Télécharger Info CARMA n°10

N°10 – octobre 1999
INFO
CARMA
La lettre du Centre d’Animation Régional en Matériaux Avancés – Provence Alpes Côte d’Azur
ACTUALITE
L’Editorial
Les matériaux au Bar sur Loup
L’information régionale sur les matériaux
existe. Les conférences, les réponses aux
questions techniques spécifiques, les
réunions du Club Matériaux et bientôt pour
orchestrer toutes ces informations le site
Internet MARIUS, sont autant d’outils que
le CARMA avec l’aide de ses partenaires
financiers (DRIRE, Région, Conseils
Généraux, URIMEPAC) met au service des
entreprises. La mise à disposition de cette
information est un service très demandé et
nécessaire à la résolution des nombreux
problèmes technologiques posés.
Devant une telle demande, le CARMA se
propose de prolonger cette action
d’information en prenant l’initiative
d’animer des groupes de réflexion
thématiques afin de rendre plus lisible et
sur des thèmes spécifiques la compétence
régionale en matériaux. C’est cette action
qui a été annoncée au cours de la dernière
réunion du Club Matériaux accueilli par la
Société Microsonics le 7 octobre dernier et
à laquelle participaient 45 personnes.
Ces groupes de réflexion regrouperont des
universitaires et des industriels sur un
même thème et permettront d’aller plus loin
dans la mise en place de partenariats dans
le cadre de projets de développement.
Les premières rencontres du Club
Matériaux l’avaient dès de départ mis en
évidence, le monde des matériaux est un
monde très vaste regroupant des techniques
et des compétences très diverses.
L’élaboration,
la
transformation,
la
caractérisation, la simulation et la
modélisation, la plasturgie, la métallurgie,
la
microélectronique,
les
méthodes
d’assemblage, les matériaux intelligents
sont autant de thèmes qu’il convient
d’aborder dans un cadre spécifique.
Ce projet sera mis en place dès le début de
l’année 2000.
Jean-Claude GIANNOTTA
Les conférences techniques, les réunions du Club Matériaux sont autant d’occasions
pour le CARMA d'échanger sur le thème des matériaux. Samedi 23 octobre, le CARMA a
animé un stand au Bar sur Loup, dans le cadre de la Semaine de la Science, afin de faire
découvrir à un public de non spécialistes les différentes familles de matériaux. Les
différentes étapes de la fabrication d'une bouteille d'eau minérale par soufflage, la
microencapsulation, les aérogels de silices et de carbone, prêtés par le Centre
d'Energétique de l'Ecole des Mines ainsi que les matériaux composites tissés de fibres de
verre et carbone, ont retenu l'attention des parents (très avertis pour certains). Les plus
jeunes ont préféré s'attarder sur les différentes densités des métaux (du cuivre au
magnésium), et les matériaux "magiques" : alliages à mémoire de forme, silly putty, balles
rebondissantes et amortissantes (Smactane développé par SMAC à Toulon). L'intérêt
manifesté aura peut-être été, pour certains, le point de départ d'une vocation de futurs
ingénieurs matériaux. Car après avoir découvert que l’étirement d’une bande de
polyéthylène transparent le rendait blanc, les écoliers du Bar sur Loup ont su interpréter
avec beaucoup de poésie et de magie la cristallisation des polymères.
Conférence "Matières plastiques et Design industriel"
Après le succès de la conférence du 7 octobre à Sophia Antipolis "Matériaux avancés et
Veille technologique", nous vous convions à participer à notre prochain rendez-vous
matériaux le 17 novembre après-midi dans les locaux d'Interfaces à Marseille. Votre
activité est liée à la transformation de matières plastiques (extrusion, injection,
thermoformage), vous concevez ou/et produisez des pièces en matières plastiques ?
Nous vous présenterons des exemples de collaborations, des matériaux, des outils
destinés à optimiser le processus de conception.
