Capteur de film piézoélectrique et inclinomètre offrant des capacités de contrôle sensibles

Dans les applications robotiques, l'utilisation de capteurs en film piézoélectrique peut permettre aux robots d'avoir une dextérité semblable à celle des humains dans les mouvements de la main, et un retour tactile sensible est crucial. Les robots doivent être capables de détecter les changements de pression lorsqu'ils saisissent des objets, de contrôler efficacement la force de préhension et d'intégrer des inclinomètres pour améliorer leurs capacités de contrôle. Cela représente une étape importante dans le développement des robots. Les capteurs en film piézoélectrique offrent des capacités de détection de pression sensibles, et lorsqu'ils sont combinés avec des inclinomètres, ils ouvrent de nouvelles opportunités pour le contrôle des applications tactiles dans les robots. Cet article présentera le développement technologique et les applications des capteurs en film piézoélectrique et des inclinomètres, ainsi que les solutions proposées par Murata.

Matériaux de film piézoélectrique plus respectueux de l'environnement et à sensibilité accrue

Le film piézoélectrique est fabriqué à partir d'un matériau appelé acide polylactique (PLA), qui est un type de "polymère biodégradable" présentant une résistance et une malléabilité comparables aux plastiques conventionnels dérivés du pétrole. Il a attiré l'attention depuis environ 1995 et est maintenant largement reconnu comme un polymère respectueux de l'environnement. L'acide lactique contenu dans le PLA est produit par fermentation lactique par des bactéries lactiques, à partir d'amidon extrait de plantes. L'amidon est dérivé de la photosynthèse des plantes et, à part l'énergie utilisée dans le processus de fabrication, des matériaux neutres en carbone sont utilisés tout au long du cycle de fabrication, d'élimination et de décomposition, ne contribuant ainsi pas à l'augmentation du CO₂ atmosphérique.   Le PLA possède une grande transparence, une caractéristique que l'on ne trouve pas dans d'autres polymères biodégradables, avec une transmission de la lumière dépassant même celle de l'acrylique, atteignant 93 %. Le PLA est couramment utilisé dans des objets du quotidien tels que des boîtes d'œufs et des contenants à tomates que l'on trouve dans les supermarchés. Alors que le PLA est généralement utilisé comme un polymère à base de plantes à faible coût pour des objectifs écologiques, ses propriétés piézoélectriques lui confèrent des caractéristiques uniques.   La constante piézoélectrique (constante d piézoélectrique) du PLA est d'environ 7 à 12 pC/N, ce qui est relativement faible comparé à des matériaux comme le PZT. Cependant, le PLA possède une très faible permittivité relative, approximativement de 2,5, ce qui entraîne une constante de sortie piézoélectrique relativement élevée (égale à la constante g piézoélectrique, où g=d/εT). Par conséquent, le PLA présente une grande sensibilité en termes de sortie piézoélectrique. Comparativement, en considérant la constante de sortie piézoélectrique, le PLA est à peu près équivalent au fluorure de polyvinylidène (PVDF), qui possède une constante piézoélectrique quatre fois supérieure au PLA.   Les films piézoélectriques fabriqués à partir de PLA génèrent une polarisation proportionnelle à la déformation (étirement, contraction) de la surface du film en raison de la compression ou de la déformation. La polarisation génère des charges qui sont converties en tension par un convertisseur I/V, produisant ainsi une sortie de signal analogique. Cela permet la détection des changements de pression subis par le film piézoélectrique.

Capteurs souples en film piézoélectrique mince pour une détection de pression haute sensibilité

