BR112015014358B1 - sensor de pressão aperfeiçoado com caixa estanque - Google Patents

Abstract

SENSOR DE PRESSÃO APERFEIÇOADO COM CAIXA ESTANQUE. A invenção se refere a um sensor de pressão que compreende um órgão eletrônico alojado dentro de uma massa de encapsulação (22), que compreende um corpo de prova (2) que compreende, em duas faces opostas, uma câmara de pressão de referência (14) e uma câmara de pressão a medir (8) que se comunica com o exterior da massa de encapsulação (22), o órgão eletrônico e a massa de encapsulação delimitando entre si um alojamento (28, 30) para gel, esse sensor compreendendo um orifício (34) que coloca em comunicação o alojamento (28, 30) para o gel com o exterior (6) da massa de encapsulação (22).

Description

[001] A presente invenção se refere ao domínio técnico dos sensores de pressão em especial, mas não exclusivamente dos sensores para a medição da pressão de um pneumático, por exemplo de um pneumático para equipamento de canteiro. Ela pode também ser utilizada em outros domínios, notadamente para a medição da pressão em um meio corrosivo, ou em um líquido.

[002] No pedido de patente francesa FR 0956796, já foi proposto realizar um sensor de pressão que utiliza um componente eletrônico disposto no interior de uma caixa estanque cheia com um líquido ou com um gel, essa caixa estanque compreendendo tipicamente uma membrana deformável sensível à pressão externa, e, portanto, própria para transmitir essa pressão externa para o corpo de prova via esse líquido ou esse gel. Tal fluido, substancialmente incompressível, retransmite de fato fielmente a pressão externa e pode vantajosamente ser escolhido entre os líquidos e/ou géis não corrosivos em relação aos diferentes elementos do componente eletrônico.

[003] Um elemento essencial do componente eletrônico é o corpo de prova deformável, sobre o qual é exercida a pressão a medir. Esse último compreende tipicamente um elemento do tipo com calibrador de tensões, próprio para transformar a deformação que resulta da pressão em um sinal elétrico com destino a meios de tratamento desse sinal. Em variante, o corpo de prova compreende um elemento de tipo piezelétrico.

[004] Na maior parte das vezes, o corpo de prova é feito de silício monocristalino, e compreende um microcircuito elétrico ou eletrônico realizados sobre uma de suas faces por uma ou várias tecnologias da indústria dos semicondutores (microgravura, circuito impresso, colocação química, etc...).

[005] De modo geral, os elementos principais do componente eletrônico, que compreendem geralmente tipicamente o corpo de prova e um ou vários substratos geralmente solidários desse corpo de prova formam um órgão eletrônico, ao mesmo tempo muito pequeno e relativamente frágil, que é alojado dentro de um a massa de encapsulação que permite sua proteção e sua manipulação, por exemplo uma massa de goma, de material plástico ou de resina. O componente eletrônico, formado pelo órgão eletrônico assim encapsulado, pode nesse caso ser manipulado sem risco de degradação.

[006] Uma massa de encapsulação compreende uma passagem de acesso fluídico a uma superfície de prova, sobre uma das faces do corpo de prova: a face de prova. A outra face, ou face de referência, compreende tipicamente uma superfície de referência que delimita em parte uma câmara de pressão de referência, estanque, para a realização de uma pressão de referência. É utilizada geralmente uma câmara que compreende um vácuo parcial, de modo que a pressão de referência varie muito pouco em função da temperatura do sensor.

[007] O espaço compreendido entre o órgão eletrônico e a massa de encapsulação forma um alojamento tipicamente cheio com gel no momento da encapsulação do órgão eletrônico. Esse gel preenche pelo menos uma, e às vezes duas funções:

[008] Por um lado, ele facilita a colocação no lugar da massa de encapsulação, reduzindo os riscos de degradação mecânica dos elementos do órgão eletrônico, que são relativamente frágeis, no momento da encapsulação. Por outro lado, para certas aplicações, ele permite colocar em um meio confinado não corrosivo um ou vários elementos do órgão eletrônico que são sensíveis à corrosão, por exemplo contatos elétricos com um ou vários microcircuitos elétricos.