Les Centres Technologiques àSophia Antipolis
Le 23 novembre les représentants des organismes dédiés au développement
économique et technologique sont conviés à une présentation des activités des
huit Centres Technologiques régionaux (matériaux, métrologie, découpes laser et jet
d’eau, qualité, électronique, informatique, électromagnétisme). Nous vous remercions de
diffuser l'information si vous en avez l'occasion.
Participez au Grand PrixEuropéen de l'innovation
et des Technologies Nouvelles de Monaco
Le grand prix 99 est consacré aux "Matériaux et leurs applications". Vous détenez un
brevet dans ce domaine ? La participation est libre et votre dossier doit être déposé avant
le 15 novembre, contactez-nous vite pour en connaître les modalités.
Figurez dans le guide Internet des compétences matériaux
Demandez-nous la fiche nécessaire à votre référencement dans le site Internet MARIUS
accessible dès le second trimestre 2000.
CONTACTEZ - NOUS
Jean-Claude GIANNOTTA
Directeur
Tél. : 04 93 00 43 81
Fax : 04 92 38 98 98
[email protected]
Catherine ALES
Marketing & Communication
Tél. : 04 93 00 43 82
Fax : 04 92 38 98 98
[email protected]
Florent JEGO
Ingénieur Projets R&D
Tél. : 04 93 00 43 83
Fax : 04 92 38 98 98
[email protected]
Isabelle PENOT
Ingénieur en Biotechnologies
Tél. : 04 93 00 43 84
Fax : 04 92 38 98 98
[email protected]
Mustapha KHADHRAOUI
Ingénieur Projets R&D
Tél. : 04 91 05 47 26
Fax : 04 91 05 46 17
[email protected]
Les matériaux intelligents
au service des capteurs mécaniques
Article tiré d'un rapport réalisé par Sandrine PERRATONE et Jérôme DUBOIS, étudiants de l'ISITV
Ils mesurent le déplacement, la vitesse, l'accélération, la force, la pression. Ces capteurs agissent comme de
véritables terminaisons sensorielles et sont utilisés dans de très nombreux domaines d'activités : militaire,
aéronautique, médical, robotique, nucléaire et bien sûr automobile. Pour remplir leur fonction, certains capteurs
utilisent les propriétés de matériaux dits "intelligents" (Cf. Info-Carma N°5). Ces matériaux voient leurs propriétés
physiques modifiées en réponse à des sollicitations naturelles ou provoquées (variation de température, de champ
magnétique ou électrique, de contraintes mécaniques). On dénombre pas moins de 10 types de capteurs différents
pour un véhicule automobile, mais comment fonctionnent-ils ?
Ü Les capteurs de pression
Ü Les capteurs de force
Il existe trois types de capteurs de pression :
Ÿ
Les capteurs de pression absolue qui mesurent une pression
externe relative à une pression zéro de référence.
Ÿ
Les capteurs de pression différentielle qui mesure la différence
entre deux sources indépendantes de pression.
Ÿ
Les jauges de pression : il s'agit d'un cas particulier des
capteurs de pression différentielle dont l'un des côtés est ouvert
à la pression atmosphérique.
Les capteurs présents sur le marché sont en général utilisables dans
ces trois configurations.
Le capteur piézo-résistif est constitué d'une membrane silicium
obtenue par micro-usinage chimique et d'une jauge de contrainte
diffusée par implantation ionique sur cette membrane. L'épaisseur et
la dimension de la membrane dépendent de la gamme de pression
que l'on souhaite mesurer : cette épaisseur est de 25 µm pour un
capteur "1 bar". Sous l'effet de la pression, la membrane se déforme
et modifie par effet piézo-résistif la valeur des résistances de la
jauge. Cet effet piézo-résistif est généralement lu par un pont de
Wheatstone. La sensibilité des résistances à la pression dépend de
leur positionnement sur la membrane et de leur orientation par
rapport à la structure cristalline du silicium. De nombreuses
entreprises utilisent cette technologie pour les capteurs de pression
telles que Entran, Endevco, Motorola, Siemens, Bourdon Sedeme,
Fisher-Rosemount.
