Qu'est-ce qu'un capteur de force résistif et comment fonctionne-t-il ?

Un capteur de force résistif, ou FSR (Force Sensing Resistor), est un capteur passif mince à deux bornes dont la résistance diminue généralement quand la force appliquée sur sa zone active augmente. Il convient à la détection du toucher, de la présence, d'un niveau relatif ou d'un seuil dans un encombrement réduit. Ce n'est pas, par nature, un transducteur de force de précision : le poussoir, l'appui, la surface de contact, le circuit, la température, la durée de charge et l'étalonnage modifient tous le résultat. Pour évaluer un capteur de pression de siège FSR sur mesure, la frontière est nette : un FSR est pertinent lorsque la finesse et un signal lié à la force comptent davantage qu'une mesure absolue traçable.

Qu'est-ce qu'un capteur de force résistif FSR ?

Un capteur de force résistif transforme une sollicitation mécanique en variation de résistance électrique. Contrairement à une cellule de charge, il ne délivre pas directement une valeur de force étalonnée. Contrairement à un interrupteur à contact, il fournit une grandeur électrique continue au lieu d'un simple état ouvert ou fermé.

La plupart des FSR du commerce sont des composants souples en polymère. Ils comportent une zone active, deux bornes et une languette mince. La charge modifie les contacts conducteurs internes : le nombre ou l'efficacité des chemins de courant augmente, et la résistance entre les bornes baisse. Les guides FSR 400 Series Integration Guide d'Interlink Electronics et FSR 101 de Sensitronics décrivent ce comportement pour des constructions différentes.

Les expressions résistance sensible à la force et capteur de force à résistance désignent le même principe dans la documentation francophone. L'appellation capteur de pression à film mince demande davantage de prudence. La force s'exprime en newtons. La pression est une force divisée par une surface et s'exprime en pascals : 1 Pa = 1 N/m². Deux montages peuvent appliquer la même force totale et produire des sorties différentes si l'un concentre la charge avec un petit poussoir et l'autre la répartit dans une mousse.

Un FSR mesure donc la charge que sa géométrie de contact lui transmet; il ne mesure pas la pression indépendamment de la surface et de la mécanique. En outre, la recherche française sur « capteur de pression à film mince » renvoie aussi à des capteurs MEMS ou à des couches métalliques déposées sur un substrat rigide. Ce sont des technologies distinctes.

Dans un coussin de siège, un panneau de commande, un dispositif de serrage ou une pince robotisée, la raideur de la mousse, la tension du revêtement, la courbure, la précharge, le diamètre du poussoir et la flexion du support modifient la part de la charge externe qui atteint la zone active.

Construction d'un capteur de force résistif : que contient l'empilage ?

Il n'existe pas un empilage FSR universel. Sensitronics distingue notamment les constructions shunt-mode et thru-mode dans son guide FSR 101. Toutes deux utilisent un matériau résistif sensible à la force, mais les électrodes et le trajet du courant ne sont pas disposés de la même manière.

Une construction shunt-mode courante peut se représenter ainsi :

Charge normale appliquée
        ↓
Poussoir, pastille, mousse ou répartiteur de charge
        ↓
Film polymère de protection
        ↓
Encre résistive sensible à la force
        ↓  contacts conducteurs plus nombreux sous charge
Entretoise / jeu maîtrisé autour de la zone active
        ↓
Électrodes conductrices interdigitées
        ↓
Substrat souple et languette à deux bornes
        ↓
Adhésif et surface d'appui stable

Dans cet empilage, la couche sensible relie une part croissante des doigts d'électrode lorsque la charge augmente. La résistance équivalente entre les deux bornes diminue. Le pas des électrodes, la formulation de l'encre, la géométrie de l'entretoise, la forme de la zone active et le poussoir déterminent ensemble la courbe obtenue.

Dans une construction thru-mode, des matériaux conducteurs ou sensibles à la force sont placés entre des électrodes opposées; le courant traverse l'épaisseur de l'empilage. La compression augmente là encore les chemins de conduction disponibles, mais la géométrie et la courbe de réponse doivent être caractérisées séparément. Une spécification doit donc citer la construction ou la référence retenue : le seul sigle « FSR » ne constitue pas une définition de plan.

La zone sensible et la languette n'ont pas la même fonction. La force normale doit s'appliquer sur la zone active définie. Un pli vif, une traction au connecteur, un frottement répété ou le serrage de la languette peut endommager les pistes ou créer une résistance instable sans rapport avec la mesure. Rayon de courbure, décharge de traction, orientation du connecteur et zones d'exclusion doivent figurer sur le plan d'ensemble.

