Comment fonctionne un capteur de force FSR ?

Ces dernières années, les capteurs imprimés, minces et flexibles ont suscité un véritable engouement dans la communauté des ingénieurs concepteurs. Cela s'explique en grande partie par l'essor des technologies intelligentes, légères et économes en énergie, qui sont désormais ancrées dans notre vie quotidienne. Naturellement, lors de la conception de ces appareils et produits compacts mais puissants, les composants intégrés qui en font des innovations révolutionnaires doivent également partager ces mêmes caractéristiques.

Les résistances de mesure de force (FSR - Force Sensing resistors), constituent un groupe important et croissant de composants intégrés, regroupant plusieurs types de capteurs apparus, pour beaucoup, au cours des dernières années. Pour autant, les capteurs de force FSR ne sont pas du tout une nouvelle technologie. En réalité, on utilise ces composants depuis plusieurs décennies.

Cet article présente les bases de la technologie FSR, son principe de fonctionnement et ses possibilités d'utilisation pour mesurer la force comme composant intégré dans un appareil.

Comment un FSR mesure la force ?

Les ingénieurs ont pour la plupart appris que la formule de la force correspond à la masse d'un objet multipliée par son accélération (F=M*A), ou à la pression appliquée multipliée par la surface de contact (F=P*S). Il existe plusieurs unités pour exprimer "F" dans ces équations, notamment le Newton (N), la livre-force (lbf), etc.

En tant que telles, les résistances de mesure de force FSR ne sont pas pré-étalonnées. Elles ne permettent pas une lecture immédiate de leur sortie en unité de force. L'étalonnage du signal de sortie du capteur FSR en fonction de la force appliquée est toutefois possible.

Les résistances de mesure de force reposent sur une technologie de piézorésistive. Autrement dit, ce sont des éléments passifs qui se comportent en résistance variable dans un circuit électrique. Comme le montre la figure 1, lorsqu'il n'est pas sollicité, le capteur présente une résistance élevée, de l'ordre de quelques mégaohms (MΩ), qui diminue lorsqu'une force est appliquée, généralement de l'ordre de quelques kiloOhms (KΩ). Si l'on considère l'inverse de la résistance (conductance), la réponse du capteur en fonction de la force appliquée est proportionnelle dans la plage de force prévue pour le modèle.

Figure 1: Lorsqu'une force est appliquée au capteur de force FSR FlexiForce, la réponse de la conductance est linéaire en fonction de la force.

Comment étalonner un capteur de force résistif FSR ?

Grâce à la caractéristique linéaire de leur conductance, les capteurs de force FSR FlexiForce peuvent être étalonnés avec seulement deux ou trois charges de référence. Cet article explique en détail le processus d'étalonnage étape par étape.

De plus, si votre circuit est conçu avec des composants ajustables, la sensibilité du capteur peut être réglée pour une performance optimale dans une plage de force spécifique. Cet article apporte des précisions sur l'intérêt de la sensibilité réglable.

Comment les FSR sont-ils fabriqués ?

Les FSR sont constitués d'un matériau semi-conducteur - ou d'une encre semi-conductrice - placé entre deux substrats fins. Comme le montre la figure 2, il existe deux types de technologies de mesure de force FSR : le mode Shunt et le mode Thru.

Figure 2 : Ce graphique illustre les différences de conception des 2 technologies FSR.

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.

Capteurs de force FSR matriciels ou à monopoint

Les résistances de mesure de force peuvent être conçues comme des capteurs de force à zone sensible unique, ou sous forme de matrice permettant de capter la distribution de la pression sur une surface. Les matrices FSR sont communément appelées technologie de cartographie de pression.

Les capteurs FlexiForce™ de Tekscan sont une forme de résistance de mesure de force en mode thru. La flexibilité de cette technologie combinée à ses caractéristiques de fonctionnement et sa capacité de fonctionnement avec des circuits de conditionnement simples, en font une excellente option pour l'intégration dans des dispositifs intelligents avec des contraintes d'espace et de puissance. Les capteurs FlexiForce sont également très facilement personnalisables. La forme, les dimensions, la sensibilité, la connexion électrique et la température de fonctionnement peuvent être adaptés aux exigences spécifiques de votre application.

Figure 3: Examples of different force sensitive resistor technologies.

Comment les différentes technologies de détection de force se positionnent-elles en termes de précision ?

Cet article présente les différences entre les technologies FSR mode shunt et en mode thru, en termes de performance.

Les différences de précision sont importantes en matière de linéarité, dérive, précision, gamme dynamique, dépendance à la surface de contact et autres critères clés, validés par des experts indépendants.

Quelles sont les applications des capteurs FSR ?

Bien que de nouvelles utilisations de la technologie FSR sont découvertes chaque jour, la plupart des applications peuvent être classées dans quatre catégories principales :

La courte vidéo ci-dessous illustre ces différents cas d'utilisation des capteurs de force FSR FlexiForce de Tekscan :