Le but de cet article technique est de passer en revue les différentes technologies d’accéléromètres et d’aider à leur choix selon les applications et l’environnement, tout en sachant que l’utilisation principale d’un accéléromètre est la mesure de vibration.
Chaque famille d’accéléromètres présente des avantages et des inconvénients. Il est évident que la qualité de la mesure dépend du choix du bon accéléromètre, il doit être choisi selon l’application mais également selon sa qualité. Il est bon de garder aussi à l’esprit que la chaîne de mesure utilisée comprend le capteur, l’ensemble câble / connecteur, ainsi que le conditionneur ou le système d’acquisition des données.
Avant de commenter les choix, il est bon de reprendre quelques notions de base concernant les différentes technologies d’accéléromètres.
- Pour les évènements « dynamiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse alternative.
- Pour les évènements « statiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse continue.
Néanmoins, certains accéléromètres à réponse continue peuvent mesurer des évènements dynamiques, basse fréquence.
Accéléromètre à réponse alternative (AC)
Pour la mesure de phénomènes dynamiques : les accéléromètres piézoélectriques.
Qu’est ce que la piézoélectricité ?
L’observation humaine la plus ancienne de l’effet électrique a été effectuée sur l’agencement des forces mécaniques. Un pouvoir mystérieux était connu des Grecs anciens comme étant une propriété de l’Elektron (ambre) lorsqu’on le frottait. Des siècles plus tard, l’électricité ayant été découverte, ses divers aspects étaient codifiés par un préfixe particulier tel que : voltaïque, thermo, photo, et bien sûr PYRO et PIEZO.
On avait observé depuis longtemps que le cristal de tourmaline placé dans des cendres chaudes commence par attirer les cendres puis à la repousser. La caractéristique électrique fut établie en 1756 par Aepinus qui avait remarqué des polarités opposées aux deux extrémités d’un cristal de tourmaline chauffé.
En 1824, Brewster, qui avait étudié les effets de plusieurs sortes de cristaux, introduisit le vocable PYROELECTRICITE. Suivant une théorie de Coulomb que l’électricité doit être produite par pression sur un cristal, Hauy et Becquerel ont montré les effets électriques de certains cristaux lorsque ceux-ci étaient comprimés. La découverte la plus importante fut celle des frères Pierre et Jacques Curie en 1880 : certains cristaux, étant comprimés dans des directions particulières, présentent des charges positives et négatives en certains endroits de leur surface.
Les charges sont proportionnelles à la pression et disparaissent lorsque la pression est supprimée, ainsi la Piézoélectricité était découverte. Cependant pendant les décades qui suivirent, peu d’attention fut portée à cette découverte. Avec le bond en avant de la seconde guerre mondiale, la piézoélectricité fut utilisée pour générer et détecter des ondes à haute fréquence à travers l’eau en vue de construction de sonars, l’effet réciproque étant alors utilisé : l’application d’une charge à un cristal produit un mouvement ou une déformation de l’aspect physique du cristal.
Il fallut encore attendre de nombreuses années avant de construire des accéléromètres tels que nous les connaissons aujourd’hui.
Qu’est ce que l’effet piézoélectrique ?
La réponse la plus simple serait la transformation d’une énergie mécanique en une énergie électrique.
La figure ci-dessous montre une méthode de transformation simple où, à partir d’un matériau piézoélectrique sous contrainte, une force en entrée fournit un signal électrique en sortie, dans le cas de compression dans l’axe de polarisation.
Quel est le mécanisme qui transforme l’énergie ?
Afin de faciliter la compréhension, considérons la figure 1 ci-dessous qui représente une structure cristalline imaginaire à une dimension, comprenant un alignement d’ions alternativement positifs et négatifs, à la manière de perles enfilées sur un élastique. Considérons la région entourée par les lignes en pointillées. Dans cette structure symétrique, la vue à partir du centre de la région vers la gauche ou vers la droite, est exactement la même.