Les structures piézoélectriques utilisées comme élément sensible
dans les capteurs de pression assurent directement la transformation
de la contrainte, produite par l'application d'une force F, en un signal
électrique. Ainsi, une lame, découpée dans un cristal piézoélectrique,
perpendiculairement à l'un de ses trois axes électriques, munie
d'armatures métalliques, développe par compression (ou extension)
une polarisation diélectrique se
Les capteurs de pression
traduisant par l'apparition sur les
subminiatures ont un
armatures d'une charge Q = k*F
diamètre de la taille d'une
avec k constante piézoélectrique.
tête d'épingle et sont
L'élément piézoélectrique peut
utilisés pour les
être constitué de Zirconate de
expérimentations
Plomb (PbZrO3) ou de type
spatiales, les tests en
Tourmaline
:
soufflerie, les essais en
Na(Mg,Fe)3AI6[(OH)41(BO3)3lSi6
vols et les essais hautes
Ol8] (borosilicate complexe) qui
fréquences
permet des performances très
stables à long terme.
-2-
L'élément détecteur des capteurs est un pont résistif à 2 ou 4 jauges
de contraintes actives. Différents types de jauges sont utilisés :
jauges piézorésistives diffusées, à implantation ionique, en couche
mince, épitaxiales. Les jauges sont rapportées par collage soit sur
l'élément de transmission de la force soit sur une membrane ou une
structure soumise à une
contrainte
de
Les capteurs de force miniatures
cisaillement. La force à
sont principalement utilisés en
mesurer entraîne une
Formule 1, en tests aérospatiaux
déformation de l'élément
et dans l'industrie de process.
sensible proportionnelle,
donc une variation des résistances des jauges utilisées dans un
montage en pont. La tension de sortie du pont est proportionnelle à
la force à mesurer (Entran).
Il existe également des capteurs de force équipés de 4 jauges
actives collées mesurant la flexion ou le cisaillement du corps
d'épreuve. Cette combinaison élimine les phénomènes de friction et
assure un grand nombre de cycles, une résolution infinie et une
excellente précision (Bourdon-Sedeme).
Il existe des capteurs de force piézoélectriques dont l'élément
sensible en quartz (Brüel & Kjaer) est en forme de rondelles (dites
rondelles de charges lorsqu'elles ne doivent pas être sensibles aux
forces de compression axiales). Une forte précontrainte assurée par
deux écrous serrant la rondelle de charge permet d'en étendre
l'usage à la mesure de forces de traction et de compression : toute
force de traction est alors mesurée comme une diminution de la force
de précontrainte. Certains de ces capteurs peuvent également servir
de couplemètres piézoélectriques.
Les capteurs de force et de pression sont basés sur le même
principe de fonctionnement.
Dans les deux cas, le senseur est une entité mécano-détectrice,
composé d'un corps d'épreuve et d'un détecteur. Le corps d'épreuve
(poutre, coque, plaque ou membrane) traduit la valeur à mesurer en
un déplacement, des déformations ou des contraintes que le
détecteur transpose à son tour en une grandeur mesurable
électriquement. L'intégration corps d'épreuve-détecteur est fonction
du principe physique de détection mis en oeuvre.
La différence principale est liée à l'interface fluide-instrument qui est
directement le corps d'épreuve pour les capteurs de force et une
membrane séparatrice placée devant pour les capteurs de pression.
Le déplacement de cette seconde membrane est transmis au corps
d'épreuve par une liaison solide ou un volume de liquide.
