Capteurs ultrasoniques flexibles en électronique imprimée : principes, architecture et perspectives

Capteurs ultrasoniques flexibles basés sur l’électronique imprimée

L’électronique imprimée permet aujourd’hui d’envisager une nouvelle génération de dispositifs capteurs : plus légers, plus souples, plus intégrables, et potentiellement plus économiques à produire à grande échelle.Dans cette dynamique, les capteurs ultrasoniques flexibles constituent une voie particulièrement prometteuse pour des applications de contrôle non destructif, de surveillance de structures, de mesure embarquée ou encore de diagnostic de matériaux.

Chez NeoTronis, nous nous intéressons au développement de ces architectures innovantes, en combinant substrats souples, matériaux fonctionnels imprimables et design électronique adapté aux contraintes mécaniques et acoustiques.

1. Rappel sur le principe d’un capteur ultrasonique

Un capteur ultrasonique fonctionne sur la base de la génération et/ou de la détection d’ondes mécaniques dont la fréquence est supérieure à la bande audible, généralement au-delà de 20 kHz, et souvent beaucoup plus dans les applications industrielles.

Spectre fréquentiel des ultrasons : du son audible aux hautes fréquences

Dans une architecture classique, un élément actif convertit :

• un signal électrique en onde mécanique (mode émission),

• ou une onde mécanique en signal électrique (mode réception).

Cette conversion repose le plus souvent sur un matériau piézoélectrique, capable de se déformer sous l’effet d’un champ électrique et, inversement, de générer une charge électrique lorsqu’il subit une contrainte mécanique.

Les ultrasons sont utilisés dans plusieurs fonctions :

• mesure de distance ou de position ;

• détection d’interface ou de défaut ;

• caractérisation de matériaux ;

• suivi d’intégrité structurelle ;

• détection de délaminage, fissuration ou inclusion ;

• instrumentation médicale ou wearable.

  
  

2. Pourquoi rendre ces capteurs flexibles ?

Les transducteurs ultrasoniques conventionnels sont généralement réalisés sur des structures rigides, parfois encombrantes, peu adaptées aux surfaces non planes.Or, de nombreuses applications nécessitent aujourd’hui une conformabilité mécanique :

• collage sur une surface courbe ;

• intégration sur une pièce légère ou flexible ;

• mise en place sur une structure mobile ;

• réduction de la masse et de l’épaisseur du système ;

• intégration discrète dans un produit existant.

Le passage à un capteur ultrasonique flexible permet donc de rapprocher le transducteur de la surface utile tout en minimisant l’impact mécanique sur le système surveillé.

Cette évolution est particulièrement pertinente pour :

• les matériaux composites ;

• les structures métalliques courbes ;

• les films techniques ;

• les applications portables ou embarquées ;

• les environnements où l’intégration est contrainte.

  
  

3. Apport de l’électronique imprimée

L’électronique imprimée consiste à déposer des matériaux fonctionnels sur un substrat via des procédés tels que :

• la sérigraphie ;

• l’inkjet ;

• la dispense ;

• le slot-die coating ;

• ou d’autres procédés d’impression fonctionnelle.

Dans le cas des capteurs ultrasoniques flexibles, cette approche permet d’imprimer tout ou partie des éléments suivants :

• pistes conductrices ;

• électrodes ;

• couches diélectriques ;

• couches actives fonctionnelles ;

• interfaces de connexion ;

• motifs spécifiques optimisant la propagation ou la réception du signal.

Les principaux avantages sont :

• Liberté de design

  • L’impression permet de concevoir des géométries spécifiques adaptées à la fonction visée : patchs, réseaux de transducteurs, électrodes segmentées, structures en matrice, etc.

• Compatibilité avec des substrats souples

  • Les structures peuvent être déposées sur des supports tels que :

    • Polyster ;

    • polyimide ;

    • TPU ;

    • autres films techniques.

• Réduction de l’épaisseur et du poids

  • L’architecture globale peut être beaucoup plus fine qu’une solution conventionnelle.

• Potentiel d’industrialisation

  • Les procédés imprimés sont compatibles avec des logiques de production semi-industrielle ou industrielle, notamment en roll-to-roll ou en fabrication par panneaux.

4. Architecture typique d’un capteur ultrasonique flexible imprimé

Un capteur ultrasonique flexible basé sur l’électronique imprimée repose généralement sur une architecture multicouche. À titre indicatif, on peut retrouver :

• Un substrat flexible

  • Support mécanique principal, assurant la tenue géométrique de la structure.

• Des électrodes conductrices imprimées

  • Réalisées par exemple à partir d’encres argent, carbone, cuivre ou matériaux conducteurs compatibles avec le procédé.

• Une couche active piézoélectrique ou électromécaniquement sensible

  • C’est elle qui assure la transduction électromécanique.

    Selon l’architecture, cette couche peut être imprimée, laminée ou intégrée sous forme de film.

• Une couche d’encapsulation ou de protection

  • Elle protège le système contre l’humidité, l’abrasion, les contraintes environnementales ou chimiques.

• Une zone de connexion

  • Permettant le raccordement vers l’électronique d’excitation, de lecture ou de traitement.

Architecture multicouche d'un capteur ultrasonique flexible imprimé

Selon le besoin, le capteur peut être conçu :

• en mode émission seule,

• en mode réception seule,

• ou en mode émission/réception.

Il est également possible d’imaginer des réseaux de capteurs pour effectuer du balayage, du monitoring multipoint ou de la localisation.