Fonctionnement d'un capteur FSR : de la force à la décision électrique

Un FSR fait varier une résistance; il ne produit pas de tension par lui-même. Une chaîne de mesure complète comprend au moins cinq étapes :

Charge externe
   → interface mécanique maîtrisée
   → résistance du FSR dépendante de la force
   → diviseur ou circuit de mesure de conductance
   → CAN / comparateur / contrôleur
   → estimation, classe ou décision de seuil étalonnée

Le mécanisme matériel est plus complexe qu'un contact qui se fermerait sous la pression. L'article de Paredes-Madrid et ses coauteurs publié en 2017 dans Sensors modélise à la fois la résistance de contact et des mécanismes d'effet tunnel quantique, au lieu de considérer un résistor parfaitement linéaire (DOI 10.3390/s17092108). Les encres commerciales diffèrent, mais la conséquence pratique reste la même : une conversion affine unique entre force et résistance ne doit pas être supposée.

La réponse présente généralement trois zones utiles à l'ingénieur :

1. Zone non chargée ou proche du seuil. La résistance est élevée et peut être difficile à distinguer d'un circuit ouvert. Une faible variation de contact ou de précharge peut provoquer une forte variation en pourcentage.
2. Zone de fonctionnement. La résistance baisse avec la force, souvent selon une loi non linéaire proche d'une loi de puissance. Le circuit et l'interface mécanique fixent la résolution exploitable.
3. Zone de saturation. Une force supplémentaire ne produit presque plus de variation électrique. Travailler trop près de cette zone réduit la marge de décision.

Lire un FSR avec un diviseur de tension

Un montage simple place le FSR côté alimentation et une résistance de référence côté masse :

Vcc ── FSR ──┬── Vout vers le CAN
              │
             Rref
              │
             GND

Pour cette topologie :

Vout = Vcc × Rref / (RFSR + Rref)

Quand la force augmente, RFSR diminue et Vout augmente. L'inversion du FSR et de Rref inverse le sens de variation de la tension. La résistance de référence se choisit autour de la plage de résistance que l'application doit distinguer; reprendre la valeur d'un tutoriel conçu pour une autre charge fausse la sensibilité attendue.

Un amplificateur opérationnel en transimpédance ou un circuit de mesure de conductance peut offrir une fonction de transfert plus utile sur une plage définie. Les guides d'intégration électrique de Tekscan traitent la sensibilité, le conditionnement, la marge de tension et l'étalonnage multipoint. Quel que soit le circuit, la tension d'excitation, la référence du convertisseur analogique-numérique, les courants de fuite, l'intervalle d'échantillonnage, le filtrage et la limite de courant font partie de la définition de mesure.

La sortie doit correspondre à la décision produit. Un siège ou un dispositif de serrage peut n'avoir besoin que de trois classes : non chargé, transition et chargé. Convertir chaque échantillon du CAN en newtons introduit une précision trompeuse si deux seuils validés, l'un à l'activation et l'autre au relâchement, sont plus robustes.

Épaisseur, répétabilité, hystérésis et dérive d'un capteur de force résistif

Une caractéristique FSR n'a de sens qu'avec ses conditions d'essai. L'épaisseur décrit l'intégration physique, pas la qualité de mesure. La répétabilité d'un même exemplaire ne garantit pas l'interchangeabilité entre pièces. L'hystérésis compare les trajets de charge et de décharge. La dérive décrit l'évolution de la sortie dans le temps sous une condition nominalement constante. Il faut donc préciser le montage, la charge, le circuit, la durée, l'historique des échantillons, la température et le mode de calcul.

Les valeurs suivantes sont des exemples publiés. Elles servent de repères de préparation, mais ne constituent ni des spécifications JASPER, ni des limites universelles. Elles ne sont pas directement comparables, car Interlink Electronics et Tekscan emploient des constructions et des protocoles différents.

La répétabilité appartient au système

Une ligne « +/-2 % » peut décrire les lectures répétées d'une seule pièce conditionnée dans un montage maîtrisé. Elle ne démontre pas que plusieurs capteurs restent interchangeables après montage sous une précharge variable. Les cycles répétés sur un assemblage, la dispersion entre capteurs et la dispersion entre assemblages finis doivent être séparés dans le rapport.