Maintenant, supposons que nous appliquions une contrainte d’extension au cristal et que l’allongement soit faible (figure 2), les deux anions s’éloignent du centre avec des déplacements identiques mais en sens opposé. Le cation ne bouge pas, au centre de la région. Ainsi, il n’y a pas de déplacement important de charge dans la région considérée ou dans la structure cristalline qui est considérée comme un tout.
Voyons maintenant, ce qu’il advient lorsque nous allongeons faiblement une structure asymétrique. Le cation est à gauche du centre de la région de la figure 2 effectuant un déplacement de charge positive à gauche.
De nouveau, les deux anions se déplacent à partir du centre d’une quantité égale et opposée mais maintenant le cation se déplace vers la gauche du centre comme l’indique la figure 2 effectuant un déplacement de charge positive à gauche. Si le cristal est maintenant comprimé, le cation se déplace à droite et une charge piézoélectrique de polarité opposée est générée. Le même processus peut être appliqué pour l’effet réciproque, c’est-à-dire si un potentiel était appliqué à chaque région, cela créerait un faible mouvement résultant de la variation des dimensions du cristal.
Si un cristal est un conducteur électrique, les charges piézoélectriques seront immédiatement court-circuitées et il n’y aura rien en sortie. Les matériaux piézoélectriques généralement utilisés pour les accéléromètres sont des matériaux isolants afin que la charge soit conservée et puisse être utilisée.
Les matériaux piézoélectriques utilisés pour les capteurs peuvent être divisés en deux catégories
1. Cristaux simples (quartz et tourmaline)
Ils ont des qualités certaines, quoique leur sensibilité soit faible par comparaison avec les céramiques ferroélectriques. La figure ci dessous montre un cristal naturel, du quartz dans le cas présent. Il y a 32 catégories de cristaux. Onze catégories ont un centre de symétrie et donc, ne présentent pas d’effet piézoélectrique. Il y en a un, la catégorie 29, qui est asymétrique mais pas piézoélectrique. Les 21 autres restantes, étant asymétriques présentent l’effet piézoélectrique.
Les 3 cristaux piézoélectriques, les plus couramment utilisés dans les capteurs sont le sel de Rochelle, le quartz et, la tourmaline. Le sel de Rochelle n’est plus utilisé de nos jours à cause d’un point de Curie très bas (25°C), sa faible tenue mécanique et sa basse température de désintégration (55°C). Historiquement, il a été important pour les travaux de recherche sur la piézoélectricité. Par contre, le quartz et la tourmaline sont couramment utilisés pour les capteurs, ils ont des qualités certaines bien que leur sensibilité soit faible, la tourmaline étant très utilisée pour les applications très haute température.
2. Céramiques ferroélectriques
Pour fabriquer un matériau piézoélectrique utilisable, il faut que la plupart des régions cristallines aient leurs axes piézoélectriques alignés dans la même direction. On réalise ceci au moyen d’un champ électrique intense.
Cet effet de polarisation est analogue à la magnétisation du fer dans un champs magnétique, d’où l’expression Ferro Electricité. Les céramiques ont en général une sensibilité élevée, elles peuvent également être fabriquées à la demande en taille et forme, ce qui n’est pas le cas des cristaux simples.
Accéléromètre et Pyroélectricité
Lorsque l’on place des céramiques ferroélectriques dans un champ électrique intense, on obtient un seul axe de polarisation mais, tous les cristaux à un seul axe présentent alors le phénomène de pyroélectricité primaire, c’est-à-dire que si la température varie, on génère une charge. Ceci peut être gênant dans les applications pratiques de la piézoélectricité.
Accéléromètre et Dépolarisation
Comme les éléments piézoélectriques peuvent être polarisés, ils peuvent également être dépolarisés.
