Université de Franche-Comté

Cellules de mesure de force ultrasensibles

Des chercheurs du département AS2M de l’Institut FEMTO-ST ont mis au point une technologie hybride de fabrication de cellules de mesure de force, combinant technologie silicium et micromécanique. Ces cellules sont réalisées par micro-assemblage de microjauges de contrainte piézorésistives sur un corps d’épreuve déformable, de dimension centimétrique. Cette technologie hybride a permis de relever un défi proposé par l’entreprise suisse Alemnis AG, dans le cadre du projet Interreg CITHaDel, liant également le centre de recherche suisse EMPA, l’entreprise bisontine Percipio Robotics et une équipe de l’Institut FEMTO-ST menée par Emmanuel Piat, chercheur en microrobotique et enseignant à l’ENSMM. « Peu d’entreprises fabriquent ce type de cellules dans le monde ; il s’agit pour les membres du consortium de développer un savoir-faire transfrontalier franco-suisse spécifique pour obtenir des cellules plus performantes que celles existant sur le marché. »
Déterminer des faibles forces est indispensable si on souhaite caractériser les propriétés mécaniques d’un matériau aux petites échelles. Cependant la force n’est pas une grandeur physique directement mesurable car elle est forcément déduite d’une interaction : c’est l’évaluation de la déformation élastique du matériau d’un corps d’épreuve, soumis à une action mécanique, qui permet de déduire la force qui s’applique sur le matériau à caractériser. Les déformations du corps d’épreuve sont captées par des jauges de déformation placées à l’intérieur de la cellule, qui convertit l’effet de la force en signal électrique mesurable.

Plus le matériau est rigide, plus la sensibilité de la cellule doit être grande pour réussir à mesurer les déformations subies. Cette règle est d’autant plus contraignante que l’échelle de travail est petite et les variations infimes. Elle concerne au plus haut point l’entreprise Alemnis AG, qui porte le projet côté suisse : spécialisée dans la caractérisation des propriétés micro- et nanomécaniques des matériaux dans des conditions environnementales variées, elle souhaite disposer de cellules de mesure de force dont le corps d’épreuve ne se déforme quasiment pas.

Les différentes cellules de mesure de force que les chercheurs ont mises au point présentent des architectures spécifiques sur lesquelles sont assemblées, en des points très précis grâce aux compétences de l’entreprise Percipio Robotics, des jauges de déformation piezorésistives qui ont été spécialement fabriquées en laboratoire pour ce projet. Une première version utilisant des jauges disponibles dans le commerce a permis d’approcher l’objectif fixé par le cahier des charges et d’évaluer le potentiel des solutions retenues. D’autres prototypes, 1-axe et 3-axes, munis de jauges fabriquées en laboratoire, sont en cours de tests avec pour ambition d’aller au-delà de la raideur de 250 kN/m imposée par le cahier des charges initial pour le corps d’épreuve.

La cellule 1-axe promet une sensibilité 40 fois supérieure à celle du premier prototype, toujours pour une raideur mécanique de 250 kN/m. La raideur de la cellule 3-axes est portée à 1 100 kN/m, avec un gain en sensibilité de 27. Une technologie innovante et des résultats prometteurs, un pari remporté pour cette première étape de laboratoire.

Contact : Département AS2M - Institut FEMTO-ST UFC / ENSMM / UTBM / CNRS - Emmanuel Piat - Tél. +33 (0)3 81 40 27 95 - emmanuel.piat[at]ens2m.fr
retour