tranche en silicium microcristallin semi-conducteur d'épaisseur inférieure ou égale à 50 nano mètres.

Description

SYSTEME DE DETERMINATION DE LA FORME AU MOINS PARTIELLE D'UN OBJET TRIDIMENTIONNEL ET PROCEDE CORRESPONDANT La présente invention concerne un système de détermination de la forme au moins partielle d'un objet tridimensionnel par le biais d'un capteur externe .
Elle concerne également un procédé mettant en œuvre un tel système.
L'invention trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine de la modélisation d'objet physique de forme complexe, notamment permettant la détermination de formes à l'échelle micrométrique et par exemple applicable à la modélisation de la surface d'interface existant entre des pièces mobiles de formes complémentaires, par exemple dans le domaine dentaire.
Par forme complexe on entend ici la forme d'un objet présentant une surface externe comportant de nombreux accidents ou points singuliers (points d'inflexion, creux, bosses, ...) .
La détermination de la forme au moins partielle d'un objet tridimensionnel est quant-à-elle entendue ici comme l'obtention par la mesure, d'un ensemble de données numériques correspondant ou correspondant sensiblement au profil de l'interface du capteur et de l'objet à déterminer sur une hauteur déterminée.
Les données recueillies peuvent ainsi être traitées par des moyens de calculs tels qu'un ordinateur . On connaît des dispositifs de prises d'empreintes par exemple par moulage. Ces dispositifs ne permettent pas d'obtenir une modélisation numérique, notamment en termes de résistance aux contraintes des données de surfaces relatives à l'objet.
On connaît également des dispositifs de reconnaissance optique de forme mais ceux-ci sont peu précis aux petites dimensions. Ils sont de plus très sensibles aux conditions d'utilisations telles que la luminosité, le contraste entre l'objet et son fond et ne permettent qu'une modélisation limitée des valeurs, sans possibilité d'appréciation de forme complémentaire en contrainte l'une avec l'autre.
On connaît également des dispositifs de reconnaissance électronique basés sur des résistances de matériaux particulières. Ceux-ci sont fabriqués suivant des techniques qui ne permettent pas d'obtenir des résolutions spatiales fiables (US 4 734 034, US 4 856 993, US 5 505 072, US 5 989 700, US 2011/226069) .
L'invention se propose de résoudre notamment ces inconvénients en partant du principe de déterminer un profil en trois dimensions de l'espace à partir d'un ensemble de mesures en deux dimensions plus une dimension en pression, c'est-à-dire de mesurer des dimensions spatiales physiques (longueur, largeur, épaisseur) en mesurant des pressions à des emplacements identifiés dans l'espace.
Plus précisément, à partir d'un capteur par exemple plan, on applique l'objet sur ledit capteur a un emplacement en x, y déterminé en exerçant une pression du côté opposé (au capteur) . Il est alors possible de déterminer la troisième dimension (en z) car elle est corrélée à la pression existant au niveau (en x, y) du capteur.
En acceptant de remplacer la mesure d'une donnée statique, comme la longueur, par une donnée statistique comme la pression, qui de plus nécessite une surface de référence pour être mesurée, alors que l'on désire la mesure la plus fine possible, l'invention permet de réaliser avec un seul capteur plan une mesure tridimensionnelle précise de l'ordre du micromètre, et ce avec un système ne nécessitant qu'un encombrement faible.
Dans ce but, l'invention propose essentiellement un système de détermination de la forme au moins partielle d'un objet tridimensionnel, caractérisé en ce qu'il comprend un organe détecteur d'un champ de pressions agencé pour pouvoir y appliquer l'objet, des éléments de connexion de l'organe détecteur avec des moyens de calcul de la répartition des pressions mesurées pour en déduire ladite forme, lesdits moyens de calcul et des moyens applicateurs de l'objet sur l'organe détecteur avec une pression homogène, ledit organe détecteur comprenant une pièce munie d'une feuille en matière plastique souple rendue solidaire d'une grille de capteurs de pression, la dite grille comprenant une couche intermédiaire de résistivité variable en fonction de la pression comportant une tranche en silicium microcristallin semi-conducteur d'épaisseur inférieure ou égale à 50 nano mètres.
