FR2856148A1 - Capteur de pression comportant du sel, de preference non raffine - Google Patents

Abstract

Le capteur de pression comporte du sel, de préférence non raffiné, éventuellement mélangé à un liant. Le sel (1) peut être pris en sandwich, entre deux morceaux de tissu (2) ou deux plaques conductrices, ou imprégner un tissu. Avec un liant, par exemple de la colle, de l'élastomère, du caoutchouc ou de la silicone, il peut être utilisé pour constituer un joint sensible, de forme quelconque, susceptible de faire office de capteur. Le capteur (1) comporte des bornes (3) destinées à être associées à un circuit de mesure d'une variation de la résistance électrique ou de la capacité du capteur ou d'une tension générée par effet piézoélectrique, cette variation étant représentative d'une variation de la pression exercée sur le capteur.

Description

Capteur de pression comportant du sel, de préférence non raffiné

Domaine technique de l'invention L'invention concerne un capteur de pression comportant un matériau dont au moins une propriété électrique est sensible à la pression et au moins deux bornes de mesure destinées à mesurer les variations de ladite propriété électrique.

État de la technique On connaît (WO-A-0072239, EP-A-989509, WO-A-0106222) des capteurs de 15 pression multicouches, qui peuvent être constitués de matériaux souples et servir de capteurs de position. Le document EP-A989509, notamment, décrit un capteur de position en tissu constitué par deux plans électriquement conducteurs séparés par une grille isolante. L'application d'une pression provoque la mise en contact des plans conducteurs à travers la grille isolante. 20 L'application d'une tension électrique aux bornes d'un des plans électriquement conducteurs permet de déterminer la position du contact. Un tel capteur de pression, multicouche, et nécessite une opération de manufacture, qui est complexe et onéreuse.

Le brevet US 5302936 propose un capteur de pression comportant une couche résistive disposée entre une couche de base, en matériau flexible isolant, et une couche de contact. La couche résistive comporte des particules conductrices de carbone, de fer ou de germanium, imbriquées dans une couche de résine.

Par ailleurs, l'article "A conductive polymer pressure sensor", de N. Maalej et al. (Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medecine and Biology Society, vol.2, 4-7/11/1988, p.770- 771, XP010074750) décrit un capteur de pression constitué par deux feuilles en polyester 5 superposées portant respectivement un film flexible en polymère, imprégné de poudre métallique ou de noir de carbone, et un circuit conducteur ayant une structure interdigitée répartie sur la surface de la feuille correspondante.

Objet de l'invention L'invention a pour but un capteur de pression ne présentant pas les inconvénients des capteurs connus et, plus particulièrement, un capteur de pression bon marché.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le matériau comporte du sel, de préférence non raffiné, éventuellement mélangé à un liant.

Selon un développement de l'invention, le matériau est pris en sandwich entre 20 deux morceaux de tissu.

Selon un autre développement de l'invention, le capteur est constitué par un tissu imprégné de sel, de préférence non raffiné.

Il peut également comporter un piston destiné à comprimer le matériau contenu, par exemple sous forme de poudre, dans un corps creux lorsqu'une pression est exercée sur le capteur.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente un mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention.

La figure 2 illustre un procédé de fabrication d'un mode particulier de réalisation d'un capteur selon l'invention.

Les figures 3 et 4 représentent deux variantes de réalisation d'un capteur selon l'invention.

La figure 5 illustre un mode particulier de réalisation d'un circuit de détection 15 associé à un capteur selon l'invention.

Les figures 6 et 7 illustrent deux autres variantes de réalisation d'un capteur selon l'invention.

Description de modes particuliers de réalisation.

L'élément sensible à la pression d'un capteur selon l'invention est constitué par du sel (NaCI). Le sel utilisé est, de préférence, du sel non-raffiné. Contrairement au sel blanc raffiné, qui est sec et hydrophobe, le sel gris, non raffiné, peut être 25 utilisé tel quel comme élément sensible à la pression. En effet, ce sel, obtenu essentiellement par évaporation naturelle d'eau de mer ou de lacs salés, comporte des impuretés, notamment des métaux, et est légèrement humide en permanence.

Du sel raffiné, enrichi par des oligoéléments métalliques, par exemple par de l'argent, du cuivre ou de l'or, peut également être utilisé.

Le capteur illustré à la figure 1 est constitué par du sel 1, de préférence non 5 raffiné, en poudre, pris en sandwich entre deux surfaces 2. Lorsqu'une pression est appliquée sur l'ensemble, perpendiculairement aux surfaces 2, par exemple selon les flèches représentées à la partie supérieure de la figure 1, les particules de sel sont comprimées à l'emplacement correspondant et au moins une propriété électrique du capteur est modifiée, sa variation dépendant de la 10 pression exercée. Deux bornes de mesure 3, respectivement connectées à une des surfaces 2, sont destinées à permettre la mesure d'une variation d'impédance entre les deux surfaces 2. Ainsi, le contrôle des propriétés électriques du capteur, plus particulièrement de sa résistance ou de sa capacité, permet de détecter l'application d'une pression sur le capteur.