Pendant la polarisation, beaucoup de régions ferroélectriques microscopiques, à l’intérieur du matériau, alignent leur axe de polarisation suivant le champs primaire de polarisation externe et tendent à maintenir cet alignement à cause du champs interne créé par celui-ci. Cependant, elles restent dans la direction de polarisation à cause des contraintes internes. Lorsque le champ de polarisation est supprimé, quelques régions veulent revenir à l’état initial afin de se soustraire à la contrainte. Il en résulterait une diminution de la sensibilité. Heureusement, cette tendance à la dépolarisation peut être annulée avant utilisation en recuisant le matériau dans son état de polarisation. On provoque ainsi un relâchement des contraintes avant que le matériau soit mis en service.
Ceci constitue une part importante du procédé de fabrication pour obtenir des capteurs fiables. Il y a également d’autres possibilités externes de dépolarisation, si une contrainte de compression est appliquée dans la direction de polarisation, quelques régions voudraient s’échapper parce qu’elles sont un peu plus minces, lorsque la pression est assez forte, un élément peut être dépolarisé. Heureusement les forces nécessaires pour une telle dépolarisation sont assez élevées, ce qui n’est pas un problèmes dans la plupart des applications, sauf dans le cas d’un choc important dépassant les spécifications du capteur.
Effet de la température
Pour produire des éléments ferroélectriques plus stables et plus sensibles, le matériau doit être poussé jusqu’à la saturation. Les champs électriques de polarisation sont généralement très élevés, de l’ordre de 40000 Volts par centimètre.
Des variations de polarisation peuvent survenir avec des champs beaucoup trop faibles et également avec des champs non désirés. Une source insidieuse de champ non désiré de dépolarisation, existe dans les éléments ferroélectriques. C’est-à-dire que des charges électriques importantes peuvent être développées avec une grande variation de température. Si l’élément piézoélectrique est en circuit ouvert, c’est-à-dire que les charges ne sont pas évacuées, plusieurs centaines de volts peuvent exister aux bornes, c’est le résultat de la variation de polarisation de l’élément piézoélectrique et, par voie de conséquence, de la variation de sensibilité.
Un autre et très important effet de la température est que la gamme de température d’utilisation pratique d’un capteur est restreinte par le point de température dit de Curie. A une certaine température, suivant le matériau, l’élément ferromagnétique cesse d’être ferroélectrique et désormais, ne peut plus être utilisé en tant que piézoélectrique.
En résumé, les accéléromètres utilisent un élément piézoélectrique naturel ou artificiel (quartz, tourmaline, céramique PZT) pré contraint par une masse sismique. La vibration fait varier la pré contrainte et déforme l’élément piézoélectrique qui génère alors un signal électrique haute impédance, exprimé en unités pC/g ou mV/g.
Constructions internes d’accéléromètres piézoélectriques
Conditions à remplir
Pour convertir en signal électrique de façon satisfaisante, une vibration ou un choc complexe, un accéléromètre devra répondre à certains critères ci-dessous mentionnés. En résumé, il devra….
- Fonctionner avec une large gamme d’accélération dynamique
- Couvrir une gamme de fréquence allant de 2 Hz (ou moins, pour les chocs de longue durée, étude de flottement…) à environ 10000Hz (pour des vibrations induites par des phénomènes acoustiques et les chocs de courte durée)
- Être insensible aux phénomènes non vibratoires tels que : la température extérieure et les transitoires de température / les bruits acoustiques
- Les rayonnements parasites (nucléaires, interférences, magnétiques)
- Être insensible aux signaux de vibration non souhaités tels que : les vibrations transverses. / les contraintes de base induites par le spécimen à tester et le mode de fixation utilisée
- Reproduire l’information désirée sans distorsion due à l’amortissement et au filtrage
- Avoir une fréquence de résonance élevée (capteur monté) pour minimiser les effets de résonance d’éléments du capteur
- Modifier le moins possible la vibration du spécimen à tester, poids du capteur < à 10% du poids du spécimen à tester.
- Avoir des caractéristiques stables dans le temps.