La souplesse intrinsèque du capteur et inhérente du fait de sa faible épaisseur permet de déterminer la forme partielle de l'interface de deux objets sans perturber la mesure. On notera que les couches et/ou tranches qui sont en général d'épaisseurs différentes entre elles sont par contre d'épaisseurs constantes ou sensiblement constantes .
Dans des modes de réalisation avantageux, on a par ailleurs et/ou de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
- la grille comporte une première couche comprenant un premier réseau d'électrodes métalliques dites électrodes de ligne, généralement parallèles, de ladite deuxième couche intermédiaire, et d'une troisième couche comportant un second réseau d'électrodes métalliques dites électrodes de colonne, définissant des zones dites d'intersection avec les électrodes de ligne pour former lesdits capteurs ;
- le métal des électrodes est de l'aluminium ;
la première couche comprend plus de cent électrodes de ligne et la troisième couche plus de cinquante électrodes de colonne ;
- la première couche est d'épaisseur comprise entre 150 nm et 500 nm ; la couche intermédiaire est d'épaisseur comprise entre 80 nm et 250 nm ; l'épaisseur de la tranche étant inférieure à 30 nm ; la troisième couche est d'épaisseur comprise entre 350 nm et 700 nm ;
la grille comprend au moins 5000 capteurs adjacents les uns des autres, de section carrée inférieure ou égale à 600 micro mètres ;
la couche intermédiaire est formée par dépôt plasma du silicium dopé sous une couche isolante ;
- les éléments de connexion comprennent une broche de connexion avec la pièce support ; les moyens de calcul comprennent des moyens agencés pour afficher dynamiquement sur un écran d'ordinateur la forme de l'objet en intégrant des données complémentaires.
L'invention propose également un procédé de mesure de la forme d'un objet tridimensionnel, caractérisé en ce qu'on applique l'objet sur un organe détecteur d'un champ de pressions connecté à des moyens de calcul, on mesure les pressions par le biais de l'organe détecteur muni d'une feuille en matière plastique souple collée à une grille de capteurs de pression comprenant au moins 5000 capteurs adjacents les uns des autres, de section carrée inférieure ou égale à 600 micro mètres, la dite grille comprenant une couche intermédiaire de résistivité variable en fonction de la pression, ladite couche intermédiaire comportant une tranche en silicium microcristallin semi-conducteur d'épaisseur inférieure ou égale à 50 nano mètres, et on calcule la forme à partir de la répartition des pressions mesurées.
Avantageusement on affiche dynamiquement sur un écran d'ordinateur la forme de l'objet en intégrant des données complémentaires.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation donné ci-après à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels :
La figure 1 est un schéma général d'un système de mesure selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici.
La figure 2 est une vue agrandie en perspective éclatée et partielle de l'organe détecteur du système de la figure 1 (les proportions entre les différents éléments ne sont pas à l'échelle) .
Les figures 3A à 3D illustrent les étapes de réalisation d'un capteur de pression de l'organe de détection de la figure 2 (en vue de dessus, et en coupe A-B) .
La figure 4 est une vue plan schématique partielle illustrant une grille de capteurs selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici.
La figure 4A montre une courbe expérimentale de mesure de la variation de l'intensité électrique en fonction de la déformation du capteur pour quatre dimensions de capteurs.
La figure 5 est une vue schématique de la carte d'acquisition appartenant aux éléments de connexion du système de la figure 1.
La figure 6 est un organigramme simplifié montrant les étapes principales du procédé selon un mode de réalisation de l'invention.
Les figues 7A et 7B sont des représentations schématiques en coupe d'un objet appliqué selon deux pressions différentes sur l'organe détecteur.
