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RÉSUMÉ
Le capteur assure la transformation d'une information extérieure en une grandeur compatible avec l'organe de traitement. Cet article décrit les capteurs élémentaires. Il commence par définir cette notion de capteur élémentaire et comment décomposer une chaîne globale. Puis il présente les principaux phénomènes exploités par les capteurs, en utilisant des propriétés spécifiques de matériaux. Enfin les technologies de capteurs relevant de la microélectronique sont étudiées plus en détail.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alfred PERMUY : Ancien élève de l’École normale supérieure - Docteur en Physique - Directeur technique SAFT Power Systems
-
Eric DONZIER : Ingénieur ESIEE - Directeur de recherche Schlumberger
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Fadhel REZGUI : Docteur en Physique - Responsable Technologie capteurs Schlumberger
INTRODUCTION
Dans tous les organes naturels ou artificiels, la relation de cause à effet peut se présenter sous la forme d’une succession d’organes de captation, de traitement et d’action. Pour le capteur qui assure la transformation d’une information « extérieure » en une grandeur compatible avec l’organe de traitement, nous retiendrons la définition donnée ci-après.
Nous appellerons capteur un sous-ensemble minimal de tout objet transformant une information représentée par une grandeur physique d’une certaine dimension (L x , M y , T u , I v ) en une grandeur physique de dimension différente (L x , M y’ , T u’ , I v’ ), ou sans dimension.
Par exemple, au sens de la définition précédente :
• Sont des capteurs :
-
un dynamomètre à ressort transformant une force (MLT −2) en déplacement (L),
-
un moteur transformant un courant (I) en couple mécanique (ML2T−2) ;
• Ne sont pas des capteurs :
-
un levier transformant un angle en angle ;
-
un transformateur électrique.
Il est clair que la fonctionnalité d’un capteur sera au moins définie par les dimensions des grandeurs d’entrée et de sortie ainsi que par la relation liant ces grandeurs.
Remarque : si, souvent, seule la grandeur d’entrée est donnée (on parlera de capteur de température, d’accélération, de pression) c’est que celle de sortie est considérée définie par le contexte d’utilisation. Du fait de la prépondérance des traitements de nature électronique, il s’agit le plus souvent d’une grandeur électrique.
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2. Principaux phénomènes exploités par les capteurs
2.1 Lois physiques générales
Nous ne reviendrons pas sur les lois physiques générales (équations de la mécanique, de la thermodynamique, de l’électromagnétisme), mais plus particulièrement sur celles exprimant des propriétés présentées par certains matériaux (pyroélectricité, piézoélectricité, ferromagnétisme, piézorésistance).
HAUT DE PAGE2.2 Propriétés spécifiques des matériaux
2.2.1 Transformation des déformations
-
Piézorésistance (ou élastorésistance)
La piézorésistance est la propriété exprimant la modification de la conductivité électrique d’un matériau sous l’effet d’une déformation.
Pour un fil en traction et pour une variation relative de longueur
, la variation relative de résistance est :
avec :
- G :
- grandeur sans dimension appelée facteur de jauge.
Cette variation de conductivité est liée à des effets purement géométriques (cas des conducteurs usuels) et à des effets dus à une modification des propriétés électroniques des matériaux (semi-conducteurs ou couches métalliques très minces, moins du micromètre).
ExempleExemples
-
Effet purement géométrique :...
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Principaux phénomènes exploités par les capteurs
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BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - WOLKENSTEIN (Th.) - Physico-chimie de la surface des semiconducteurs - . 335 p., Édition Mir Moscou, Russie (1977).
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(5) - MATSUOKA (Y.), NISHIARA (M.), SAKAMOTO (T.), IKEGAMI (A.) - Transmitter using diffused semiconductor strain gauges (Transducteur utilisant des jauges de contrainte à semiconducteur) - . Hitachi Review, vol. 30, no 6, p. 290-6 (1981).
-
(6) - MATSUOKA (Y.), NISHIARA (M.), SAKAMOTO (T.), IKEGAMI...
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