Le "Picoleaf" de Murata est un capteur fin et flexible développé grâce à la technologie piézoélectrique propriétaire de la marque, conçu pour une détection de pression haute sensibilité. Il est plus petit et plus fin que les capteurs traditionnels, offrant un gain d’espace d’installation tout en améliorant les performances d’assemblage et la durabilité. Le Picoleaf vise à améliorer la fonctionnalité, la facilité d’assemblage et la durabilité des produits nécessitant une interface homme-machine (HMI) pour la détection. Pour fonctionner comme un capteur, des électrodes sont imprimées ou laminées sur un film piézoélectrique organique mince et hautement flexible. Ce film peut être monté sur des dispositifs à l'aide de ruban adhésif double-face, éliminant ainsi le besoin d'une procédure de collage.   Picoleaf contribue à l’amincissement des dispositifs, permettant un gain d’espace même lorsqu’il est combiné avec des écrans et des panneaux tactiles. Grâce à sa haute sensibilité, Picoleaf peut détecter des pressions sur de grands écrans avec un seul capteur. Il peut également être utilisé pour détecter de minuscules déplacements à l’échelle du micromètre, les tremblements musculaires involontaires, la préhension manuelle maintenue lors d’actions, ainsi que des signaux physiologiques tels que le pouls humain.   Le Picoleaf possède des propriétés non-pyroélectriques, ce qui signifie qu’il ne se polarise pas en raison des variations de température, minimisant ainsi les variations de sensibilité et les interférences causées par des facteurs tels que la température corporelle, la lumière du soleil ou le chauffage des semi-conducteurs. De plus, Picoleaf présente une faible consommation d’énergie, avec une consommation nulle pour le dispositif capteur lui-même, et la possibilité de concevoir l'amplificateur pilote pour une consommation de courant faible (environ 10μA). Sa structure flexible lui permet d’être plié et attaché à des surfaces courbes de dispositifs très design.   Grâce à sa technologie piézoélectrique propriétaire, le Picoleaf de Murata peut être monté dans des espaces réduits. Comparé aux capteurs précédents, il atteint une finesse tout en améliorant l'assemblage et la durabilité. Picoleaf associe des circuits de détection pour obtenir des sorties basées sur la vitesse de déplacement du film piézoélectrique. Grâce à cette caractéristique de sortie, Picoleaf offre diverses applications de capteurs telles que la détection de pression, la détection de préhension et la détection de signaux biologiques.   Picoleaf peut être utilisé dans des applications de détection de pression, servant de capteur UI en détectant les variations de pression. Par exemple, en plaçant Picoleaf sur un stylet, il est possible de surveiller la préhension de la main de l’utilisateur. Sa fonctionnalité s’étend au-delà du tactile, car il peut éviter les actions involontaires en détectant la pression de la main.   De plus, Picoleaf peut être employé pour des applications de détection de signaux biologiques, en tirant parti de la haute sensibilité des capteurs à film piézoélectrique. Il peut servir de capteur pour détecter des signaux biologiques tels que "le pouls et la respiration". Plusieurs articles académiques ont déjà été publiés portant sur l’utilisation de capteurs piézoélectriques biodégradables pour surveiller les rythmes cardiaque et respiratoire à la surface du corps humain, confirmant l’exactitude de la détection des signaux biologiques par les capteurs piézoélectriques.   Murata propose une variété de formats de produits pour Picoleaf, y compris des éléments de capteur pouvant être directement attachés à la carte principale, ainsi que des éléments de capteur combinés avec un câblage, ce qui permet de séparer le placement du capteur de la carte. En outre, il existe des éléments de capteur combinés avec un câblage de montage de pièces, ce qui sépare encore davantage le placement du capteur de la carte, permettant une conception sans pièces montées sur la carte principale.   Le circuit de détection de Picoleaf se compose d'un convertisseur I/V et d'un circuit amplificateur. Lorsque le film piézoélectrique est déformé (en raison d'une force de pression ou d'une déformation entraînant un étirement ou une contraction), il produit une polarisation proportionnelle à la quantité de déformation appliquée. La charge générée par Picoleaf peut être convertie en tension via le convertisseur I/V, résultant en une sortie de signal analogique. Ce signal de sortie peut être amplifié et ajusté selon les besoins pour être traité par un ADC ou un CPU polyvalent, sans être affecté par la capacité du capteur et la capacité parasite. Actuellement, des circuits discrets sont recommandés, mais Murata développe un ASIC dédié pour Picoleaf incluant des fonctions de traitement de signal, dont la disponibilité est prévue pour 2025.