La figure 1 montre un système 1 de détermination de la forme au moins partielle d'un objet 2 tridimensionnel .
Le système 1 comprend des moyens 3 de calcul et de représentation graphique qui sont adaptés pour calculer une répartition de pressions mesurées et pour en déduire une forme.
Les moyens 3 comprennent un ordinateur 4 relié par des moyens 5 de connexion à un organe détecteur 6 d'un champ de pressions 7. L'organe détecteur 6 est plan et disposé pour que l'on puisse y appliquer l'objet 2 par exemple en le posant sur sa surface supérieure 8 plane.
Le système 1 comprend des moyens 9 applicateurs de l'objet 2 sur l'organe détecteur 6, qui sont disposés à l'aplomb de celui-ci.
Ces moyens 9 applicateurs exercent une force F sur un côté ou face 10 de l'objet, opposé à celui dont on souhaite déterminer la forme. Le côté 10 est agencé pour être de forme complémentaire à la face de pression des moyens applicateurs, de façon à ce qu'il y ait une répartition homogène sur l'objet de la force exercée. Le côté 10 est par exemple formé par une surface plane.
Les moyens sont par exemple constitués d'un vérin
(non représenté) muni d'une plaque horizontale 11 parallèle à la surface plane 8 de l'organe détecteur et agencée pour coopérer avec la surface plane du côté 10.
La pression obtenue est issue de la force F et est appliquée de façon homogène par les moyens 9 applicateurs sur l'objet. Elle est déterminée et contrôlée par les moyens de calcul (trait mixte 12) .
L'organe détecteur 6 repose quant à lui sur une table 13 d'appui, fixe et adaptée pour permettre à l'organe capteur d'absorber la pression appliquée par les moyens 9 applicateurs, partiellement de façon mesurable (par exemple 95 %) ou en totalité.
L'organe détecteur 6 se présente sous forme d'une plaque ou pièce 14 plane, par exemple de forme parallélépipédique . La plaque est par exemple de dimension 15 cm x 15 cm et dans l'exemple choisi ici d'épaisseur totale de l'ordre de 800 pm.
Plus précisément en référence à la figure 2, la pièce 14 comprend une feuille support 15 en matière plastique, par exemple en naphtalate de polyéthylène (PEN) souple, collée à une grille 16 de capteurs de pression 17.
Par souple on entend une plaque capable d'accepter des rayons de courbure inférieurs à 1,5 mm.
La feuille support 15 est sensiblement parallélépipédique, de dimension de l'ordre de, ou inférieure à celle de la plaque.
La pièce 14 comporte une couche fine 18, de céramique, par exemple d'épaisseur de 100 micromètres, collée sur la feuille ou PEN 15, par exemple en nitrure de silicium et de dimensions égales à celles de la feuille 15.
L'ensemble ainsi formé comporte sur le dessus, une première couche 19 comprenant un premier réseau d'électrodes 20, 20', dites électrodes de ligne.
Chaque électrode est un fil métallique par exemple de section rectangulaire aplatie, allongé, conducteur électrique par exemple en aluminium.
La largeur des électrodes est inférieure à 2 mm par exemple 0.5 mm et l'épaisseur est par exemple comprise entre 150 nm et 500 nm, par exemple entre 200 et 400, par exemple 300 nm.
Le réseau d'électrodes est ainsi formé d'un faisceau d'électrodes de ligne sensiblement parallèles entre elles, et espacées d'une largeur inférieure à 2 mm par exemple 0.25 mm. Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, les électrodes de lignes sont en nombre supérieur à 100 par exemple 120 et fonctionnent par paire 20, 20'.
Des éléments conducteurs 21 et 22 sont également prévus et seront détaillés ci-après.
Sur la première couche 19 d'électrodes de ligne est placée une couche intermédiaire 23.