Ü Les capteurs de vitesse angulaire
Un mouvement angulaire autour de l'axe de sensibilité du capteur
produit une différence de vitesse relative entre la masse du fluide
conducteur et le champ magnétique normalement appliqué qui se
déplace avec le boîtier du capteur (Endevco). Cette différence de
vitesse relative entre le fluide conducteur et le champ magnétique
crée un potentiel électrique à travers le conduit. Dans les
transformateurs associés aux capteurs MHD, le courant qui circule
autour du conduit est amplifié électromagnétiquement par
l'intermédiaire
d'un
Les capteurs de vitesse
transformateur intégral qui
angulaires sont utilisés pour
induit un courant à travers un
la recherche sur la sécurité
deuxième
bobinage.
Le
automobile, la stabilisation
courant de ce deuxième
de la visée dans les
bobinage est proportionnel à la
systèmes optiques et le
vitesse angulaire en entrée
pointage depuis des
dans le capteur avec une
systèmes spatiaux.
bande de fréquence d'environ
1 à 1 OOO Hz.
Certains capteurs de vitesse magnétorésistifs différentiels sont
constitués de deux résistors en série à base d'antimoniure d'indium
dopé d'antimoniure de nickel (InSb / NiSb) (Siemens). Sans champ
magnétique, leurs résistances respectives varient de 100 à 250 Ω
selon le capteur considéré. Ces capteurs sont passifs et doivent être
excités par l'électronique de conditionnement. Un aimant permanent
qui crée le champ magnétique est soit fixé sur la base du capteur soit
intégré dans le boîtier du capteur. Le capteur est enveloppé dans du
plastique pour le protéger des contraintes mécaniques. Il existe aussi
des capteurs magnétorésistifs à double différentiel. Ils sont
constitués de deux paires de magnétorésistance en InSb/NiSb dont
la résistance peut être magnétiquement contrôlée. Elles sont fixées
sur un substrat en silicium ou en ferrite. La résistance de base de
chaque élément varie de 80 à
90 Ω.
Ces capteurs peuvent servir de tachymètres qui mesurent des
vitesses de rotation stationnaires ou lentement variables, des
vitesses linéaires. Ils sont aussi utilisés comme capteur de position.
Ü Capteurs de déplacement
L'élément de mesure, un guide d'onde, est réalisé en alliage nickelfer (société Balluff). Un conducteur en cuivre est introduit dans ce
tube. La mesure est déclenchée par une brève impulsion de courant.
Ce courant crée un champ magnétique circulaire qui, du fait des
propriétés magnétiques du guide d'ondes, se trouve focalisé sur ce
dernier. Un aimant permanent faisant fonction de capteur de position
est placé au point de la trajectoire que l'on désire mesurer - Ses
lignes de champ sont perpendiculaires au champ magnétique produit
pair l'impulsion de courant et sont également focalisées sur le guide
d'ondes. Au voisinage du guide d'ondes, la superposition des deux
champs magnétiques entraîne une déformation élastique de la
microstructure par magnétostriction ce qui provoque une onde
mécanique se propageant des deux cotés. L'onde est amortie à une
extrémité du guide d'ondes et de l'autre coté, elle atteint le
convertisseur de signaux et déclenche un signal électrique par
inversion du phénomène de magnétostriction. Le temps mis par
l'onde pour aller de son point d'origine jusqu'au convertisseur est
directement proportionnel à la distance séparant l'aimant du
convertisseur. Sa mesure permet donc de déterminer avec une
grande précision la distance. La célérité de l'onde mécanique est
insensible aux agents extérieurs (température, poussières,
secousses). Ces capteurs présentent donc une grande immunité aux
perturbations.
Il existe également des capteurs de position sans contact par effet
magnétostrictif (La société MTS distribuée par Cigierna). Leur
fonctionnement se fait sur le même principe que les capteurs
précédemment décrits, la position de l'aimant cylindrique est
déterminée avec une grande précision en mesurant le temps entre
l'impulsion initiale et l'impulsion résultante. Les capteurs de position
sans contact permettent donc un fonctionnement sans la moindre
usure du composé sensible.
