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Qu’est-ce qu’un accéléromètre piézorésistif ?

Un accéléromètre piézorésistif est conçu pour mesurer des phénomènes statiques et/ou dynamiques basse fréquence et chocs.

Ces accéléromètres utilisent la piézorésistivité, c’est-à-dire la variation de résistance électrique d’une jauge soumis à une force.

Comment fonctionne un accéléromètre piézorésistif ?

Ces accéléromètres utilisent la piézorésistivité.

Lorsque qu’une force est appliquée sur un corps élastique, sa longueur augmente et sa section diminue. En variant, ces deux dimensions 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 la 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+2x coefficient de Poisson).

La plupart des matériaux 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, (silicium) la variation de la résistivité est importante avec les contraintes, c’est ce qu’on appelle l’effet piézorésistif.

Les matériaux ayant une grande variation de résistivité sous contrainte sont appelés matériaux piézorésistifs. Le silicium est un matériau dont le facteur de jauge se situe entre +100 et+175 pour le type P et -100 et -140 pour le type N.

Les propriétés piézorésistives d’un matériau semi- conducteur au silicium sont caractérisées par la résistivité, elle-même déterminée par la concentration du dopant, elles dépendent également de la température.

Les performances d’un accéléromètre piézorésistif seront dès le départ dépendantes du type de jauge plate ou sculptée (les plus couramment utilisées), du silicium, de son dopage (un faible dopage étant le meilleur choix), mais également de la structure sur laquelle elles sont disposées ou incorporées (jauges sculptées).

Les caractéristiques dynamiques de la mesure (bande passante, étendue de mesure, dimensions et poids, environnements) sont aussi elles- mêmes dépendantes de la construction interne utilisée.

Qu'est-ce qu'une conception à jauges plates ?

Deux larges pattes de fixation sont réunies par un élément central étroit (partie active) sur laquelle sont concentrées les contraintes.

Elles sont fixées sur la partie entaillée d’une structure dont la « déformation » dépend de la masse sismique et du niveau de vibration ou choc.

Plutôt utilisées pour des étendues de mesure inférieure à 1000g avec une bande passante du 0 à environ 1000Hz.

Pour cette famille d’accéléromètres, certains modèles sont amortis (huile) et équipés de butés mécaniques, ne pas oublier que l’amortissement peut changer en fonction de la température et modifier la réponse en fréquence et la phase.

Les butées mécaniques, elles, entrainent un surpoids et dimensions mais protègent bien le capteur des chocs.

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Qu'est-ce qu'un conception à jauges sculptées ?

Ces jauges sont formées par dopage d’un élément silicium monolithique plat, ensuite sont gravées sur les parties non dopées les entailles libérant les jauges de contrainte et les masses sismiques.

Comme la masse, les jauges et le substrat sont une seule pièce de silicium monocristallin sans joint de colle.

Quelques soit le type de jauge et la structure mécanique utilisée, les jauges sont montées en pont de Wheatstone, ces accéléromètres sont alimentés par une tension continue en général 10V et fournissent une sortie pleine échelle de 100 à 500mV.

Comment choisir un accéléromètre piézorésistif ?

Tout dépend de l’application.

Pour une mesure d’accélération/vibration inférieure à 1000 g avec une réponse en fréquence de 0 à 2000 Hz, un accéléromètre à jauges plates devrait convenir, de préférence avec des butées mécaniques.

Pour une mesure de choc avec une déformation de la structure ce type d’accéléromètre devrait convenir.

Pour une mesure de choc de haut niveau, à 10000g ou plus de 1000000g il faut un accéléromètre à jauges sculptées, miniature, avec une fréquence de résonnance très élevée.

Quels sont les domaines d’applications des accéléromètres piézorésistifs ?

Les applications pour cette technologie d'accéléromètres sont très différentes :

  • test d’environnement pendant le transport
  • mesure d’accélérations transitoires de structures
  • biomécanique
  • analyse modale, équipement de mannequins anthropomorphiques pour « crash test »
  • mesure de transitoires longue durée

Une application très différente est la mesure de chocs très importants pouvant dépassés 100000g, beaucoup de ces applications concernent les équipements militaires.

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