Lorsque l’accéléromètre est soumis à une accélération suivant son axe vertical, l’élément piézoélectrique est comprimé (ou décomprimé) par les forces d’inertie agissant sur la masse. Cette construction permet d’atteindre les buts recherchés, c’est-à-dire une haute sensibilité et une fréquence de résonance élevée. Cependant, elle a un inconvénient important. Bien que le cristal lui-même fournisse le ressort dans le système masse ressort, constitué par le cristal et la masse de précontrainte, les parois du boîtier agissent également comme ressort, en parallèle avec l’élément sensible.
Ceci implique que tout changement dans les dimensions du boîtier va influer sur les caractéristiques et le fonctionnement du capteur. Par exemple, des variations de température vont produire une variation dans les dimensions du boîtier et, par conséquent, influer sur l’élément sensible. En particulier, cette construction sera très sensible aux hautes énergies acoustiques car les ondes acoustiques, en rencontrant le boîtier, vont être directement transmises à l’élément sensible et auront pour conséquence une sortie électrique parasite. Cette construction interne n’est plus utilisée et est incluse ici comme référence au premier accéléromètre piézoélectrique commercialisé.
Exemples de construction interne d’accéléromètre piézoélectrique
Ces constructions internes sont aussi utilisées pour les accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée.
Compression par écrou central
Cette construction améliore la précédente en fournissant un isolement plus important aux influences parasites.
La compression par écrou central comporte une base, une tige filetée, une masse et un système de compression. La précontrainte est obtenue en vissant l’écrou de compression sur la tige filetée centrale. Le boîtier du capteur est monté au dessus et soudé sur la base.
Le boîtier a alors un simple rôle de protection et n’est pas en contact direct avec le système « masse ressort ».
Compression Isobase®
La construction compression par écrou central peut encore être améliorée, toutefois en diminuant légèrement la fréquence de résonance. La compression par écrou central assure une liaison étroite entre la surface de montage et l’élément sensible, mais l’accéléromètre est toujours sensible aux phénomènes non vibratoires tels que la contrainte de base, la chaleur et le bruit acoustique.
Pour améliorer ceci, Endevco™ a conçu la construction Isobase®, comparable à la précédente, sauf que la base de montage a une forme particulière pour mieux isoler la base de montage du capteur de la surface de l’élément sensible et mieux protéger de l’influence de contrainte de base.
Construction en cisaillement
Les accéléromètres qui fournissent une sortie électrique, en utilisant un élément piézoélectrique travaillant en cisaillement, permettent, une meilleure réjection des signaux induits par les contraintes de base. De même que pour la construction par écrou central, le boîtier a un rôle de protection et n’est pas en contact avec le système masse ressort, mais les contraintes venant de la base de montage sont très bien isolées, puisque les éléments piézoélectriques sont fixés sur une tige. Ce type de construction a pour avantage une sensibilité très faible aux contraintes de base et aux phénomènes acoustiques.
Comme les accéléromètres utilisant des cristaux ferroélectriques montés en cisaillement ne présentent pas de phénomènes pyroélectriques primaires, un autre avantage sera l’absence de signaux parasites en sortie, dus à des phénomènes pyroélectriques ou a des transitoires de température. La plupart des accéléromètres à cisaillement annulaire sont fabriqués en fixant les différents éléments à l’aide d’adhésif époxy, ce qui limite leur gamme de température de -55 à +260°C. Les principaux avantages de ce type de construction sont la simplicité, la sécurité, mais aussi la possibilité d’avoir de capteurs miniatures et micro- miniatures, d’une taille de 4mm pour un poids de 0,13 gramme.
Les accéléromètres miniatures sont utilisés dans la plupart des applications hautes fréquences pour éliminer les erreurs dues à leur masse. Une modification intéressante, consiste à creuser la tige centrale qui traverse entièrement le capteur, afin de pouvoir le monter par une vis captive traversante. Cette technique permet une grande souplesse pour le montage du capteur dans des endroits difficiles d’accès, par l’orientation (radiale) du connecteur.