Les capteurs à piste plastique résistive sont constitués d'un
support en Kapton sur lequel est déposée une pâte résistive qui
incorpore un liant plastique et du carbone (VISHAY Sfernice). Leur
principe de fonctionnement est de traduire un mouvement mécanique
(rotatif ou rectiligne) en un signal électrique. Pour ce faire, la piste
résistive est placée sur la partie fixe du capteur et le mouvement
mécanique à mesurer est accouplé à un équipage curseur qui se
déplace sur la piste résistive. Le potentiomètre alimenté par une
tension continue stabilisée est traversé par un courant faible
(quelques µA). Il permet d'obtenir entre l'une des bornes et celle
reliée au curseur une tension de sortie qui est fonction de la position
de ce curseur sur la piste. Certains capteurs à magnétorésistance,
qui sont uniquement des capteurs
de position, possèdent des
éléments sensibles réalisés en
films de pennalloy (Ni/Fe) déposés
sur un substrat de silicium qui forme
un résistor en pont de Wheatstone.
Ü Les accéléromètres
Accéléromètre
piézoélectrique
Accéléromètre
Capteur de
pression
Conditionneur
de signaux
Accéléromètre
Accéléromètre
triaxial
Accéléromètre
Les capteurs dans l'automobile
-3-
Accéléromètre
Capteur de
pression
Les
premiers
modèles
d'accéléromètres
piézoélectriques étaient des modèles à
compression : dans ce type
d'accéléromètre un disque de
céramique est pris en sandwich
entre la base cylindrique et la
masse sismique ; au cours de la
vibration, la céramique délivre une
charge électrique proportionnelle à
la force à laquelle elle est soumise
donc à l'accélération subie par la
masse sismique.
AGENDA DES
SALONS ET
MANIFESTIONS
Novembre - Décembre 1999
Ü FIDEST 99
Forum inversé de la sous-traitance
3 et 4 novembre à Marseille
Ü DECIMETAL 99
IVème convention d'affaires des
décideurs du travail des métaux
3 et 4 novembre à Roanne
Ü VITRUM
Salon international des machines et
équipements pour le travail du verre
3 au 6 novembre à Milan (Italie)
Ü EUREKA SALON MONDIAL DE
L'INVENTION, DE LA RECHERCHE
ET DE L'INNOVATION
INDUSTRIELLE
5 au 12 novembre à Bruxelles
(Belgique)
Ü PPMA SHOW
Equipements pour l'emballage de
produits alimentaires,
pharmaceutiques, chimiques
9 au 11 novembre
Manchester (Royaume-Uni)
Ü EUROSURFAS
Salon international des traitements de
surface
9 au 13 novembre
Barcelone (Espagne)
Ü EQUIPLAST
Salon international des machines et
équipements pour les industries du
plastique et du caoutchouc
9 au 13 novembre
Barcelone (Espagne)
Ü VIDEO-CONTROLLED
MATERIALS TESTING AND IN-SITU
MICROSTRUCTURAL
CARACTERIZATION
International workshop
16 au 18 novembre à Nancy
Ü CONCEPTION DE PIECES
PLASTIQUES
19 novembre à Mont
Ü CONIMAT 99
Les rendez-vous d'affaires sur les
matériaux et la sous-traitance
23 et 24 novembre à Issoire
Ü EUROMOLD
Salon européen du moulage, de
l'outillage, du design et
développement d'applications
1er au 4 décembre
Francfort (Allemagne)
Editeur : CARMA
1, Traverse des Brucs - 06560 VALBONNE
Directeur de la publication :
C. LENÔTRE - Président du CARMA
(suite de l'article page 3)
Il existe désormais des modèles dans lesquels la céramique ne travaille plus en compression mais
en cisaillement. Le plus souvent la céramique se présente sous la forme de plaquettes ou de tubes.
On trouve également des modèles coniques qui présentent l'avantage d'être moins sensibles aux
contraintes de base et aux sollicitations transversales grâce à leur symétrie radiale. De plus
l'élément conique est précontraint mécaniquement ce qui évite l'utilisation de colle qui impose des
limites d'utilisation en température.