Cette couche intermédiaire 23 comprend une couche ou tranche 24 semi-conductrice de matériau piézoélectrique. Le matériau piézoélectrique est du silicium micro-cristallin semi-conducteur (dopé par exemple à l'arsenic) .
La tranche 24 recouvre avec une épaisseur sensiblement homogène comprise entre 30 nm et 100 nm les parties 25 associées au réseau d'électrodes de ligne et l'espace 26 entre elles, en formant un pont électrique entre lesdites parties qui sera détaillé ci-après .
L'espace entre deux paires d'électrodes de ligne
20, 20 ' ne comporte quant à lui pas de couche de matériau semi-conducteur.
La couche intermédiaire 21 comprend de plus une couche 27 de matériau électriquement isolant par dessus la couche semi-conductrice 24.
Elle est de dimensions latérale et longitudinale égale à celle de la feuille plastique et d'une épaisseur maximale comprise entre 50 nm et 250 nm.
Elle recouvre entièrement la première couche 19 d'électrodes 20, 20' et la couche semi-conductrice 24 sauf à des endroits déterminés 28 qui seront détaillés en référence aux figures 3A à 3D. La couche intermédiaire 21 ainsi formée est de résistivité variable en fonction de la pression et/ou déformation qui lui est appliquée.
L'organe détecteur 6 et plus précisément la pièce 14 comprend également, au-dessus de la couche intermédiaire 23, une troisième couche 29 comportant un second réseau d'électrodes métalliques dites électrodes de colonne 30.
Les électrodes de colonne 30 sont par exemple semblables aux électrodes de lignes mais disposés de manière à ce que la superposition desdits réseaux de ligne et de colonne forme une grille.
Par exemple, les deux réseaux sont sensiblement orthogonaux entre eux définissant des zones dites d'intersection avec les électrodes de ligne pour former les capteurs 17 de pression collée à la plaque .
Avantageusement une couche de protection 31 (trait mixte sur la figure 2), neutre (isolante) vient combler les vides et protéger le dessus de la pièce 14 pour qu'elle présente une face plane 32 agencée pour coopérer avec l'objet mesuré.
Les électrodes de colonnes sont d'une épaisseur comprise entre 400 nm et 600 nm et en nombre supérieur à 40 par exemple 54.
Le nombre de capteurs 17 étant égal au nombre d'intersections de la grille, dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, celui- ci est supérieur à 4000 par exemple 6480. La grille comprend donc au moins 5000 capteurs adjacents les uns des autres et, l'intersection étant orthogonale, la section des capteurs est carré et inférieure ou égale à 600 micro mètres. Un procédé de fabrication de l'organe capteur selon un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3A à 3D.
Ce procédé comprend une première étape (figure 3A) de fourniture d'un premier substrat en polyimide sous forme de film plastique tel que ceux commercialisés par la société DuPont Teijin Films pour former la feuille support 15.
Celle-ci forme une plaque sensiblement parallélépipédique d'une section rectangulaire par exemple égale ou inférieure à 15 cm sur 15 cm et d'épaisseur inférieure à 125 pm par exemple inférieure à 50 pm (par exemple 10cm X 10 cm X 10pm) .
Avantageusement la plaque est libérée de ses impuretés par nettoyage dans un bain ultrasonique avec de l'acétone et rincé avec de l'éthanol ou de » 1 ' isopropanol de façon connue en elle-même.
Il est ensuite réalisé une deuxième étape, de dépôt de la couche de céramique 18 tel que du nitrure de silicium. Il s'agit par exemple d'un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (acronyme PECVD en anglais) . La phase gazeuse de la PECVD est constituée d'un mélange gazeux de Tétrahydrure de silicium (SiH4) dit silane, d'azote (N2) et d'hydrogène (H2) et effectué à une température inférieure à 200°, par exemple 165°C.
La couche de nitrure de silicium recherchée est d'une épaisseur inférieure à 100 nm par exemple de 50 nm.
