Comment fonctionne un capteur de force FSR ?

aperçu des principes de base des capteurs FSR, fonctionnement et utilisation

Ces dernières années, les capteurs imprimés, fins et flexibles connaissent un engouement croissant auprès des ingénieurs concepteurs. Cette popularité résulte notamment du développement de technologies intelligentes, légères et à faible consommation d’énergie, qui occupent désormais une place centrale dans la vie quotidienne. Ainsi, lors de la conception de ces appareils innovants, les composants intégrés doivent eux aussi répondre à des critères de compacité, de légèreté et d’efficacité.

Les résistances de mesure de force (FSR, ou Force Sensing Resistors) représentent une famille de composants intégrés en plein essor, incluant différents types de capteurs apparus principalement ces dernières années. Toutefois, la technologie FSR n’est pas récente : elle est utilisée depuis plusieurs décennies dans de nombreux domaines.

Principe de fonctionnement d’un FSR

La force peut être définie selon la formule bien connue F = m × a (masse multipliée par accélération), ou encore F = P × S (pression appliquée multipliée par la surface de contact). Les unités de mesure de la force comprennent notamment le Newton (N) et la livre-force (lbf).

Les capteurs FSR ne sont généralement pas pré-étalonnés et ne délivrent donc pas immédiatement une sortie directement exprimée en unités de force. Toutefois, il est possible d’étalonner leur signal de sortie en fonction de la force appliquée.

Basés sur la technologie piézorésistive, les FSR sont des éléments passifs présentant une résistance variable selon la force appliquée. Initialement, la résistance du capteur est élevée (plusieurs mégaohms, MΩ) en l’absence de sollicitation, et diminue (jusqu’à quelques kiloohms, kΩ) lorsqu’une force est exercée. En considérant la conductance (l’inverse de la résistance), la réponse du capteur présente une proportionnalité avec la force appliquée, dans la plage de force prévue pour chaque modèle.

Étape d’étalonnage d’un capteur FSR

Grâce à leur conductance linéaire, les capteurs FSR FlexiForce peuvent être étalonnés avec seulement deux ou trois charges de référence. Le processus d’étalonnage peut être réalisé de manière simple et précise. Par ailleurs, si le circuit embarque des composants ajustables, la sensibilité du capteur peut être adaptée pour optimiser les performances dans la plage de force souhaitée.

Fabrication des capteurs FSR

Les FSR sont constitués d’un matériau ou d’une encre semi-conductrice disposé entre deux substrats minces. Deux technologies principales coexistent : le mode shunt et le mode thru.

Les capteurs en mode shunt sont composés de deux membranes séparées par un fin espace d’air. L’une accueille deux ensembles de pistes croisées, isolées électriquement, tandis que l’autre est dotée d’une encre résistive spéciale.

De leur côté, les capteurs en mode thru reposent sur des circuits imprimés flexibles utilisant un film de polyester et des disques d’argent avec pistes conductrices, disposés au-dessus et en-dessous d’une couche sensible à la pression et d’un polymère conducteur. Une couche adhésive maintient l’ensemble.

Les résistances de détection de force en mode shunt sont des dispositifs à couche épaisse en polymère constitués de deux membranes séparées par un mince espace d'air. L'une des membranes comporte deux ensembles de traces entrecroisées qui sont électriquement isolées, tandis que l'autre membrane est recouverte d'une encre résistive texturée spéciale.

Les résistances de mesure de force en mode traversant sont des circuits imprimés flexibles qui utilisent un film de polyester comme substrat extérieur. Des disques d'argent avec pistes conductrices sont positionnés au-dessus et au-dessous d'une couche sensible à la pression et d'un polymère conducteur. Une couche adhésive permet de contrecoller les deux couches du substrat.

FSR monopoints et FSR matriciels

Les capteurs FSR peuvent être conçus avec une zone sensible unique ou sous forme de matrices, permettant de cartographier la distribution de pression sur une surface. Ces matrices sont également connues sous le nom de technologies de cartographie de pression.

Les capteurs FlexiForce™ de Tekscan illustrent la technologie en mode thru. Leur souplesse, leur simplicité de fonctionnement et leur compatibilité avec des circuits de conditionnement simples en font des solutions adaptées à l’intégration dans des dispositifs intelligents soumis à des contraintes d’espace et de consommation énergétique. Par ailleurs, leur personnalisation est aisée : forme, dimensions, sensibilité, connexion électrique et température de fonctionnement peuvent être adaptées à chaque application.

Comparaison de la précision entre les technologies FSR

L’article détaille les différences de performances entre les capteurs FSR en mode shunt et ceux en mode thru. Ces différences concernent notamment la linéarité, la dérive, la précision, la plage dynamique, la dépendance à la surface de contact ainsi que d’autres critères essentiels, validés par des experts indépendants.

Applications des capteurs FSR

Les applications des capteurs FSR se diversifient continuellement, mais la majorité d’entre elles se classent en quatre grandes catégories :

Détection ou mesure du taux de variation de force
Détection de contact et/ou de toucher
Détection de seuils de force pour déclencher une action (ex : applications IoT)

En synthèse, les capteurs de force FSR offrent des solutions souples, compactes et facilement intégrables pour la mesure et la détection de force dans de nombreux secteurs industriels et technologiques.