Dans une variante de réalisation, le sel peut être mélangé à un liant faisant office de colle. Le pourcentage de sel doit au moins être de l'ordre de 10% et le liant peut, à titre d'exemple, être constitué par de la silicone, de l'élastomère, du caoutchouc ou de la colle. À titre d'exemple, un mélange de 25% de sel non 20 raffiné et de 75% de silicone donne une pâte, qui, prise en sandwich entre deux surfaces de 1cm2 environ, donne une variation pouvant atteindre plusieurs mégohms lorsque la pression appliquée passe de 0 à 30kg sur la surface considérée.

L'adjonction de particules électriquement conductrices additionnelles (poudre métallique, carbone actif et/ou graphite) peut permettre de sélectionner une gamme particulière (ma, Q, kn ou M_) de résistances à obtenir pour une pression prédéterminée par unité de surface.

Chacune des surfaces 2 peut être constituée par un matériau souple, de préférence par un tissu, tissé ou non tissé, éventuellement imprégné de particules électriquement conductrices, par exemple de carbone actif. La figure 5 2 illustre la fabrication d'un tel capteur. Du sel non-raffiné 1, éventuellement mélangé à un liant et initialement contenu dans un réservoir 4, est déposé sur un premier tissu 5 en provenance d'un premier rouleau de tissu 6. Un second tissu 7, en provenance d'un second rouleau de tissu 8, recouvre la couche de poudre de sel non-raffiné, qui peut, à titre d'exemple avoir une épaisseur de 10 I'ordre du millimètre. En l'absence de liant, la poudre 1 est ainsi maintenue mécaniquement entre les deux tissus 5 et 7 destinée à constituer les surfaces 2.

L'ensemble 11, constitué par la poudre prise en sandwich entre les deux tissus, passe ensuite successivement sur deux tambours 9 et 10 d'entraînement et de guidage, de préférence chauffants. Ainsi, le capteur peut être fabriqué au mètre à partir de l'ensemble 11, comme un tissu classique, et le capteur, qui est un élément purement passif, peut ensuite être découpé aux dimensions désirées.

Dans une variante de réalisation, le capteur est constitué par un tissu imprégné de sel, de préférence par trempage dans une solution de sel, non raffiné, pur ou 20 enrichi. Les bornes de mesure sont alors connectées à des électrodes disposées de part et d'autre de la zone sensible.

Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 3, le capteur est constitué par un tissu formé par l'entrelacement d'au moins un fil 12 en matériau 25 électriquement conducteur et de fils ou de fibres 13, parallèles, pré-imprégnés de sel. La pré-imprégnation des fils ou fibres 13 peut, par exemple, être réalisée par trempage dans une solution de sel, de préférence non raffiné. Le fil conducteur 12, de résistance faible, mais non nulle, peut, par exemple, être en fer résistif, en cuivre, ou en inox. La pression exercée sur les fibres 13 provoque la modification de leur résistance et, en conséquence, des résistances connectées en parallèle avec différentes zones du fil conducteur. Les extrémités du fil conducteur 12 peuvent alors constituer les bornes de mesure 3 du capteur, permettant de détecter une variation de la résistance globale du capteur.

Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 4, le matériau à base de sel, de préférence non raffiné, en poudre, éventuellement mélangé à un liant, est contenu dans un corps creux 14, en matériau isolant, constituant une capsule. Un piston 15 est destiné à venir comprimer le matériau, en poudre, à 10 base de sel, lorsqu'une pression (illustrée par une flèche sur la figure 4) est exercée sur le capteur. La compression de la poudre dans le corps creux 14 provoque une variation d'impédance, qui peut être mesurée entre deux bornes de mesure 3, connectées à deux électrodes, entre lesquelles le sel est pris en sandwich. Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 4, des 15 électrodes 20a et 20b sont disposées respectivement sur la face interne de la paroi inférieure du corps creux 14 et sur la face inférieure du piston 15. Dans une variante de réalisation, les électrodes peuvent être constituées respectivement par la paroi inférieure du corps creux et par le piston 15. Le capteur peut être constitué par plusieurs capsules connectées en série.

Lorsque le matériau à base de sel, de préférence non raffiné, est pris en sandwich entre deux tissus, par exemple entre les tissus 5 et 7 de la figure 2, ceux-ci peuvent être préalablement imprégnés par des particules électriquement conductrices. Les particules peuvent être constituées par des particules 25 métalliques, par exemple en aluminium, ou par des particules végétales, par exemple de type carbone actif ou graphite. Les particules peuvent être déposées par projection et collage sur le tissu ou par trempage du tissu dans un milieu contenant les particules. Dans une variante de réalisation, le fil destiné à la fabrication du tissu est imprégné de particules avant tissage.