Les capteurs Picoleaf possèdent des capacités exceptionnelles de détection de déformation

Les propriétés piézoélectriques des capteurs Picoleaf permettent de détecter à la fois la "direction du déplacement" et la "vitesse du déplacement". Concernant la direction du déplacement, lorsque la déformation de type "pli montagne" est détectée, la direction du déplacement s'affiche du côté positif de la tension de référence de Picoleaf, tandis que si une déformation de type "pli vallée" est détectée, la direction du déplacement s'affiche du côté négatif. En plus de la direction du déplacement, la vitesse du déplacement peut être calculée en fonction de la tension de crête, qui augmente proportionnellement avec la vitesse du déplacement.   De plus, en utilisant la fonction de sortie inversée des capteurs Picoleaf, les actions de pression et de relâchement peuvent être appliquées de manière fluide pour basculer des interrupteurs dans les interfaces utilisateur. Si Picoleaf est monté sur un objet subissant une vibration périodique, il peut détecter cette vibration périodique et être ainsi utilisé comme capteur de détection d'état.   Avec une épaisseur de seulement 0,2 mm ou moins, Picoleaf est incroyablement compact avec des dimensions de 2x10 mm. Même lorsqu'il est combiné avec des écrans ou des panneaux tactiles, il permet un gain d'espace. Il peut également être fixé sur des surfaces incurvées d'appareils conçus avec des variations de hauteur, y compris des formes spéciales comme un enroulement autour d'objets cylindriques. Picoleaf bénéficie d'une haute sensibilité, capable de détecter des déplacements de l'ordre du micron. Un seul capteur peut détecter la pression sur toute la surface de grands écrans. Il peut être utilisé pour détecter des mouvements musculaires inconscients tels que des tremblements, des préhensions et des pulsations.   Grâce à ses propriétés non pyroélectriques, Picoleaf génère un bruit minimal puisqu'il n'y a pas de dérives causées par des facteurs thermiques tels que la température corporelle, la lumière du soleil ou les semi-conducteurs. Par conséquent, des algorithmes peuvent être construits plus facilement, et le capteur lui-même n'a aucune consommation d'énergie, tandis que le circuit de l'amplificateur de pilotage peut être conçu pour une faible consommation d'énergie (environ 10μA).

Picoleaf peut être utilisé pour diverses applications de détection de pression

La transparence de Picoleaf dépasse 90 %, ce qui lui permet d'être installé dans les zones des panneaux d'affichage transparents. En combinant la fonctionnalité UI de l'écran tactile avec les capacités de détection de pression de Picoleaf, une Interface Homme-Machine (HMI) différente des écrans tactiles ordinaires peut être atteinte, davantage basée sur les principes du comportement humain. Dans les applications, il peut être conçu comme une UI d'entrée fiable déclenchée par la détection de pression, utilisant la détection de déformation pour implémenter des dispositifs d'entrée tels que des stylos, et créant une véritable expérience de clavier logiciel en appliquant diverses fonctions de détection de pression.   Si vous rencontrez des difficultés pour concrétiser de nouveaux concepts portables, vous pouvez utiliser la structure légère, fine, courte et flexible de Picoleaf pour ajouter de nouvelles fonctionnalités tout en maintenant l'intégrité du design. La flexibilité d'installation de Picoleaf peut facilement résoudre des défis tels que les espaces restreints, les surfaces incurvées, et autres. En appliquant la détection de pression dans des espaces confinés et sur des surfaces incurvées pour créer des interfaces utilisateur avec une opérabilité fiable, et en incorporant des capacités de détection de port et/ou de prise en main (utilisant une sensibilité élevée), les dispositifs portables peuvent être utilisés pour détecter des signaux biologiques tels que le pouls et la respiration. Actuellement, un appareil de fitness équipé du capteur à film piézoélectrique Picoleaf de Murata est déjà disponible sur le marché.   Lors de la conception, Picoleaf peut également être utilisé pour donner aux produits robotiques un sens du toucher. En exploitant les caractéristiques de haute sensibilité de ces dispositifs, Picoleaf peut contribuer au développement de l'industrie robotique utilisant des informations tactiles. Picoleaf peut être appliqué aux extrémités des mains robotiques pour détecter les déformations causées par le contact avec des objets mous ou durs et ajuster la force de préhension en conséquence, permettant ainsi à une seule main robotique de saisir divers objets quelle que soit leur souplesse. Picoleaf peut être connecté à des robots télécommandés pour quantifier le retour tactile, fournissant des informations environnementales plus réalistes pour les pilotes en VR. Picoleaf peut également être fixé au câblage interne des robots opérateurs pour détecter des anomalies internes comme la détérioration du câblage.   Comparé à d'autres produits tels que les capteurs basés sur les contraintes, les capacités, les accéléromètres ou les logiciels mécaniques, Picoleaf a une taille standard de seulement 3x17 mm et une épaisseur de seulement 0,25 mm (colle arrière 0,1 mm). Il peut être assemblé à l'aide de rubans adhésifs et dispose de capacités de détection de force, avec une sensibilité allant jusqu'à 1μm et la capacité de détecter des données de vitesse de déformation. En conception de circuit, des composants standard peuvent être utilisés, avec une interface connecteur ZIF 4 broches, une tension typique de 3,3V pour Vdd, une consommation d'énergie inférieure à 10μA, un temps de réponse inférieur à 10 ms, et un support pour les designs incurvés, offrant ainsi plus d'avantages.