[009] Um sensor tal como precedentemente descrito, que compreende um componente eletrônico mergulhado por exemplo dentro de um líquido não corrosivo, no interior de uma caixa estanque, pode notadamente ser utilizado em um ambiente corrosivo tal como aquele da indústria dos pneumáticos, devido à utilização de produtos químicos para a manutenção dos aros e dos pneumáticos.

[0010] Foi, no entanto, constatado, por ocasião de ciclos de pressão repetidos que compreendem grandes variações térmicas, por exemplo com temperaturas que vão até 60°C e acima que o sensor podia, depois de vários ciclos, fornecer informações de pressão erradas.

[0011] A invenção tem notadamente como objetivo resolver os problemas de confiabilidade de um sensor de pressão, por ocasião de ciclos de funcionamento repetidos em amplas zonas de temperatura.

[0012] Para isso, um objeto da invenção é um sensor de pressão que compreende um componente eletrônico que compreende um órgão eletrônico alojado dentro de uma massa de encapsulação, o órgão eletrônico compreendendo um corpo de prova, uma câmara de pressão de referência delimitada por uma superfície de referência sobre uma face de referência do corpo de prova, uma câmara de pressão a medir, que se comunica com o exterior da massa de encapsulação, delimitada por uma superfície de prova sobre uma face de prova do corpo de prova oposta à face de referência, o órgão eletrônico e a massa de encapsulação delimitando entre si um alojamento para gel, caracterizado pelo fato de que ele compreende um orifício que coloca em comunicação o alojamento para o gel com o exterior da massa de encapsulação, o sensor sendo configurado para que essa comunicação permita também realizar uma comunicação com equilíbrio de pressão entre o alojamento e a câmara de pressão a medir.

[0013] Foi de fato constatado de modo surpreendente que uma tal colocação em comunicação do alojamento para o gel com o exterior da massa de encapsulação, tipicamente com o líquido exterior, se traduzindo de algum modo por uma encapsulação menos forte do órgão eletrônico, permitir resolver os problemas devidos aos ciclos térmicos.

[0014] Sem estar ligado a uma interpretação especial única, foi estimado que ciclos térmicos de grande amplitude podem levar verossimilmente à introdução de líquido exterior dentro do alojamento para o gel. Em um ciclo térmico ulterior, esse líquido pode então se encontrar preso pelo gel, que, devido a sua grande viscosidade, pode desempenhar o papel de junta de estanqueidade. O líquido sendo impedido de se dilatar, disso pode resultar sobrepressões locais que são exercidas sobre o corpo de prova, induzindo um erro de medição da pressão real do fluido.

[0015] O termo “comunicação com equilíbrio de pressão” pode ser compreendido como uma comunicação fluídica e/ou por intermédio de um gel, sem estanqueidade mesmo parcial que se opõe à comunicação e ao equilíbrio de pressão.

[0016] De preferência, o orifício de colocação em comunicação do alojamento com o exterior da massa de encapsulação é disposto, em relação ao corpo de prova, no lado e em frente à face de referência. É de fato nessa zona, a mais afastada da câmara de pressão a medir, e tipicamente a mais confinada, que os riscos que líquido se encontre preso são os maiores.

[0017] De preferência, o orifício de colocação em comunicação do alojamento com o exterior da massa de encapsulação é disposto de modo que a câmara de referência se estenda entre o corpo de prova e esse orifício.

[0018] A massa de encapsulação circunda tipicamente toda a parte elementar da superfície de prova em um ângulo sólido de pelo menos 50 %, e de preferência pelo menos 60 % do ângulo sólido máximo. Ela está tipicamente em contato direto com uma borda do corpo de prova.

[0019] Em geral, o orifício tem uma seção circular de diâmetro compreendido entre 0,2 e 1,0 mm, por exemplo entre 0,3 e 0,8 mm.

[0020] É possível utilizar um, mas também vários orifícios de comunicação, o alojamento para um gel formando um espaço confinado na ausência desse ou desses orifícios. Em outros termos, é mesmo o orifício, ou a pluralidade de orifícios que permite a colocação em comunicação com equilíbrio de pressão do alojamento com a câmara de pressão a medir.

[0021] Se for o caso, o sensor da invenção compreende uma caixa estanque na qual é alojado o componente eletrônico, essa caixa compreendendo uma membrana deformável sob o efeito da pressão a medir, e sendo cheia com um fluido incompressível, por exemplo um líquido ou um gel, no qual é mergulhado o componente eletrônico.