On effectue ensuite une troisième étape de dépôt, sur la couche céramique 18, du réseau ou couche d'électrodes de lignes 20, 20'. Le dépôt est réalisé par lithographie à faisceau d'électrons ou par évaporation par effet Joule, pour créer les contacts métalliques de ligne sur une épaisseur de l'ordre de 300 nm.
Les contacts sont alors gravés par gravure humide.
Par exemple, l'échantillon est immergé dans un bain chaud d'aluminium (environs 50 0 C) avec un agent de gravure comme de l'acide phosphorique (H3P04) pendant un temps déterminé. Ce temps déterminé peut être de l'ordre de 2 à 3 minutes.
L'échantillon est alors rincé sous l'eau distillée et séché sous flux gazeux de N2.
Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, les contacts métalliques comprennent, une première électrode en ligne 20, une seconde électrode en ligne 20' parallèle à la première et un premier 21 et deuxième 22 plots de contact.
Le premier plot de contact 21 est sensiblement parallélépipédique et orthogonal aux électrodes en étant relié à la première électrode 20 et s'étend dans l'espace entre la paire 20, 20' d'électrodes.
Au niveau de la portion d'extrémité du premier plot 21 se trouve le deuxième plot 22 de forme carrée .
La couche intermédiaire 23 est formée dans une quatrième étape (figure 3B et 3C) .
Le procédé de fabrication consiste en une sous- étape de dépôt de la couche piézoélectrique 24 de semi-conducteurs .
La couche piézoélectrique 24 recouvre entièrement les plots 21, 22 des électrodes de ligne et comble l'espace entre les deux plots 21 et 22 d'électrode d'une même paire. Le dépôt s'effectue par PECVD, par exemple en déposant une épaisseur d'environs 130 nm de Nitrure de silicium microcristallins dopé en Arsenic (AsH4) .
Le procédé est à nouveau suivi d'une photo- lithographie. La gravure est faite par un procédé connu de l'homme du métier sous la dénomination de gravure ionique réactive (RIE) en utilisant l'hexafluorure de soufre plasma (SF6).
La couche intermédiaire est ainsi formée par dépôt plasma du silicium dopé sous une couche isolante.
La seconde sous-étape de la formation de cette couche consiste quant à elle à déposer la couche de matériau électriquement isolant. Cette couche est d'une épaisseur maximale de 300 nm.
Cette couche va comporter des trous 28 traversant au droit des seconds plots 22 de la première couche de réseau d'électrodes de ligne.
Le matériau isolant est par exemple de l'oxyde de silicium (Si02) . Il est déposé par exemple par pulvérisation et est suivi d'une photolithographie. La gravure est faite par gravure ionique réactive RIE en utilisant du SF6.
Dans une cinquième étape (figure 3D) on procède au dépôt de la couche, dite troisième couche, d'électrodes de colonne 30, 30' par exemple de 500 nm d'épaisseur, en aluminium par évaporation par effet Joule, suivie d'une photo-lithographie pour créer les seconds contacts 22 métalliques de colonnes, en réseau orthogonal au réseau de lignes.
Le réseau est agencé de manière à ce que les lignes d'une paire d'électrodes de colonne 30 passent au droit du premier 21 et second 22 plots de contact. L'une des électrodes de colonne 30 de la paire surplombe dans l'ordre une couche isolante 27, une couche piézoélectrique 24 et le premier plot de contact 21.
L'autre est au droit directement d'une couche piézoélectrique 24 et du second plot de contact 22.
Ici encore une technique de gravure par voie humide est par exemple utilisée comme précédemment.
Dans un mode de réalisation de l'invention l'ensemble précédemment obtenu subit un recuit thermique à faible température (par exemple inférieur à 200°C par exemple 180 0 C) pendant un temps déterminé, par exemple de 2 heures dans un four. Ceci améliore l'interface silicium microcristallin / aluminium, et augmente la conductivité d'un facteur supérieur à 1.5 voir 2.