Les inclinomètres haute performance répondent aux exigences des environnements difficiles

Le SCL3300 inclinomètre, introduit par Murata, est un inclinomètre 3 axes haute performance. Ses dimensions sont seulement de 7,6×8,6×3,3mm (largeur × longueur × hauteur), et il propose un choix de quatre modes de mesure adaptés à diverses applications et exigences. Ce capteur présente un bruit ultra-faible, avec une résolution allant jusqu'à 0,001°/√Hz. Il est équipé d'une interface numérique SPI interne, de caractéristiques d'amortissement mécanique supérieures et d'une plage de température de fonctionnement de -40 à 125°C. La consommation de courant est seulement de 1,2 mA lorsqu'il est alimenté par une tension de 3,0 à 3,6V. Utilisant la technologie 3D-MEMS capacitive éprouvée, le SCL3300 offre des performances élevées et convient aux conceptions robustes et durables.   Le SCL3300 est idéal pour les applications nécessitant une grande stabilité dans des environnements hostiles, notamment la détection de niveau, la compensation d'inclinaison, le contrôle des machines, la surveillance de la santé des structures, les unités de mesure inertielle (IMUs), la robotique et les systèmes de positionnement/navigation.   Pour accélérer la vitesse de développement des produits, Murata a introduit la carte accéléromètre/inclinomètre numérique SCL3300-D01-PCB. Cette carte prend en charge un inclinomètre trois axes avec une plage de ±2,4g et est équipée du circuit imprimé porte-puce de la série d'inclinomètres numériques MEMS SCL3300. Le circuit imprimé porte-puce a pour but de faciliter la conception rapide de prototypes. La carte porte-puce SCL3300 inclut des capteurs et des conceptions de cartes de circuit soudées sur la carte de circuit, ainsi que des connecteurs et des composants passifs.   Un autre inclinomètre, BCGMCU, est la solution BCG de deuxième génération avec des performances améliorées. Il ouvre de nouvelles possibilités pour le suivi de l'état des personnes qui dorment dans les hôpitaux ou à domicile. Il peut détecter divers signaux biologiques tels que le rythme cardiaque, la fréquence respiratoire et le temps de respiration d'une personne en train de dormir, permettant de détecter lorsque quelqu'un quitte son lit et d'analyser l'état du sommeil. La solution BCGMCU se compose d'un microcontrôleur préprogrammé (BCGMCU-D01) et de l'inclinomètre SCL3300-D01, offrant une solution au niveau des composants adaptée aux fournisseurs de solutions logicielles, prestataires de services et intégrateurs de systèmes OEM.

Conclusion

Le capteur à film piézoélectrique Picoleaf de Murata, reconnu pour sa haute sensibilité et son respect de l'environnement, présente d'excellentes caractéristiques telles que sa petite taille, sa faible consommation d'énergie et sa grande sensibilité. Il peut être largement utilisé dans diverses applications de détection piézoélectrique, notamment les interfaces utilisateur tactiles, les dispositifs portables et la détection tactile robotique. Associé à l'inclinomètre haute performance SCL3300, il peut fournir une excellente capacité de contrôle pour les applications robotiques, faisant de lui un choix exceptionnel pour les applications concernées.