[0022] Tal sensor pode ser utilizado em um meio muito corrosivo, visto que os elementos do órgão eletrônico não estão em contato com o meio corrosivo, mas sim com um líquido ou um gel de interposição, que tipicamente é escolhido entre os líquidos ou géis não corrosivos em relação aos diferentes elementos do órgão eletrônico. É possível utilizar, por exemplo, um óleo hidrocarboneto parafínico ou naftênico, que é quimicamente neutro.

[0023] A invenção tem também como objeto um pneumático que compreende um sensor de pressão para a medição de sua pressão interna, esse sensor sendo tal como precedentemente definido.

[0024] A invenção se refere finalmente também à utilização de um sensor tal como precedentemente definido para medir a pressão de um líquido, e em especial à utilização de um sensor que compreende um órgão eletrônico alojado dentro de uma massa de encapsulação, mergulhado dentro do líquido do qual se deseja medir a pressão.

[0025] A invenção será melhor compreendida com a leitura da figura única anexa, que é fornecida a título de exemplo e não apresenta nenhum caráter limitativo, que representa unicamente um sensor de pressão de acordo com a invenção que compreende um órgão eletrônico alojado dentro de uma massa de encapsulação, formando assim um componente eletrônico, esse componente eletrônico sendo mergulhado dentro de um líquido que enche uma caixa externa estanque.

[0026] É feito agora referência à figura 1, que representa notadamente um corpo de prova 2, disposto entre dois elementos estruturais, ou substratos 4 e 6, por exemplo em vidro. A face superior 12 do corpo de prova 2 ou face de prova 12 compreende uma superfície de prova 10, ao nível de um acamara de pressão 8 acessível a um líquido circunvizinho que enche o espaço 42, via um orifício 24.

[0027] A face do corpo de prova oposta à face de prova é uma face de referência 18 que compreende uma superfície de referência 16, ao nível de uma câmara de pressão de referência 14 estanque, disposta em frente à câmara de pressão a medir 8. A câmara de pressão de referência compreende tipicamente um gás sob um vácuo parcial, e mesmo profundo. Esse vácuo pode ser mantido, o elemento estrutural 6 sendo montado estanque com o corpo de prova 2, em uma zona periférica em torno da câmara de pressão de referência 14. Devido a esse vácuo parcial, a pressão do gás residual dentro da câmara de pressão de referência 14 só é pouco modificada por ocasião de uma subida de temperatura do sensor. Assim, quando a pressão a medir dentro da câmara de pressão a medir 8 evolui, a contrapressão sobre a superfície de referência 16 em frente à câmara de pressão a medir 8 permanece substancialmente constante, o que permite ligar a deformação do corpo de prova 2 à pressão dentro da câmara de pressão a medir 8.

[0028] O elemento estrutural 4 é ele também montado estanque por um lado com o corpo de prova 2, em tomo da câmara de pressão 8, e por outro lado com um elemento de sustentação metálico 20.

[0029] O corpo de prova 2 compreende também um microcircuito tipicamente eletrônico, não representado na figura, ligado a meios externos não representados de tratamento de um sinal correlacionado à pressão a medir, esse sinal sendo transmitido por meios de transmissão (por exemplo uma pluralidade de conexões elétricas) representados esquematicamente sob o número de referência 32.

[0030] O conjunto formado pelos elementos estruturais 4, 6 e 20, e pelo corpo de prova 2, com seu circuito eletrônico e suas conexões, forma um órgão eletrônico, alojado dentro de uma massa de encapsulação 22. O alojamento compreendido entre o órgão eletrônico e a massa de encapsulação 22, formado pelo volume inferior 28 e pelo volume lateral 30 é cheio com um gel de proteção no momento da encapsulação do órgão eletrônico. Esse gel permite notadamente limitar as tensões mecânicas e/ou térmicas sobre o órgão eletrônico durante a fase de encapsulação, e evitar sua degradação.

[0031] O componente eletrônico, formado pelo órgão eletrônico alojado dentro da massa de encapsulação 22 é mergulhado dentro de um líquido que enche todo o espaço 42 entre esse componente eletrônico e uma caixa estanque 38 que compreende uma membrana flexível 40 própria para transmitir a pressão externa ao líquido que enche o espaço 42 em torno do componente eletrônico, e que enche também a câmara de pressão a medir 8.

