Qu’est-ce qu’un appareil de mesure de contraintes ?
Les appareils de mesure de contraintes sont des dispositifs utilisés pour déterminer les contraintes appliquées à un matériau. Il en existe plusieurs types, divisées en fonction de leur objectif. Cependant, cette section décrit les appareils de mesure des contraintes en général.
Les contraintes peuvent être soit de compression, soit de traction. Toutefois, si l’une ou l’autre est trop élevée, elle peut endommager les composants. Outre les contraintes causées par des forces mécaniques externes, il existe également des contraintes résiduelles qui apparaissent dans un composant lui-même. Par exemple à la suite d’un traitement thermique ou de la formation d’une pellicule. Le renforcement des matériaux en verre ou en acier augmente la résistance d’un produit en créant délibérément des contraintes résiduelles de compression à la surface du produit.
Utilisations des appareils de mesure de contraintes
La mesure des contraintes est utilisée dans une variété de machines industrielles et de domaines de développement de produits, ainsi que dans le traitement thermique, le dépôt de films et le renforcement du verre. Dans le domaine de la recherche et du développement, la connaissance des contraintes générées dans un composant peut servir à vérifier la résistance du composant ou, à l’inverse, à réduire la géométrie inutile. Cela permet de réaliser des économies de poids et de coûts.
Dans l’industrie des semi-conducteurs, divers films minces sont déposés sur des tranches de silicium, et le dépôt génère des contraintes dans le produit. Une contrainte excessive peut entraîner le décollement du film, d’où l’importance du contrôle de la qualité par la mesure de la contrainte. Lorsque le verre est renforcé, la résistance est accrue en augmentant la contrainte de compression près de la surface. Des mesures de contrainte sont également effectuées après le processus de renforcement.
Principe des appareils de mesure de contraintes
Le principe des appareils de mesure de contraintes diffère selon la méthode de mesure. Ils détectent cependant tous la déformation qui se produit dans l’objet à mesurer. Il s’agit de la déformation d’un objet sous l’effet d’une force extérieure, telle que l’étirement, le rétrécissement ou la torsion.
La contrainte est la force par unité de surface et est calculée comme le produit de la déformation causée par la force externe et le module d’Young du matériau. Par conséquent, les appareils de mesure de contraintes ne mesurent pas directement la contrainte. En revanche, ils saisissent l’ampleur de la déformation causée dans un matériau par une force extérieure et la convertissent en une valeur de contrainte en la multipliant par le module d’Young.
Il existe plusieurs types de méthodes de détection des déformations, et les appareils de mesure de contraintes ont été développés sur la base de chacun de ces principes.
Types d’appareils de mesure de contraintes
Il existe plusieurs types d’appareils de mesure de contraintes, en fonction du produit à mesurer et de l’ampleur de la contrainte. Quatre méthodes sont décrites ici.
1. Jauges de contrainte
Elles sont utilisées pour mesurer les contraintes dans les composants structurels, par exemple. Elles permettent de détecter la déformation d’une pièce fixée à partir de la variation de la résistance électrique. La mesure des contraintes à l’aide de celles-ci ne peut être effectuée que sur les pièces auxquelles les jauges sont fixées. Les jauges de contrainte sont parfois utilisées pour vérifier l’analyse structurelle à l’aide de l’IAO.
2. Détection par infrarouge
La mesure des contraintes par infrarouge, comme les jauges de contrainte, est une autre méthode utilisée pour mesurer les contraintes dans les composants structurels. Lorsque les matériaux sont déformés par des forces externes, la température de surface change en raison des effets thermoélastiques. La mesure des contraintes par infrarouge détecte les contraintes à partir du changement de température à la surface de l’objet causé par la déformation. Les jauges de contrainte ne peuvent indiquer la contrainte qu’à l’endroit où elles sont fixées. En revanche, la mesure de contrainte par infrarouge peut mesurer une large gamme de contraintes.
3. Réflexion de la lumière laser
La mesure des contraintes par réflexion de la lumière laser sert à mesurer les contraintes lors du dépôt de couches minces. En comparant la réflexion de la lumière laser avant et après le dépôt, il est possible de déterminer le changement du rayon de courbure dû au gauchissement du substrat. On peut ensuite le convertir en contrainte du film causée par le dépôt. Ce type de mesure de contraintes sert à évaluer les plaquettes de silicium semi-conducteur et le verre trempé.
4. Diffraction des rayons X
Il s’agit d’une méthode de mesure qui utilise la diffraction des rayons X diffusés par l’irradiation d’un matériau avec un arrangement régulier d’atomes par des rayons X d’une longueur d’onde égale à la distance entre les atomes. La diffraction des rayons X est utilisée non seulement pour mesurer les contraintes, mais aussi pour l’analyse qualitative et quantitative des matériaux, le calcul de la taille des cristaux et de la distorsion du réseau, ainsi que pour de nombreuses autres analyses.