La figure 4 présente schématiquement un agencement de capteurs 17 de pression formant une partie de 1 ' organe détecteur 6.
Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici chaque électrode de ligne 20 est dédoublée par une électrode parallèle 20' déportée permettant une flexibilité de géométrie dans la formation de l'organe détecteur.
Les deux électrodes 20, 20 'forment ainsi une paire d 'électrodes .
Chaque électrode de ligne (une par paire) et de colonne est connectée à une broche de connexion 33 connue en elle-même et montée sur la pièce support et formant un élément de connexion.
Pour une ligne ou une colonne donnée, il existe une unique broche 33 de connexion électrique. Le principe électrique de la mesure va maintenant être décrit.
Une tension électrique est par exemple appliquée entre une broche de ligne 20 et une broche de colonne 30.
L'intensité du courant est mesurée à l'une des broches et est suivant la loi d'ohm fonction de la résistance électrique sur le parcours des électrons.
Lorsqu'une pression est exercée sur un capteur de pression, la géométrie de la couche piézoélectrique est modifiée et donc ses propriétés électriques dont sa résistivité.
La mesure électrique peut être reliée à une donnée géométrique car le contact électrique ne peut se faire entre ligne et colonne qu'au travers de la couche piézoélectrique et par les trous traversant de la couche isolante.
La valeur de résistance électrique d'un tel matériau est modifiée lors d'une déformation physique en suivant l'équation : ε * FG = AR/ R0
Où AR est la variation de résistance électrique entre la résistance initiale et la résistance finale, R0 la résistance électrique initiale, FG le facteur de jauge (constante caractéristique du matériau piézoélectrique) et ε (epsilon) la déformation du matériau, qui permet de faire le lien avec une pression extérieure.
Plus précisément, considérant les caractères prépondérants des modules de young du PEN et du nitrure de silicium (respectivement 270 GPa et 6,45 GPa) par rapport aux autres couches, le modèle précédemment décrit peut se rapporter à une couche de PEN en sandwich entre deux couches de nitrure de silicium. Les couches ayant par exemple et respectivement 125pm, 550nm et 250nm d'épaisseur.
Ainsi on obtient un modèle reliant la déformation et la résistance mesurée suivant la formule :
Figure imgf000018_0001
Avec ε : déformation du matériau
ds ; dfi et df2 : épaisseurs respectives du PEN et des couches de nitrure de Silicium
Figure imgf000018_0002
Où Y§ et Yf sont les modules d 'Young du Substrat (Ys) i.e. 2,5GPa, et des couches de nitrure de Silicium (Yf) i.e. 270 GPa.
En choisissant cette limitation, les calculs d'association d'une pression à une différence de résistance mesurée sont simplifiés comme le montre le caractère linéaire du relevé expérimental de la variation de courant en fonction de la déformation présentant toujours la même pente (figure 4A) .
En abscisse figure la contrainte epsilon en % et en ordonnée la variation relative du courant. Les quatre valeurs obtenues sont données en faisant varier la largeur (W) pour la même longueur (L) ou l'inverse. Cette limitation permet d'obtenir une précision de mesure de l'ordre micrométrique.
Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, le dispositif comprend des moyens 5 d'acquisition (figure 5). Ces moyens d'acquisition comportent une carte 34 d'acquisition sur laquelle sont montés un module 35 de multiplexage/démultiplexage des informations issues des lignes 36 et des colonnes 37.
La carte comprend également des moyens 38 adaptateurs du signal électrique pour qu'il soit fournis à un convertisseur 39/40 analogie/numérique pour permettre le traitement par les moyens 3 de calcul, et un module 41 de communication de la carte avec l'ordinateur 4.
Chaque mesure de pression comporte deux mesures de résistivité, la première dite initiale sans pression appliquée à mesurer et la seconde avec la pression à mesurer appliquée sur l'objet.