[0032] Quando a pressão externa à caixa 38 evolui, essa pressão se transmite automaticamente ao líquido compreendido dentro do espaço 42, via a membrana 40, a pressão desse líquido se exercendo também sobre a superfície de prova 10, dentro da câmara de pressão a medir 8. Essa pressão provoca então uma deformação do corpo de prova 2, que se traduz por um sinal correlacionado à pressão que é exercida dentro da câmara de pressão a medir 8, sinal que é transmitido pelos meios de transmissão 32 para meios de tratamento do sinal que permitem calcular a pressão dentro da câmara de pressão a medir 8, essa pressão senso substancialmente idêntica à pressão externa à caixa 38.

[0033] De acordo com a invenção, o sensor compreende um orifício 34 que coloca em comunicação o alojamento 28, 30 para o gel com o espaço 42 exterior à massa de encapsulação 22.

[0034] Foi possível constatar experimentalmente que tal orifício permitia resolver as disfunções do sensor de pressão por ocasião de ciclos repetidos que compreendem grandes amplitudes térmicas. É pensado que por ocasião de tais ciclos, líquido que provém do espaço 42 pode se infiltrar dentro do alojamento para o gel via a superfície superior 36 ou a superfície inferior 37 entre a parte superior do órgão eletrônico, o suporte metálico 20, e a massa de encapsulação 22, e termina por chegar notadamente dentro do volume inferior 28. Por ocasião do ciclo térmico ulterior, esse líquido pode se encontrar preso pelo gel que forma de algum modo uma junta. Esse líquido, fechado dentro de um volume determinado, pode nesse caso gerar uma sobrepressão por dilatação quando a temperatura aumenta notadamente dentro do volume 28. Essa dilatação é suscetível de deformar o órgão eletrônico e, portanto, o corpo de prova 2.

[0035] A realização de um orifício 34 permite evitar uma tal sobrepressão, o líquido podendo sair do alojamento para o gel via esse orifício 34.

[0036] A invenção não está limitada ao modo de realização apresentado e outros modos de realização aparecerão claramente ao profissional da área.

Claims (7)

1. Sensor de pressão que compreende um componente eletrônico que compreende um órgão eletrônico alojado dentro de uma massa de encapsulação (22), o órgão eletrônico compreendendo um corpo de prova (2), uma câmara de pressão de referência (14) delimitada por uma superfície de referência (16) sobre uma face de referência (18) do corpo de prova, uma câmara de pressão a medir (8), que se comunica com o exterior da massa de encapsulação (22), delimitada por uma superfície de prova (10) sobre uma face de prova (12) do corpo de prova oposta à face de referência (18), o órgão eletrônico e a massa de encapsulação delimitando entre si um alojamento (28, 30) para gel, caracterizado pelo fato de que ele compreende um orifício (34) que coloca em comunicação o alojamento (28, 30) para o gel com o exterior (42) da massa de encapsulação (22), o sensor sendo configurado para que essa comunicação permita também realizar uma comunicação com equilíbrio de pressão entre o alojamento (28, 30) e a câmara de pressão a medir (8).

2. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o orifício (34) de colocação em comunicação do alojamento (28, 30) com o exterior da massa de encapsulação é disposto, em relação ao corpo de prova (2), no lado e em frente à face de referência (18).

3. Sensor de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o orifício (34) de colocação em comunicação do alojamento (28, 30) com o exterior (6) da massa de encapsulação é disposto de modo que a câmara de referência (14) se estenda entre o corpo de prova (2) e esse orifício (34).

4. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o orifício (34) tem uma seção circular de diâmetro compreendido entre 0,2 e 1,0 mm.

5. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma caixa estanque (38) na qual é alojado o componente eletrônico, essa caixa (38) compreendendo uma membrana deformável (40) sob o efeito da pressão a medir, e sendo cheia com um fluido incompressível, por exemplo um líquido ou um gel, no qual é mergulhado o componente eletrônico.

6. Pneumático que compreende um sensor de pressão para a medição de sua pressão interna, caracterizadopelo fato de que o sensor de pressão é definido conforme qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Utilização de um sensor para medir a pressão de um líquido, caracterizadapelo fato de que o sensor é definido conforme uma das reivindicações 1 a 4.

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