L'hystérésis réduit la marge de seuil

Pour une même force nominale, la sortie peut différer selon que la charge arrive par valeurs croissantes ou décroissantes. Un contrôleur qui utilise le même seuil à l'activation et au relâchement peut osciller sous l'effet du bruit ou des mouvements. Deux seuils distincts limitent ce phénomène, mais aucun traitement logiciel ne corrige une charge qui se déplace hors de la zone active.

Le fluage et la dérive comptent sous charge maintenue

L'étude de Paredes-Madrid et ses coauteurs publiée en 2017 dans Materials a évalué 32 échantillons FSR sous fluage et chargement dynamique. Elle met en évidence un comportement dépendant du temps, de l'historique de charge et des conditions électriques (DOI 10.3390/ma10111334; version en libre accès). Un essai d'appui de 30 secondes apporte donc peu de preuves pour un siège ou un montage qui reste chargé pendant 4 heures. La durée de validation doit reproduire la fenêtre de décision prévue, puis mesurer la récupération après décharge.

L'intégration mécanique fixe souvent la limite de mesure du FSR

Une meilleure équation d'étalonnage ne compense pas un transfert de charge instable. Interlink Electronics et Tekscan insistent tous deux sur la géométrie du poussoir, la rigidité de l'appui, la position de la charge, les matériaux d'interface et l'étalonnage dans l'assemblage final.

Stabiliser la surface d'appui

Le support sous la zone active doit rester prévisible sur toute la plage de charge et de température spécifiée. Un boîtier souple peut absorber une partie de la force. Une particule prisonnière crée une précharge locale. Une surface courbe peut fléchir le capteur avant même l'application de la charge utile.

Définir le poussoir ou le répartiteur

Une pastille ou un bossage concentre la charge sur une portion maîtrisée de la zone sensible. Son diamètre, sa dureté, son rayon de bord, son alignement et sa course doivent être figés. Trop petit, il augmente la contrainte locale. S'il chevauche la bordure inactive, l'adhésif ou la structure périphérique peut reprendre une partie de la charge. Le guide d'intégration Interlink montre que la courbe dépend de la taille et de la forme de cet actionneur.

Maîtriser précharge, cisaillement et surcourse

La mousse, l'habillage, les joints et la compression d'assemblage peuvent charger le capteur en l'absence de sollicitation externe. Cette précharge doit être mesurée et intégrée à l'étalonnage. Les pièces mobiles doivent guider l'effort principalement en compression normale; un glissement déplace la zone de contact ou use le stratifié. En cas de surcharge possible, une butée mécanique doit reprendre la surcourse : le capteur ne doit pas servir de fin de course structurelle.

Figer les matériaux d'interface avant l'étalonnage

Modifier après étalonnage la densité de mousse, l'épaisseur d'adhésif, la dureté d'un élastomère, le film de couverture, le plastique d'appui ou une tolérance de boîtier déplace le transfert de force. La nomenclature maîtrisée doit inclure ces couches, même si elles ne font pas partie du capteur acheté.

Comment étalonner et valider un capteur FSR ?

L'étalonnage commence par une décision produit mesurable. « Mesurer précisément la pression » ne suffit pas. Une exigence telle que « passer à l'état occupé dans la condition de charge de siège convenue, rester stable pendant la durée spécifiée et revenir à l'état libre dans la fenêtre de décharge » peut être testée.

Le NIST décrit l'étalonnage des transducteurs de force comme l'établissement d'une relation entre des forces appliquées connues et la sortie mesurée. Lorsque le dispositif de lecture du client fait partie de l'étalonnage, cette relation vaut pour l'ensemble transducteur-lecture. Le même principe système s'applique ici : une courbe FSR appartient au capteur, à la mécanique, au circuit, au séquencement et au modèle d'ajustement utilisés pour l'établir.

Une démarche OEM exploitable comprend les étapes suivantes :

