Les Accéléromètres piézorésistifs – Mesure statique ou Dynamique Basse

Dans la série des 4 articles que nous vous proposons sur les accéléromètres, ce 3ème va traiter des accéléromètres à réponse continue et notamment des accéléromètres piézorésistifs.

2/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE CONTINUE (DC)

Pour la mesure de phénomènes statique ou dynamique basse fréquence et chocs

Les accéléromètres piézorésistifs

PIÉZORÉSISTIVITÉ
Lorsque qu’une force est appliquée sur un corps élastique, sa longueur augmente et sa section diminue. Ces deux dimensions, en variant, modifient sa résistance électrique.

Le rapport entre la contrainte suivant l’axe transversale et la contrainte suivant l’axe longitudinal est défini par le coefficient de Poisson dont une valeur typique pour la plupart des matériaux est 0,3.

Lorsque les variations de dimensions d’un élément sont seules considérées, le facteur de jauge devient 1,6 (1+2 x coefficient de Poisson).

La plupart des matériaux, tels que ceux utilisés pour les jauges de contrainte à fils ont un facteur de jauge légèrement supérieur à 1,6.

Ce qui signifie qu’il y a une petite variation de la résistivité du matériau sous contrainte mais pas suffisamment importante.

Par contre, pour d’autres matériaux, la variation de la résistivité est importante avec la contrainte, c’est ce que l’on appelle l’effet Piézorésistif.

Les matériaux ayant une grande variation de résistivité sous contrainte sont appelés matériaux Piézorésistif.

JAUGES SILICIUM
Le silicium est un matériau dont les facteurs de jauge se situent entre +100 et+175 pour le type P et -100 et -140 pour le type N. La variation de résistivité est une fonction du matériau, de la résistivité, du niveau de dopage et du type de dopant avec la direction cristallographique suivant laquelle le matériau sera usiné.

Les propriétés piézorésistives d’un matériau semi-conducteur au silicium sont caractérisées par la résistivité, elle-même déterminée par la concentration du dopant.

Voici les caractéristiques dues à la résistivité

  1. Facteur de jauge K
  2. Coefficient de température de la résistance
  3. Coefficient de température du facteur de jauge

Le facteur de jauge K est d’abord déterminé par le niveau de dopage mais dépend également de la température.

La figure 1 montre les effets du niveau de dopage sur le facteur de jauge ainsi que ceux de la température. Le facteur de jauge et le coefficient de température sont inversement proportion- au niveau de dopage. La plupart des jauges de contrainte silicium ont des niveaux de dopage tels que les facteurs de jauges se situent entre +100 et +140 et à ces niveaux le coefficient de température du facteur de jauge est acceptable.

Accéléromètres piézorésistifs-InfluenceDopage&Température-Facteur de charge

La figure 2 montre que les facteurs de jauges les plus importants sont obtenus par des niveaux de dopage minimum, ainsi les facteurs de jauge importants ont pour conséquence une résistance de jauge plus importante. Les résistances de jauges les plus élevées permettent une tension d’alimentation plus importante, donc, les faibles niveaux de dopage offrent la meilleure sensibilité. Malheureusement, les coefficients de température de la résistivité et du facteur de jauge sont tous deux plus favorables à de hauts niveaux de dopage. De plus, la sensibilité élevée provenant d’un faible niveau de dopage fait que pour les applications d’accéléromètre, le dopage faible est le meilleur choix.

La caractéristique dynamique de la mesure rend prioritaires la sensibilité et la bande passante.

Jauges plates et jauges sculptées, les plus couramment utilisées.

JAUGES PLATES
Deux larges pattes de fixation sont réunies par un élément central étroit (partie active).

Avec cette configuration les contraintes sont concentrées dans un élément micro miniature à la surface polie sans source potentielle de contrainte parasite.

Grâce aux larges surfaces de contact aux extrémités, les contraintes induites par la fixation seront maintenues à une faible fraction de la contrainte utile au niveau de l’étranglement.

accéléromètres piézorésistifs-Jauge semiconductrice plate

Les raccordements électriques se font par l’intermédiaire de fils fixés sur les surfaces de contact. La plupart de ces modèles utilisent les propriétés résistives du silicium à l’état brut.

Ces jauges sont produites à partir d’un cristal unique de silicium à haut niveau de pureté, les propriétés électriques sont définies par l’addition d’impuretés appropriées.

Le silicium est dopé par diffusion (bore, phosphore).

Les jauges sont fabriquées à partir de tranches de matériau coupées d’un lingot et pour obtenir l’effet Piézorésistif recherché, le cristal devra être aligné et coupé suivant des directions cristallographiques prédéterminées.

Les versions actuellement commercialisées sont plus complexes. Elles utilisent de plus en plus le principe de la jauge sur « entaille » par développement de la gravure chimique.

Cette technique moderne de gravure anisotropique permet la sculpture d’un substrat de silicium cristallin.

Exemples de constructions internes-Faible accélération et choc_2

Exemples de constructions internes, faible accélération et choc

JAUGES SCULPTÉES
La figure ci-dessous montre un élément monolithique sculpté pour un accéléromètre de mesure de choc très élevé. Le « chip » de silicium de 1mm² comprend l’assemblage complet : ressort, masse, pont complet de jauges semi-conductrices. Les éléments d’équilibrage du pont sont logés dans le boîtier principal de l’accéléromètre.

Jauges sculptées pour accéléromètres piézorésistifs

Les jauges de contrainte sont formées par dopage d’un élément silicium plat. Ensuite sont gravées les entailles libérant des jauges et les masses sismiques sont simultanément définies comme les parties de silicium non gravées.

La structure monolithique et la taille extrêmement réduite assurent un rapport force/poids très élevé, les jauges étant libres, ce qui optimise la linéarité et la sensibilité. La résonance à plusieurs mégahertz de la structure et la gamme linéaire de plus de 100 000g dépasse les performances des capteurs antérieurs.

Comme la masse, les jauges et le substrat sont une seule pièce de silicium monocristallin sans joint de colle, ces capteurs sont particulièrement stables.

Les accéléromètres Piézorésistifs sont de plus en plus utilisés pour la mesure de choc sur des structures à grande déformation, ce qui nécessite une très bonne réponse en basse fréquence ainsi que pour des chocs à fort niveaux d’accélération sur des structures à grande rigidité, ce qui nécessite une étendue e mesure importante mais aussi une fréquence de résonance très élevée. Pour la mesure de faible et moyenne accélération, basse fréquence, les accéléromètres capacitifs de la nouvelle génération sont mieux adaptés.

ENSEMBLE DES ARTICLES

1/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE ALTERNATIVE (AC)

2/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE CONTINUE (DC)

 

retour
Réalisations

Le Confort Vibratoire - Une prestation incontournable

Dans le cycle de développement d’un moyen de transport, le Confort Vibratoire est une prestation incontournable. Ainsi, de la Conception jusqu'à la Validation, les spécifications techniques comme les plans de validation des différents ensembles et sous-ensembles qui composent le moyen de transport devront intégrer cette prestation.

Lire la suiteVoir nos réalisations

Actualités

Mesures Solutions Expo dans Le Journal des Fluides

La communication bat son plein autour du salon Mesures Solutions Expo conjointement organisé par le Collège Français de Métrologie (CFM) et le Réseau Mesure. La société POLYMESURE sera présente sur le stand A6 et fera un exposé sur les assemblages vissés le 31 Mai au matin.

Lire la suiteVoir nos actualités