La variation de la résistance d'un capteur 16 est facilement détectable, par exemple au moyen d'un circuit de détection du type représenté à la figure 5. Sur cette figure, le capteur 16 est découpé aux dimensions désirées, soit dans un 5 tissu imprégné de sel, de préférence non raffiné, soit dans un ensemble 11 selon la figure 2. Il est complété par deux bornes de mesure 3 fixées à deux extrémités du capteur. Les bornes de mesure 3 permettent de connecter le capteur 16, en série avec une résistance R, aux bornes d'une tension d'alimentation Va. Les bornes 3, en matériau électriquement conducteur, 10 peuvent être constituées par des bandes cousues aux deux extrémités du capteur. La tension d'alimentation Va peut être une tension alternative ou continue. La résistance R et le capteur 16 constituent ainsi un pont résistif alimenté par la tension d'alimentation Va. La tension V mesurée aux bornes du capteur 16 est représentative de la résistance du capteur. Dans un mode de 15 réalisation préférentiel, seule la variation de la résistance du capteur est mesurée. Pour cela, la tension V est appliquée à l'entrée d'un filtre 17, de type passe-bas, dont la sortie est appliquée à l'entrée d'un circuit différentiateur 18 (dV/dt). La sortie du circuit différentiateur 18 est appliquée à une première entrée d'un comparateur 19. Une tension de seuil Vs, de valeur prédéterminée, 20 éventuellement réglable, est appliquée à une seconde entrée du comparateur 19. Le signal S de sortie du comparateur 19, normalement à une première valeur binaire (par exemple 0), passe à une seconde valeur binaire (par exemple 1) lorsque la variation de la tension V mesurée aux bornes du capteur 16 dépasse la tension de seuil Vs. Le passage à la seconde valeur binaire du 25 signal S est ainsi représentatif de l'application au capteur 16 d'une pression ou d'une variation de pression dépassant un seuil prédéterminé et peut être utilisé pour servir d'alarme, éventuellement à distance. La présence du filtre passe-bas 17 permet d'éliminer les alarmes parasites.

Dans un autre mode de réalisation, le circuit de détection permet de détecter une variation de la capacité du capteur, également représentative de l'application d'une pression au capteur. Dans une variante de réalisation, le capteur permet de mesurer une variation d'une tension générée par effet piézoélectrique lorsqu'une pression lui est appliquée.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le capteur de pression réparti 16 peut être utilisé comme capteur de présence. Le capteur 16 peut également être utilisé comme capteur de position. La localisation de l'impact peut alors se faire 10 par des mesures croisées et extrapolation, par exemple avec un capteur 16 à quatre bornes (3a à 3d), situées au quatre coins du capteur comme représenté à la figure 6 ou par une mesure matricielle, séquentielle, par exemple avec un capteur 16 comportant des rangées de bornes (3a1 à 3a5; 3b1 à 3b5; 3c1 à 3c5 et 3d1 à 3d5) sur toute sa périphérie.

Dans le mode de réalisation de la figure 6, des mesures sont, de préférence, effectuées entre les bornes prises deux par deux, c'est-àdire respectivement entre les bornes 3a et 3b, entre les bornes 3b et 3c, entre les bornes 3c et 3d, entre les bornes 3d et 3a, entre les bornes 3a et 3c et entre les bornes 3b et 3d. 20 Comme précédemment, chaque mesure permet de détecter, entre deux bornes de mesure, une variation de résistance, de capacité ou de tension générée par effet piézoélectrique, variation représentative de l'application d'une pression sur le capteur entre ces deux bornes. La pluralité de mesures effectuées permet, par extrapolation de localiser plus précisément le lieu d'application de la 25 pression sur le capteur 1.

Dans le mode de réalisation de la figure 7, des mesures de résistance, de capacité ou de tension générée par effet piézoélectrique sont effectuées de manière matricielle, entre deux bornes opposées, par exemple entre les bornes 3a1 et 3c1, entre les bornes 3a2 et 3c2, entre les bornes 3d5 et 3b5, etc.

Le lieu d'application de la pression sur le capteur 16 est ainsi obtenu par détermination des bornes (définissant des lignes et des colonnes) entre lesquelles une variation de résistance ou de capacité a été mesurée...DTD: Le circuit de détection peut éventuellement être complété par des circuits de compensation, en fonction de la température ou de l'humidité par exemple, de manière à écarter les alarmes parasites éventuellement liées à ces facteurs.