A titre d'exemple la mesure de chaque capteur 17 peut s'effectuer selon le schéma suivant:
- Par interrogation (sollicitation par application d'une tension aux broches correspondantes) aléatoire de n'importe quel capteur présent et ainsi de suite jusqu'à ce que tous aient été interrogés.
- par interrogation de tous les capteurs pour une colonne ou ligne fixée, jusqu'à ce que toutes les colonnes ou lignes aient été interrogées.
Par interrogation d'une zone d'intérêt particulière.
On va maintenant décrire une prise de mesure et la détermination au moins partielle de la forme d'un objet tridimensionnel selon un mode de réalisation de l'invention en référence plus particulièrement aux figures 6, 7A et 7B.
Dans une première étape 42, l'objet dont la détermination de la forme est recherchée, est placé sur la plaque 14 de l'organe détecteur 6 horizontale en dessous des moyens 9 applicateurs .
L'opérateur enclenche, par exemple via un ordinateur 4, le début de la détermination de la forme, se qui met en mouvement le vérin pour amener la plaque 11 au contact de l'objet et exercer dessus une pression homogène.
On réalise ensuite et/ou concomitamment à la descente du vérin une première passe (étape 43) des mesures de l'ensemble des capteurs et le résultat est introduit dans une mémoire de l'ordinateur sous la forme par exemple de « Ligne 5 - colonne 27 - Initial - 28 (ΜΩ) Mégohms ».
Puis le vérin (étape 44) exerce et maintient une pression déterminée de façon homogène sur le côté 10 de l'objet 2 avec lequel il est en contact.
Les moyens 3 de calcul commandent alors (étape 45) une deuxième mesure de l'ensemble ou de certains capteurs de pression.
Les résultats des mesures sont également introduits dans la mémoire de l'ordinateur sous forme par exemple « Ligne 5 - colonne 27 - mesure 1 - 245 Ω ohms » .
Les moyens de calcul disposant des caractéristiques internes de l'organe détecteur (notamment les épaisseurs et les modules de Young des matériaux) préalablement introduites dans l'ordinateur et disposant des différences de résistance entre les positions initiales et sous pression pour une paire de coordonnée (ligne/colonne) données, ils en déterminent alors la pression appliquée à la plaque pour chaque couple de coordonnées (étape 46).
Pour chaque coordonnée de l'espace dans le plan, les moyens de calcul associent alors en 47 une valeur de différence de résistance donc de pression et établissent donc un champ d'intensité de pression, avant d'afficher en 48 les résultats sur l'écran de l'ordinateur en utilisant des moyens logiciels de présentation des données connus en eux même.
Chaque intensité de pression correspond à une intensité de déformation et pénétration de l'objet dans l'épaisseur de la plaque de détection.
Plus précisément et en référence aux figures 7A et
7B, on a représenté schématiquement les mesures permettant de déterminer le profil 49 de l'objet 2 pénétré dans la plaque 14.
Si des portions 50 du profil restent en dehors de l'épaisseur de la plaque (figure 7A) alors il peut être exercé une pression plus importante (par exemple contrôlé par les moyens 3 de calcul) de manière à faire pénétrer une plus grande partie 51 de l'objet pour en déterminer la forme complète au niveau de l'interface (Figure 7B) .
La pression exercée (flèche 52) est agencée pour rester inférieure à une limite déterminée, notamment en regard de la résistance des matériaux de l'objet et du capteur et de la limite élastique de déformation des deux.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens de calcul comprennent des moyens agencés pour afficher dynamiquement sur un écran d'ordinateur la forme de l'objet en intégrant des données complémentaires .
La forme de l'objet apparaît directement à l'écran de l'utilisateur.
Egalement, la deuxième mesure de la pression
(étape 45) peut être réitérée (test 53) , par exemple avec un taux de rafraîchissement supérieur à 100 hz de manière a avoir une détermination dynamique de la forme de l'objet.