Construction Isoshear®
Les accéléromètres fonctionnant en cisaillement pourront également être construits en utilisant des éléments ayant une forme plate. Ces capteurs ont une conception semblable à ceux à cisaillement annulaire car les céramiques piézoélectriques seront fixées de part et d’autre d’un élément central par l’intermédiaire d’une masse qui sera précontrainte contre celui-ci.
Dans un accéléromètres Isoshear ®, l’ensemble est boulonné assemblé, comme le montre la figure sur la page suivante. Comme pour le cas précédent, le montage est symétrique par rapport au centre de gravité du capteur et permet d’obtenir de hautes fréquences de résonance.
De plus, cette technique n’utilisant pas d’adhésif organique, la gamme en température ne sera pas limitée à celle de l’adhésif. Un autre avantage important de ce type de montage, est la possibilité de disposer plusieurs éléments entre l’élément central et la masse de précontrainte. Ces éléments plans peuvent être empilés comme pour une construction en compression.
Lors de la fabrication, on pourra accroître la sensibilité, ajouter des éléments de compensation en température, augmenter la capacité interne et ajouter ou non, un isolant électrique par rapport au boîtier. Ces différentes possibilités permettent d’obtenir un capteur correspondant au mieux à une application désirée.
Les constructions Isoshear® ont généralement une sensibilité aux contraintes de base et une erreur due à la température très faibles, et par conséquent, des rapports signal sur bruit particulièrement élevés. Ces caractéristiques permettent également d’effectuer des mesures en basse fréquence jusqu’à 0,1Hz.
Piézoélectrique sortie haute impédance : charge (pC/g)
Ces accéléromètres délivrent directement un signal électrique proportionnel à la vibration.
Étant auto générateurs, ils n’ont pas besoin d’une alimentation. Du fait de la haute impédance du signal électrique de sortie, il est nécessaire d’utiliser un amplificateur, tension ou charge, avec une entrée haute impédance ainsi qu’un câble coaxial de liaison, traité contre les effets triboélectriques, générateurs de charges parasites. L’amplificateur de charge étant peu sensible aux problèmes causés par les variations de capacité des câbles, il est généralement plus couramment utilisé qu’un amplificateur de tension. L’amplificateur de charge permet également d’utiliser la grande dynamique des accéléromètres piézoélectriques (>120dB) ; dynamique globale pouvant être ajustée par le gain réglable de l’amplificateur.
Les éléments piézoélectriques naturels (quartz, tourmaline) et artificiels (PZT), permettent une large plage d’utilisation en température (-260 à +700°C). Ce type d’accéléromètre, très robuste, est bien adapté aux mesures de vibration en températures extrêmes, par exemple, la surveillance vibratoire de turbines et mesures cryogéniques.
Piézoélectrique sortie basse impédance amplificateur incorporé : tension (mV/g)
Les accéléromètres piézoélectriques générateurs de charge électrique sont des capteurs bien connus depuis de nombreuses années. L’utilisation des circuits hybrides et de la microélectronique a permis d’incorporer un amplificateur adaptateur d’impédance dans l’accéléromètre. D’autres fonctions (filtrage…) peuvent aussi être intégrées. Cette gamme d’accéléromètres est commercialisée sous divers noms IEPE, ICP, ISOTRON…
Pourquoi alimentation en courant constant ?
L’alimentation des accéléromètres IEPE par un courant constant permet l’utilisation d’un câble à deux conducteurs, transmettant simultanément l’énergie de fonctionnement et le signal.
Une conception d’accéléromètre IEPE à alimentation sous tension constante nécessiterait l’utilisation de trois ou quatre conducteurs. De plus, le circuit hybride comporterait des composants supplémentaires (régulateur) et l’impédance de sortie serait plus élevée que dans la conception à courant constant.
Comment générer le courant constant nécessaire ?