L'utilisation d'un matériau à base de sel, de préférence non raffiné, notamment entre deux morceaux de tissu, permet de réaliser un capteur bon marché, de dimension quelconque, non toxique, biodégradable et dont la fabrication n'est pas polluante.

Un capteur selon l'invention peut être utilisé dans toute application nécessitant une mesure de pression, de variation de pression ou de force exercée sur le capteur. Il peut être intégré dans le sol pour détecter et localiser une présence, par exemple dans le domaine de la sécurité, ou constituer des joints de forme quelconque.

À titre d'exemple, un capteur dans lequel le matériau à base de sel, de préférence non raffiné, est pris en sandwich entre deux morceaux de tissu peut être utilisé, sous forme de moquette ou de tapis, dans un édifice, musée ou banque par exemple, en dehors des heures d'ouverture, pour signaler une 25 présence. Sous forme de tapis sensible, il peut être utilisé pour assurer une sécurité d'accès, pour détecter la présence d'un enfant dans une zone dangereuse. Il peut également être utilisé dans une automobile pour signaler la présence d'une personne sur un siège et commander une alarme destinée à rappeler la nécessité de boucler la ceinture de sécurité correspondante. Un capteur de pression peut également être utilisé pour fabriquer les vêtements d'un gardien ou des combinaisons étanches et signaler un impact de balle, un coup, pour la détection de déchirement de bâches, par exemple pour assurer la sécurité contre le vol d'un camion, la sécurité d'accès d'une habitation par le toit, 5 pour réaliser un emballage antivol dans lequel il contrôle une alarme en cas de tentative de déballage non autorisé, pour constituer un habit pour robot permettant d'arrêter le robot lorsque celui-ci touche un élément, etc. Le sel, de préférence non raffiné, incorporé dans un liant (colle, élastomère, 10 caoutchouc ou silicone) peut être utilisé pour constituer un joint sensible (par exemple un joint de fenêtre), de forme quelconque, susceptible de faire office de capteur. Il est ainsi possible de surveiller la bonne tenue mécanique de pièces liées par ce joint. À titre d'exemple un tel capteur peut être disposé sous le goudron des routes pour détecter d'éventuels chocs, des chutes de pierre en 15 montagne, etc. Il peut également être utilisé pour l'analyse de structures, dans des jouets, grâce à son absence de toxicité, pour former des touches de commande, etc.

Claims (21)

Revendications

1. Capteur de pression comportant un matériau dont au moins une propriété 5 électrique est sensible à la pression et au moins deux bornes de mesure (3) destinées à mesurer les variations de ladite propriété électrique, capteur caractérisé en ce que le matériau comporte du sel (1).

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel (1) est du sel 10 non raffiné.

3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sel (1) est enrichi par des oligoéléments métalliques.

4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau comporte au moins 10% de sel dans un liant.

5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est constitué par de la silicone.

6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est constitué par de l'élastomère.

7. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est constitué 25 par du caoutchouc.

8. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est constitué par de la colle.

9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des particules électriquement conductrices additionnelles sont dispersées dans le matériau.

10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules additionnelles comportent du carbone actif.

11. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules additionnelles comportent du graphite.

12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau (1) est pris en sandwich entre deux morceaux de tissu (5, 7).

13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en 15 ce qu'il est constitué par un tissu imprégné de sel.

14. Capteur selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que des bornes de mesure (3), en matériau électriquement conducteur, sont fixées à au moins deux extrémités du capteur (16).

15. Capteur selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que les bornes de mesure (3; 3a-3d; 3a1-3a5, 3b1-3b5, 3c1-3c5, 3d1-3d5) sont disposées à la périphérie du capteur (16).

16. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un tissu constitué par tissage de fils (13) préimprégnés de sel et d'un fil (12) en matériau électriquement conducteur, dont les extrémités constituent les bornes de mesure (3) du capteur.

17. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un piston (15) destiné à comprimer le matériau (1), contenu dans un corps creux (14), lorsqu'une pression est exercée sur le capteur.

18. Capteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que le matériau contenu dans le corps creux est sous forme de poudre.

19. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les bornes (3; 3a-3d; 3a1-3a5, 3b1-3b5, 3c1-3c5, 3d1-3d5) sont 10 destinées à être associées à des moyens (R, 17, 18, 19) de mesure d'une variation de la résistance électrique du capteur.

20. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les bornes (3; 3a-3d; 3a1-3a5, 3b1-3b5, 3c1-3c5, 3d1-3d5) sont 15 destinées à être associées à des moyens de mesure d'une variation de la capacité du capteur.

21. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les bornes (3; 3a-3d; 3a1-3a5, 3b1-3b5, 3c1-3c5, 3d1-3d5) sont 20 destinées à être associées à des moyens de mesure d'une variation d'une tension générée par effet piézoélectrique.