Comme il va de soi et comme il résulte également de ce qui précède, la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes et notamment celles où les moyens applicateur de pression sont conçus de forme sensiblement complémentaire à la face supérieure de l'objet qui n'est pas plane, ou sont formés par un doigt pousseur (intégrant ou non un gradient de pression par les moyens de calcul), qui est déplacé sur l'objet en s 'adaptant en distance par rapport à la portion d'objet en vis à vis, celles où les couches de la couche intermédiaire sont inversées dans leur ordre d'empilement, celles où les électrodes ne forment pas des paires d'électrodes mais fonctionne en électrode unique, ou encore celle ou la plaque 14 est fabriquée avec un procédé différent .

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (1) de mesure comprenant un organe (6) détecteur d'un champ de pressions agencé pour pouvoir y appliquer un objet, ledit organe détecteur (6) comprenant une pièce (14) souple rendue solidaire d'une grille (16) de capteurs (17) de pression et ladite grille comprenant une couche intermédiaire de résistivité variable en fonction de la pression caractérisé en ce qu'il est appliqué à la détermination de la forme au moins partielle d'un objet (2) tridimensionnel, en ce qu'il comprend, des éléments (5) de connexion de l'organe détecteur avec des moyens (3) de calcul de la répartition des pressions mesurées pour en déduire ladite forme, lesdits moyens (3) de calcul et des moyens (9) applicateurs de l'objet sur l'organe détecteur, en ce que la pièce est munie d'une feuille (15) en matière plastique rendue solidaire de la grille et en ce que la couche intermédiaire comporte une tranche en silicium microcristallin semi-conducteur d'épaisseur inférieure ou égale à 50 nano mètres.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille comporte une première couche (19) comprenant un premier réseau d'électrodes (20) métalliques dites électrodes de ligne, généralement parallèles, de ladite deuxième couche intermédiaire, et d'une troisième couche comportant un second réseau d'électrodes (30) métalliques dites électrodes de colonne, définissant des zones dites d'intersection avec les électrodes de ligne pour former lesdits capteurs.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal des électrodes est de 1 ' aluminium.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la première couche comprend plus de cent électrodes de ligne et la troisième couche plus de cinquante électrodes de colonne.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la première couche est d'épaisseur comprise entre 150 nm et 500 nm, la couche intermédiaire est d'épaisseur comprise entre 80 nm et 250 nm, l'épaisseur de la tranche étant inférieure à 30 nm, et en ce que la troisième couche est d'épaisseur comprise entre 350 nm et 700 nm.
6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille comprend au moins 5000 capteurs adjacents les uns des autres, de section carrée inférieure ou égale à 600 micro mètres.
7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire est formée par dépôt plasma du silicium dopé sous une couche isolante.
8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de connexion comprennent une broche de connexion avec la pièce support.
9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent des moyens agencés pour afficher dynamiquement sur un écran d'ordinateur la forme de l'objet en intégrant des données complémentaires .
10. Procédé de mesure dans lequel on applique l'objet sur un organe détecteur d'un champ de pressions, on mesure les pressions par le biais de l'organe détecteur muni d'une pièce souple rendue solidaire d'une grille de capteurs de pression, la dite grille comprenant une couche intermédiaire de résistivité variable en fonction de la pression, caractérisé en ce qu'on applique le procédé à la détermination de la forme d'un objet tridimensionnel, en ce que l'organe est connecté à des moyens de calcul, en ce que la pièce est munie d'une feuille en matière plastique collée à la grille de capteur, la grille comprenant au moins 5000 capteurs adjacents les uns des autres, de section carrée inférieure ou égale à 600 micro mètres, en ce que ladite couche intermédiaire comportant une tranche en silicium microcristallin semi-conducteur d'épaisseur inférieure ou égale à 50 nano mètres, et on calcule la forme à partir de la répartition des pressions mesurées .
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on affiche dynamiquement sur un écran d'ordinateur la forme de l'objet en intégrant des données complémentaires.
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