Les amplificateurs conditionneurs d’accéléromètres spécifiques aux IEPE, ou admettant les deux types d’accéléromètres piézoélectriques avec ou sans électronique incorporée, incluent une source à courant constant. La figure ci-dessous représente le schéma équivalent d’un accéléromètre IEPE relié par un câble, en général une paire torsadée, à une source d’alimentation souvent incorporée au système d’acquisition des données. La sortie basse impédance de l’IEPE créant une bonne immunité aux bruits électriques, il n’est pas nécessaire d’utiliser un câble faible bruit.
- R1 : résistance série du câble plus résistance interne de l’IEPE
- C1 : capacité du câble
- C2 : capacité de blocage de la composante continue
- R2 : résistance d’entrée du circuit utilisateur
Influence de la température
La plupart des IEPE ont une plage de température d’utilisation de -55 à +121°C (portée récemment à +162°C).
La présence de composants électroniques dans l’accéléromètre (transistors à effet de champ, amplificateur opérationnel, résistances, capacités) est la raison principale de cette plage plus limitée que celle des accéléromètres piézoélectriques sans électronique incorporée. Dans cette plage, deux paramètres sont particulièrement affectés, la tension de polarisation et la sensibilité. Les caractéristiques du transistor à effet de champ provoquent une augmentation de la tension de polarisation pour les températures basses et une diminution pour les températures hautes.
Conclusion
La simplicité de mise en œuvre au niveau du câblage et l’avantage d’un coût réduit de la voie de mesure accélérométrique destine ces accéléromètres aux applications de type laboratoire d’essais, mesures embarquées, essais en vol. Ils peuvent également être très utiles lors de mesures en présence de perturbations électriques et/ou électromagnétiques importantes ainsi qu’avec des câbles de liaison de grande longueur. Des accéléromètres IEPE disposant d’un boîtier spécifique sont également très utilisés pour les applications de surveillance dans l’industrie.
Néanmoins les accéléromètres piézoélectriques sans électronique intégrée, demeurent la seule solution lorsque la température dépasse les limites supportables par les composants électroniques et ceci jusqu’à plus de 700°C.
Bien que n’étant pas des accéléromètres, d’autres types de capteurs permettent de mesure des vibrations.
Capteurs de vitesse électrodynamiques
Bien que n’étant pas un accéléromètre, ce type de capteur peut être utilisé pour mesurer des vibrations.
Quand une bobine se déplace dans un champ magnétique, elle est le siège d’une force électromotrice proportionnelle à la vitesse de déplacement de la bobine. Les capteurs de vitesse, basés sur ce principe, consistent généralement en une bobine guidée par des suspensions flexibles, se déplaçant dans l’entrefer d’un aimant permanent.
La tension de sortie en circuit ouvert, aux bornes de la bobine est :
E = BLV, ou E = La tension de sortie (Volt)
B = Induction magnétique (tesla)
L = Longueur du fil dans le champs magnétique (m)
V = Vitesse relative bobine/champ magnétique
Pour obtenir une réponse linéaire en vitesse, le système est amorti par huile ou champ magnétique.
Le capteur est utilisé au dessus de la fréquence propre là ou la vitesse relative ne dépend plus de la fréquence. La fréquence propre est base (généralement 10 Hz).
Les inconvénients de ce type de capteur (l’encombrement, le risque de rupture des suspensions) font qu’il n’est pratiquement plus utilisé.
Détecteur à courant de Foucault
Les capteurs à courant de Foucault sont des dispositifs de mesure sans contact. Un petit cylindre en matériau métallique, recouvert d’un bobinage, est l’un des éléments d’un circuit oscillant
Quand une surface métallique s’approche de l’extrémité du cylindre, des courants de Foucault s’y établissent, ce qui absorbe de l’énergie. La relation entre le déplacement et les pertes d’énergie n’est pas linéaire et doit être linéarisée au moyen d’un circuit électronique approprié. L’électronique associée au détecteur comprend généralement l’oscillateur de la porteuse, dont la fréquence est d’environ 2MHz, un circuit de linéarisation et un démodulateur.
