Article paru en juin 2006Grâce au "clou" le toucher électronique n'est plus un luxe
Baptisé "clou", le micro-capteur de force tri-axes du CEA/Léti peut être fabriqué collectivement à bas coût sur des tranches de silicium de 200mm. Ses applications sont multiples : caractérisation de surfaces et de textures, interfaces haptiques, reproduction du toucher humain
Une tige rigide, une membrane déformable fixée à sa partie supérieure, des jauges piézorésistives pour mesurer les déplacements selon les trois axes : le "Clou" du Léti est un modèle de simplicité et d'efficacité. "Nous n'avons rien inventé puisque le concept est antériorisé par une publication qui a plus de vingt ans, explique Patrice Rey, du Léti. De plus, le capteur est fabriqué en collectif sur des tranches de silicium de 100 mm, avec des procédés classiques."
Alors, où est l'innovation? D'abord, dans la taille sub-millimétrique du capteur; ensuite, dans des coûts potentiellement ultra compétitifs : "la fonction de mesure complète reviendrait 10 à 100 fois moins cher qu'avec les dispositifs actuels" estime Dominique David, qui suit au Léti le volet applicatif. Enfin, dans la plasticité du capteur vis-à-vis des multiples contextes dans lesquels il peut être employé : trois brevets ont déjà été déposés pour l'adapter à des applications étudiées avec des industriels.
Le Clou peut être utilisé seul, par exemple pour caractériser la texture d'une surface : textile, papier, plastique, métal Cette voie fait l'objet d'une collaboration avec l'ENS Paris. On peut aussi l'employer comme capteur de pressionminiature. Mais la voie royale, c'est l'association de plusieurs Clous dans des barrettes ou des matrices pour réaliser des "doigts électroniques" capables de reproduire en partie le toucher humain."Les capteurs de toucher des doigts sont distants de 1 mm les uns des autres, rappelle Patrice Rey. Nous avons déjà réalisé plusieurs dispositifs suivant cet espacement, là encore avec des procédés courants et peu coûteux."
La mesure de force tridimensionnelle s'élargit ainsi à la dynamique de mouvement d'un champ de pression sur le capteurs, très proche de ce que ressent un doigt qui effleure une surface. "Nous avons breveté une technique de mesure spécifique" annonce Dominique David. Premier pas vers un ordinateur qui non content de voir et d'entendre, pourrait aussi toucher !
Cette voie, que ne renieraient pas les auteurs de science-fiction, donne déjà lieu à plusieurs programmes : un projet européen dans lequel Unilever compte travailler sur la texture de ses cosmétiques, un projet académique sur l'amélioration du retour d'effort des outils de microchirurgie, plusieurs projets confidentiels avec des industriels français
L'Institut français du textile (IFT) s'intéresse de près au Clou, par exemple pour mesurer la pression exercée par des bas de contention. Et on pourrait multiplier les applications : évaluer la texture d'un yaourt, le confort du pied dans une chaussure, les efforts subis par une fixation de ski, la prise d'appel d'un athlète ?Nous apportons un outil de caractérisation là où la recherche était menée de manière empirique, et les applications d'un tel dispositif devraient être nombreuses et parfois inattendues" résume Dominique David.
Un capteur de pointe haute précision, haute résolution
La simplicité apparente du Clou ne doit pas occulter la complexité des mesures qu'il permet d'effectuer. Première difficulté : les efforts se transmettent-ils correctement entre la tige centrale, rigide, et la membrane déformable ? Deuxième difficulté : où placer les jauges piézorésistives pour restituer de manière fidèle les forces qui s'appliquent sur le capteur ? Troisième difficulté : sachant qu'un matériau neutre est presque toujours interposé entre le Clou et la surface à caractériser, comment éviter que le comportement mécanique de ce matériau ne fausse la mesure ? Le Léti, qui avait identifié ces obstacles, les a surmontés à l'issue d'études assez approfondies pour donner lieu au dépôt de plusieurs brevets. Il peut afficher ainsi des performances de mesure de très bon niveau : la sensibilité de mesure est de 30mV/V pleine échelle*, la précision de 10-3 **, la résolution de 10-5 ***, pour des forces pressions qui peuvent aller de quelques dixièmes à quelques dizaines de bars.
* Par exemple, pour un capteur dimensionné pour une pleine échelle de 10 bars, le signal en sortie du capteur soumis à 10 bars sera, pour une tension d'alimentation de 5V de 150mV.
** Par exemple, pour un capteur dimensionné pour une pleine échelle de 10 bars la connaissance du signal de sortie permet de connatre la pression à laquelle est soumise le capteur à "/-10mbars.
*** La résolution correspond à la variation minimum de la force ou de la pression que peut détecter le capteur. C'est le signal minimum qu'on peut distinguer du bruit. Toujours pour un capteur 10 bars, cette variation minimum sera de 0.1mbar.