L'élément détecteur des accéloromètres piézorésistif est un pont résistif à 2 ou 4 jauges de
contraintes actives. Différents types de jauges sont utilisés : jauges piézorésistives diffusées, à
implantation ionique, en couche mince, épitaxiales, … Les jauges sont soit rapportées par collage
sur un élément métallique solidaire du corps de l'accéléromètre, soit implantées ou diffusées
directement sur un élément en silicium. L'élément sensible est équipé d'une masse créant, sous
l'effet de l'accélération, une force de déformation proportionnelle. Cette déformation provoque les
variations de résistance des jauges donc le déséquilibre du pont et une variation de tension de sortie
lorsque le pont est alimenté.
Les adhérents du CARMA
CATALYSE
Catalyse, SARL au capital de 250 000 F créée en 1990 par Alain Périchaud, professeur à
l'Université de Provence, est une entreprise spécialisée dans l’étude et la recherche sur les
polymères. La société est très performante dans le domaine des polymères grâce à un personnel
très qualifié et à un équipement particulièrement bien adapté à cette spécialité. Catalyse propose à
ses clients (grands groupes industriels ou entreprises régionales) trois formes de collaboration
protégées par des accords de confidentialité :
R&D interne et externe, en chimie, plus particulièrement en chimie des polymères ;
Ingénierie analytique : identification et caractérisation de polymères, étude de processus de
dégradation et de vieillissement des polymères, contrôle qualité... ;
Formation : les techniques analytiques, la sécurité dans les laboratoires, les matières plastiques...
Contact : Stéphanie Daghurian - Tél. 04 91 06 13 89 - Fax : 04 91 10 64 45 - E-mail :
[email protected]
I.S.S.U.E.
Bureau d'étude et d'ingénierie, spécialisé dans les domaines des matériaux, chimie et
environnement, ISSUE propose aux entreprises différents services : analyses, expertises, missions
de développement technologique, mise à disposition de personnels scientifiques, veille
technologique. Ses ingénieurs-projets interviennent à différents niveaux : cahier des charges,
réalisation des plans d'expériences, bilans. ISSUE réalise ses missions au sein des laboratoires de
recherches partenaires, mettant à disposition des entreprises les ressources qui s'y trouvent.
Quelques exemples d'études déjà réalisées :
Matériaux : Suivi dynamique de la déshydratation par ESEM de grains d'alumine
Métallurgie : Analyse de la ségrégation dans un composite à matrice métallique
Micro-électronique : Mesure de variation d'épaisseur par TEM sur une couche de SiO2
Electronique : étude de la dégradation d'une résistance (époxy, métal, céramique)
Chimie : Recherche de traces dans des réactifs pour la microélectronique
Cosmétique : Recherche de PBO et d'acide benzoïque dans une cire.
Agro-alimentaire : Séparation et caractérisation d'un floculât dans une liqueur.
Contact : Alain CRUZ - Tél. : 04 91 10 01 48 - Fax : 04 91 100 100 - [email protected]
Le Net : quelques sites m@tériaux
Ÿ http://www.sous-traiter.com. Ce site regroupe les entreprises des spécialités de la sous-traitance.
Ÿ http://www.nmsi.ac.uk/on-line/challenge/. Un Musée des Sciences virtuel pour visiter une galerie
très colorée sur les matériaux et leurs applications, de Toutankhamon jusqu'à l'homme bionique.
Ÿ http://www.goodfellow.com/. Ce fournisseur de matériaux est spécialisé dans la vente de petites
quantités et peut aussi répondre à vos besoins spécifiques.
Ÿ http://www.trs-online.com . Site dédié aux traitementx de surface, riche en informations
techniques. Vous y trouverez un guide des compétences industrielles. Le forum de discussion
vient apparemment de redémarrer et est ouvert à toutes vos questions…. et réponses !
-4-