En raison de la fréquence élevée, le câble d’interconnexion entre le détecteur et son électronique fait partie du circuit et ne peut pas être changé. La sensibilité varie avec les caractéristiques électriques et magnétiques des matériaux. Ce type de capteur est principalement utilisé pour la surveillance de machines tournantes, par exemples, la mesure des déplacements d’arbres par rapport aux paliers.
Accéléromètres à réponse continue (DC)
Pour la mesure de phénomène statique ou dynamique basse fréquence et chocs.
Les accéléromètres potentiomètriques
Il existe des accéléromètres dont l’élément transducteur est un potentiomètre. La masse est liée au curseur, ce qui permet d’obtenir une tension variable.
Comme pour les accéléromètres à jauges, les accéléromètres potentiométriques permettent des mesures d’accélérations statiques et de vibrations au dessus de la fréquence de résonance.
Celle-ci est très basse, de l’ordre de 20 Hz.
Ce type d’accéléromètre n’est que très rarement utilisé !
Les accéléromètres piézorésistifs et 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 piézorésistifs.
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 :
- Facteur de jauge K
- Coefficient de température de la résistance
- 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 proportionnels 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.
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.
Jauge plate
Deux larges pattes de fixation sont réunies par un élément central étroit (partie active). Avec cette configuration, les contraintes sont concentrées dans un élément microminiature 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.
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.
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.
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 100 000 g 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.
Les accéléromètres capacitifs
Les accéléromètres capacitifs sont des capteurs à l’état solide incorporant des éléments sensibles micro mécanismes silicium de technologie très avancée et une microélectronique intégrée.
Ils ont été conçus pour les applications nécessitant une mesure précise d’accélération de faible niveau (0 à 200g) dans une bande passante du continu à 2000Hz (selon l’étendue de mesure pleine échelle).
Des performances améliorées, telles qu’une augmentation de la précision, de la stabilité du signal de sortie en fonction de la température ainsi qu’une grande fiabilité, distinguent particulièrement cette conception.
La perception de l’accélération se fait par une paire d’éléments sensibles en silicium à micromécanismes spécialement conçus, pour être sensibles aux changements de capacité induits par des déflections microscopiques dues à la variation des niveaux d’accélération. Les éléments sensibles étant montés de manière différentielle, toute accélération appliquée augmente la capacité d’un élément tandis que diminue celle de l’autre et produit ainsi, un débit de courant inégal à travers les capteurs. Ce courant différentiel est alors mesuré, conditionné et converti en tension, fournissant ainsi un signal de sortie proportionnel à l’accélération appliquée à l’entrée.
Un diagramme simplifié du fonctionnement est monté par la figure ci-dessus, les éléments sensibles à variation de capacité sont montés sur un substrat avec des composants discrets et un circuit intégré, l’ensemble se plaçant ensuite, dans un boîtier support hermétique. En général, ces accéléromètres sont munis de butées mécaniques de protection contre des chocs importants et sont également amortis par gaz. Les caractéristiques d’amortissement sont très précisément contrôlées en fonction de la température afin d’augmenter la réponse en fréquence. De par la faible viscosité thermique du gaz, comparée à celle d’un liquide, cette technique a prouvé son efficacité en assurant un coefficient d’amortissement stable pour une grande variation de température.
L’accéléromètre à capacité variable répond aux besoins de nombreux secteurs de marchés existants nécessitant la mesure à très basse fréquence ou continue, d’accélération. Actuellement, deux autres types d’accéléromètres peuvent également répondent à ce besoin.
Les accéléromètres piézorésistifs sont conçus pour la mesure de faible accélération mais ils sont limités en surcharge. De plus, en fonction de la température, ils n’offrent pas toute la précision ou la stabilité nécessaire à la majorité de applications « mesure de faible accélération ».