5. Enjeux techniques de conception

Le développement d’un capteur ultrasonique flexible ne consiste pas simplement à “rendre souple” un transducteur classique. Il faut prendre en compte plusieurs contraintes physiques et technologiques.

• Couplage électromécanique

  • Le rendement de conversion entre énergie électrique et énergie acoustique dépend fortement :

    • du matériau actif ;

    • de l’épaisseur des couches ;

    • de la qualité des interfaces ;

    • du niveau d’adhérence entre couches ;

    • de la géométrie des électrodes.

• Fréquence de résonance

  • La fréquence de fonctionnement est un paramètre central.Elle dépend notamment de :

    • la nature du matériau piézoélectrique ;

    • son épaisseur ;

    • la structure mécanique globale ;

    • les conditions de fixation ;

    • le milieu de propagation.

Sur un capteur souple, cette fréquence peut être influencée par la courbure ou par la déformation du support.

• Atténuation acoustique

  • Les matériaux polymères utilisés comme substrat ou encapsulant peuvent introduire des pertes acoustiques plus importantes que des structures rigides traditionnelles.Le choix des couches doit donc être optimisé pour préserver la qualité du signal.

• Stabilité sous flexion

  • Le dispositif doit conserver ses performances malgré :

    • les pliages ;

    • les contraintes cycliques ;

    • les variations de rayon de courbure ;

    • les cycles thermiques et hygrométriques.

• Connexion électrique

  • La zone d’interconnexion est souvent un point critique. Il faut garantir à la fois :

    • la robustesse électrique ;

    • la tenue mécanique ;

    • la compatibilité avec les procédés d’assemblage ;

    • et une bonne répétabilité.

      
      

6. Électronique associée au capteur

Un capteur ultrasonique flexible ne se limite pas à sa partie imprimée. Ses performances dépendent également fortement de l’électronique d’interface.

On retrouve généralement :

• un circuit d’excitation pour générer les impulsions électriques ;

• un étage de réception à faible bruit ;

• un conditionnement analogique ;

• éventuellement un filtrage et une amplification ;

• un convertisseur analogique-numérique ;

• et une chaîne de traitement numérique.

Selon l’application, il peut être nécessaire d’intégrer :

• mesure du temps de vol ;

• détection d’écho ;

• analyse d’amplitude ;

• traitement fréquentiel ;

• corrélation ;

• compensation de dérive ;

• algorithmes de diagnostic.

Chez NeoTronis, cette dimension système est essentielle : un bon capteur nécessite aussi une électronique de lecture adaptée, robuste et cohérente avec la physique du transducteur.

7. Cas d’usage et domaines d’application

Les capteurs ultrasoniques flexibles imprimés peuvent intéresser de nombreux secteurs.

• Contrôle non destructif (CND)

  • Inspection de pièces ou structures sans les détériorer, détection de fissures, délaminages, vides ou défauts internes.

• Structural Health Monitoring (SHM)

  • Surveillance continue de l’état d’une structure : composites, panneaux, cuves, pièces techniques, assemblages collés.

• Industrie et instrumentation

  • Mesure de présence, d’épaisseur, d’interface ou d’état matière dans des systèmes compacts.

• Mobilité et aéronautique

  • Intégration sur surfaces courbes, pièces allégées ou matériaux avancés.

• Dispositifs médicaux et wearables

  • Capteurs fins et conformables, adaptés à un contact avec des géométries complexes.

• Robotique souple

  • Intégration sur des systèmes déformables nécessitant des capteurs compatibles mécaniquement.

8. Verrous technologiques encore à lever

Même si cette technologie est très prometteuse, plusieurs défis restent à adresser pour passer du concept au produit industrialisable :

• maîtrise de la répétabilité des couches imprimées ;

• stabilité des performances dans le temps ;

• tenue environnementale ;

• optimisation du rendement acoustique ;

• fiabilité des interconnexions ;

• calibration des capteurs ;

• validation sur application réelle ;

• compatibilité avec les procédés d’assemblage client.

Le développement d’un capteur flexible performant nécessite donc une approche globale mêlant :

• science des matériaux ;

• procédés d’impression ;

• conception mécanique ;

• électronique analogique et numérique ;

• protocoles de test et de caractérisation.

  
  

9. L’approche NeoTronis

Chez NeoTronis, nous développons des solutions électroniques innovantes en combinant :

• électronique imprimée ;

• capteurs flexibles ;

• systèmes embarqués ;

• électronique de conditionnement ;

• prototypage fonctionnel ;

• validation expérimentale.

Notre objectif est d’accompagner les industriels et les porteurs de projets dans la conception de dispositifs sur mesure, depuis :

• l’étude de faisabilité,

• le choix des matériaux et de l’architecture,

• la conception du capteur,

• le développement de l’électronique associée,

• jusqu’au démonstrateur ou au prototype fonctionnel.

Les capteurs ultrasoniques flexibles représentent une illustration concrète de cette démarche : allier performance fonctionnelle, souplesse d’intégration et innovation procédés.

Conclusion

Les capteurs ultrasoniques flexibles en électronique imprimée ouvrent la voie à des systèmes de mesure et de surveillance nouvelle génération, capables de s’intégrer sur des surfaces complexes tout en conservant une architecture légère et fine.

Au-delà de la souplesse mécanique, l’intérêt de cette approche réside dans la possibilité de co-concevoir le capteur, son support, son électronique et son usage final, dans une logique de système complet.