1. Définir la sortie. Choisir un état binaire, une classe relative, une tendance, une répartition multizone ou une estimation de force.
2. Construire un empilage représentatif. Reproduire l'appui, le poussoir, l'adhésif, la mousse, l'habillage, le connecteur, le circuit et l'échantillonnage logiciel prévus.
3. Conditionner de manière constante. Appliquer la procédure du fabricant du capteur retenu; les procédures Interlink et Tekscan ne doivent pas être mélangées sans justification.
4. Appliquer des charges de référence traçables. Couvrir la plage réellement utilisée, pas automatiquement toute la plage catalogue.
5. Mesurer la charge et la décharge. Répéter les cycles pour révéler l'hystérésis et la répétabilité à court terme.
6. Ajouter maintien et récupération. Maintenir des charges représentatives pendant la durée prévue, décharger, puis suivre le retour vers la ligne de base.
7. Faire varier pièces et assemblages. Inclure plusieurs capteurs, les tolérances de l'empilage, l'électronique et plusieurs montages.
8. Solliciter l'environnement. Déduire température, humidité, vibration, exposition aux fluides ou vieillissement de l'analyse de risques du produit.
9. Fixer les limites d'acceptation. Définir marge de décision, erreur, transitions fausses, traitement hors plage et critères de réétalonnage.
10. Valider des unités représentatives de la production. Utiliser la révision de plan, la nomenclature, l'assemblage et le logiciel destinés à la série.

Matrice d'essais représentative de l'application

La page planification des essais et de la validation donne un cadre plus large, tandis que le prototypage destiné à la production permet de figer l'interface mécanique avant de libérer les seuils logiciels ou l'outillage. Une page de capacité ne remplace jamais le plan d'essais du projet ni un rapport approuvé.

Capteur FSR, cellule de charge ou capteur à membrane de contact ?

Le bon choix dépend de la décision que le produit doit prendre. La faible épaisseur favorise un FSR, mais elle ne prime pas sur les exigences de métrologie, de stabilité ou de sécurité.

Un FSR n'est pas le bon choix pour une pesée réglementée, une force de laboratoire traçable, une précision absolue serrée malgré une géométrie de contact variable, ou une charge maintenue avec très peu de dérive admissible. Une cellule de charge constitue alors un meilleur point de départ. Si seul un changement d'état est nécessaire, un capteur à membrane de contact ou une architecture de capteur d'occupation de siège peut éviter l'électronique analogique et l'étalonnage d'une force.

Où employer un capteur de pression à film mince de type FSR ?

Un FSR mince convient aux interfaces compactes dont l'empilage mécanique peut être maîtrisé :

• Détection de siège et de présence. Un signal lié à la force aide à distinguer les états libre et chargé, à condition de reproduire mousse, habillage, posture, précharge et durée. Dans l'automobile, le capteur reste un composant; l'intégrateur du siège ou du véhicule conserve la responsabilité de la logique, de l'analyse de sécurité, de la conformité et de la validation au niveau véhicule.
• Intensité d'appui dans une IHM. Un panneau peut distinguer plusieurs niveaux de toucher ou imposer un seuil volontaire lorsqu'un simple contact ne suffit pas.
• Surveillance du serrage ou de la préhension. Un montage peut suivre une force relative de fermeture si la position de l'actionneur et la géométrie de contact se répètent.
• Confirmation de présence d'une pièce. Un posage peut vérifier qu'un composant atteint une position chargée sans ajouter un transducteur volumineux.
• Détection souple multizone. Plusieurs zones actives peuvent comparer la répartition relative des charges, après caractérisation de la diaphonie, du routage et de l'étalonnage.

Cette technologie convient mal si le contact peut sortir de la zone active, si l'effort latéral domine ou si l'empilage étalonné ne peut pas être maintenu. Dans ce cas, redessiner le chemin de charge est plus utile que sélectionner une nouvelle courbe de résistance.

Quelles informations fournir pour l'étude d'un capteur FSR sur mesure ?

Un dossier exploitable décrit toute la chaîne de détection, pas seulement le diamètre de la zone active.

Avant une consultation de production, le chemin de charge et la matrice d'acceptation doivent être examinés avec le fabricant retenu. JASPER peut faire partie des options pour examiner le cahier des charges d'un capteur FSR sur mesure via la page consacrée au capteur FSR de pression de siège. Aucune performance propre à une entreprise ne doit être tenue pour acquise tant qu'elle ne figure pas sur un plan, une spécification ou un rapport d'essai approuvé.

Références clients nommées

Les références suivantes reprennent uniquement l'identité, le pays et le secteur fournis à l'équipe éditoriale. Elles ne constituent ni des études de cas, ni des recommandations, ni la preuve de l'emploi d'une même construction FSR.

Ces références n'établissent pas que chaque entreprise a utilisé le même capteur FSR. Les pièces, programmes, courbes de force, volumes, validations et recommandations nécessitent des preuves approuvées distinctes.