Les servo-accéléromètres à boucle asservie, sont aussi capables de mesures avec très grande précision et stabilité. La majorité des systèmes sismiques utilisés par les servo- accéléromètres sont toutefois, susceptibles d’importantes dégradations de performances ou de destruction quand ils sont soumis à des niveaux de chocs ou vibration importants.
Les accéléromètres à équilibre de force (servo-accéléromètre)
Il existe différents modèles d’accéléromètres asservis pendulaires à équilibre de force mais la construction interne la plus performance, utilise une masse sismique micro usinée en forme d’un disque en quartz de haute pureté appelé pendule (flapper) fixé au boitier. Deux creux symétriques (hinge) permettent une flexion symétrique. L’ensemble est monolithique avec en surface un mince film de cuivre comme électrode de détection capacitive et les fils de liaison. (voir figures 1 et 2).
La fabrication du pendule est basée sur une gravure sèche conventionnelle similaire au procédé de fabrication de « wafer ». Le quart fondu utilisé étant en forme amorphe, la gravure est isotropique et garantie un fini de haute qualité des surfaces, sans les défauts typiques observés avec les matériaux cristallins.
La gravure s’effectue simultanément avec précision sur les deux faces et assure une totale symétrie. Le taux de gravure d’environ 3m/min. permet une production rapide d’ensemble pendules / masse sismique. Cet ensemble est alors installé symétriquement entre deux structures magnétiques comprenant chacune un aimant haute stabilité et un boitier en alliage fer nickel, l’ensemble de cette structure formant une cellule accéléromètre.
Une distance d’environ 20m est laissée entre le pendule (flapper) et la structure magnétique afin d’obtenir un système de deux éléments capacitifs de chaque côté du pendule (flapper) pour la détection capacitive et obtenir un amortissement. Quand une accélération est appliquée perpendiculairement à la masse sismique, la détection capacitive envoie un signal d’erreur au circuit de contre réaction qui alors envoie un courant aux bobines attachées symétriquement de chaque côté du pendule (flapper).
Les forces de Laplace s’appliquent et maintiennent le centre du pendule en équilibre constant, ceci pour des accélérations allant jusqu’à 40 g et des fréquences jusqu’à 2000Hz. Comme le courant traversant les bobines est proportionnel à l’accélération appliquée, le même courant traversant une résistance externe délivrera une tension proportionnelle à l’accélération. La cellule « accéléromètre » est raccordée à un circuit électronique très proche qui contient la boucle d’asservissement contrôlant la position angulaire du pendule ainsi qu’un capteur de température, voir figure 3
Spécifications principales des accéléromètres asservis pendulaires
Les applications pour ce type d’accéléromètre (spatiales, aérospaces, militaires, civiles…) nécessitent des spécifications particulièrement bonnes. Celles illustrées ci-dessous concernent 3 modèles d’accéléromètres de la société InnaLabs.
Décalage du zéro (Bias ou biais)
C’est le signal en sortie de l’accéléromètres sans entrée (0 g) :
– Décalage (bias offset) du signal en sortie et dérive dû à des variations de température. Les dérives en température peuvent être compensées en utilisant un modèle polynomial, l’erreur résiduelle est alors, appelée compensation du biais.
– Le décalage du biais (bias error) après compensation est un paramètre important des performances de l’accéléromètre.
Sensibilité (scale factor)
La sensibilité est le courant en sortie pour une accélération donnée en entrée :
– les changements de sensibilité selon la température peuvent être compensés en utilisant un modèle polynomial, l’erreur résiduelle est alors appelée facteur de compensation (compensated scale factor).
– le facteur de compensation (scale factor error) est aussi un paramètre important des performances de l’accéléromètre.
Pour compléter les courbes particulières des trois modèles testés, AL-Q-710, AL-Q-1410, AL-Q-2010 voici les spécifications complètes de ces trois modèles mentionnés.
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