Examiner l'exigence avant de choisir le capteur

La décision produit, le chemin de charge, la durée de maintien, la géométrie de contact, le circuit et l'essai d'acceptation doivent être définis en premier. Ils déterminent si un FSR, un capteur à membrane de contact, un tapis multizone ou une cellule de charge est défendable. Le capteur se choisit après avoir fixé cette frontière, pas avant. D'autres contenus techniques seront regroupés dans le Blog JASPER en français.

Sources

1. Interlink Electronics, FSR 400 Series Integration Guide, document EIG-10000, révision C : .
2. Interlink Electronics, FSR 400 Series Data Sheet : .
3. Tekscan, FlexiForce Integration Guides : .
4. Tekscan, FlexiForce A201 Sensor Specifications : .
5. Sensitronics, FSR 101: Force Sensing Resistor Theory and Applications, révision 1.01 : .
6. Paredes-Madrid et al., « Underlying Physics of Conductive Polymer Composites and Force Sensing Resistors (FSRs) under Static Loading Conditions », Sensors, 2017, DOI 10.3390/s17092108.
7. Paredes-Madrid et al., « Underlying Physics of Conductive Polymer Composites and Force Sensing Resistors (FSRs). A Study on Creep Response and Dynamic Loading », Materials, 2017, DOI 10.3390/ma10111334, version en libre accès.
8. National Institute of Standards and Technology, Calibration of Force Transducers.

Questions fréquentes

Un FSR est-il identique à un capteur de pression ?

Non. Un FSR fait varier sa résistance selon la charge transmise à sa zone active, tandis que la pression est une force divisée par une surface. Un capteur de pression à film mince ne peut estimer une pression que si la surface de contact, la répartition de charge, la mécanique, le circuit et l'étalonnage sont définis pour cette mesure.

Un capteur de force résistif peut-il mesurer un poids avec précision ?

Un FSR peut fournir une sortie étalonnée liée au poids dans un montage maîtrisé, mais il ne constitue pas automatiquement une balance de précision. Si la traçabilité, la faible hystérésis et la stabilité à long terme sont prioritaires, une cellule de charge à jauges de contrainte est généralement un meilleur point de départ.

Pourquoi la résistance d'un FSR diminue-t-elle quand la force augmente ?

La force appliquée accroît les contacts conducteurs effectifs dans le matériau sensible et à l'interface des électrodes. Le mécanisme exact dépend de la construction; les travaux sur les FSR en polymère conducteur décrivent notamment une résistance de contact et des effets tunnel. La courbe force-résistance reste généralement non linéaire.

Pourquoi la sortie d'un FSR dérive-t-elle sous une charge constante ?

Des évolutions temporelles se produisent dans le matériau sensible et dans l'empilage mécanique, notamment la mousse, l'adhésif, l'élastomère ou le boîtier. Le circuit et la température peuvent aussi contribuer. L'assemblage complet doit être testé pendant les durées de maintien et de récupération prévues avant de fixer les seuils.

Quelle est l'épaisseur d'un capteur de force résistif ?

L'épaisseur dépend du modèle et de ce que le fabricant inclut dans l'empilage. Les exemples publiés donnent 0,203 mm (0.008 in.) pour le Tekscan A201 et environ 0,30 à 0,53 mm pour les géométries Interlink FSR 400 listées. Adhésifs, protections, connecteurs, tolérances et compression restent à maîtriser sur le plan.

Un FSR doit-il être étalonné ?

Oui, dès que la sortie sert à estimer une force, à classer un niveau ou à décider un seuil fiable. L'étalonnage doit reproduire le poussoir, l'appui, les matériaux d'interface, le circuit, le séquencement et l'environnement prévus. Une courbe de fiche technique aide à dimensionner le circuit, mais ne remplace pas la caractérisation de l'assemblage final.

Une seule courbe d'étalonnage convient-elle à tous les assemblages FSR ?

Seulement si une étude portant sur plusieurs pièces et plusieurs assemblages démontre une erreur ou une marge de décision acceptable. Dispersion des capteurs, précharge, position du poussoir, mousse, adhésif, appui, électronique, température et historique de charge peuvent déplacer la réponse. Certains produits exigent un étalonnage individuel; d'autres utilisent des limites validées ou des courbes par famille.

Quand faut-il préférer une cellule de charge à un FSR ?

Une cellule de charge est préférable lorsque l'exigence porte sur une force ou un poids absolu étalonné, la traçabilité, une dérive réduite, une meilleure linéarité ou un budget d'exactitude défini. Un FSR convient mieux lorsque finesse, souplesse, force relative ou détection de seuil priment et que le chemin de charge peut être maîtrisé.