BR112016009045B1 - sensor de pressão incluindo uma estrutura para controlar uma camada adesiva resistente a variações de temperatura e método para fabricação de um sensor de pressão - Google Patents

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BR112016009045B1
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Sebastiano Brida
David Seyer
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Auxitrol S.A
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Abstract

SENSOR DE PRESSÃO INCLUINDO UMA ESTRUTURA PARA CONTROLAR UMA CAMADA ADESIVA RESISTENTE A VARIAÇÕES DE TEMPERATURA. A presente invenção refere-se a um sensor de pressão incluindo: um elemento sensível que inclui um substrato de montagem, o dito substrato de montagem incluindo uma superfície superior e uma superfície inferior, o elemento sensível ainda incluindo um diafragma deformável que é conectado à superfície superior do substrato de montagem; um invólucro, no qual o elemento sensível é colocado, o dito invólucro incluindo uma base; uma estrutura intermediária coloca-da entre a base do invólucro e o substrato de montagem, a dita estrutura intermediária incluindo uma base, a base incluindo uma superfície superior e uma superfície inferior que é conectada à base do invólucro, a dita estrutura intermediária sendo configurada como para manter o substrato de montagem a uma distância predeterminada da superfície superior da estrutura intermediária; e uma camada adesiva se estendendo na superfície superior da estrutura intermediária. A dita camada adesiva tem uma espessura controlada pela distância predeterminada na qual o substrato de montagem é mantido da superfície superior da estrutura intermediária. A invenção também se refere a um método para fazer tal sensor de pressão.

Description

Campo técnico geral
[0001] A invenção refere-se a um sensor de pressão compreendendo um substrato de suporte e uma membrana deformável dispostos no substrato de suporte.
Técnica anterior
[0002] Em relação à figura 1, um sensor de pressão compreendeum elemento sensível 1 compreendendo uma membrana deformável 10 do qual a deformação é representativa de pressão aplicada nele. A membrana é colocada em um substrato de suporte 11 tipicamente feito em um material com uma base de vidro. A membrana 10 ainda suporta elementos para medir a pressão 12a, 12b, 12c.
[0003] O elemento sensível 1 é montado em um invólucro metálico2. O substrato de suporte é conectado ao invólucro pela parte interme-diária de uma camada adesiva 3, por exemplo, com uma base de silicone que tem propriedades flexíveis quando submetidas a variações em temperatura (cola de silicone RTV).
[0004] O uso dessa camada adesiva 3 participa na precisão dosensor.
[0005] Ainda, a precisão do sensor é sensível aos ciclos térmicose uma variação na temperatura induz uma restrição entre o elemento sensível e o invólucro (restrição devido a uma diferença entre aos coeficientes de expansão térmica dos dois materiais); essa restrição é transmitida pelo substrato de suporte 11 e cria uma tensão mecânica e, assim, uma deformação mecânica da membrana deformável 10, deformação que é transmitida nos elementos para medir pressão e que gera uma compensação residual do sinal derivado do elemento sensível, uma compensação residual não zero que é proporcional às variações na temperatura aplicada às tensões induzidas pelas restrições termomecânicas.
[0006] Essa restrição pode, entretanto, ser mais ou menos absorvida pela camada adesiva 3.
[0007] Entretanto, se a espessura da camada adesiva for muito fina, a restrição é parcialmente transferida ao elemento sensível e cria uma deformação nesse elemento sensível, a deformação que gera, nos elementos para medir a pressão, uma compensação residual no sinal medido, uma compensação residual não zero e que é proporcionalàs variações na temperatura aplicada e às forças induzidas pelas restrições termomecânicas; essa compensação residual independente da pressão cria um erro de medição chamado histerese de temperatura.
[0008] Consequentemente, há uma necessidade de ser capaz decontrolar a espessura da camada adesiva usada na montagem de um sensor de pressão do tipo previamente mencionado.
Apresentação da invenção
[0009] A invenção propõe superar essa desvantagem.
[0010] Para esse efeito, a invenção propõe um sensor de pressãocompreendendo: um elemento sensível compreendendo um substrato de suporte, o dito substrato de suporte compreendendo uma superfície superior e uma superfície inferior, o elemento sensível ainda compreendendo uma membrana deformável conectada à superfície superior do substrato de suporte; um invólucro no qual o elemento sensível é colocado, com o invólucro compreendendo uma base; uma estrutura intermediária colocada entre a base do invólucro e o substrato de suporte, a dita estrutura intermediária compre- endendo uma base, com a base compreendendo uma superfície superior e uma superfície inferior conectadas à base do invólucro, a dita estrutura intermediária ainda compreendendo uma pluralidade de calços disposta para manter o substrato de suporte a uma distância predeterminada da superfície superior da base; uma camada adesiva se estendendo sobre a superfície superior da base e entre os calços, a dita camada adesiva sendo de uma espessura controlada pela distância predeterminada na qual o substrato de suporte é mantido da superfície superior da base.
[0011] A invenção é vantajosamente suplementada pelas seguintescaracterísticas, individualmente ou em qualquer possível combinação tecnicamente possível: - a estrutura intermediária é ainda configurada para definir um espaço entre a superfície inferior do substrato de suporte e a superfície superior da estrutura intermediária; - a estrutura intermediária é retangular e compreende quatro calços, com cada calço colocado em um canto da dita estrutura intermediária, com os calços mantendo o substrato de suporte na distância predeterminada da superfície superior da estrutura intermediária; - a estrutura intermediária é deformável; - a estrutura intermediária compreende uma parte fina e uma parte espessa, a dita parte fina suportando a camada adesiva; - a estrutura intermediária ainda compreende um pilar disposta no centro da parte fina da dita estrutura intermediária; - a estrutura intermediária é um substrato feito em material escolhido do seguinte grupo: silicone, vidro, quartzo, Pyrex™, alumina, safira, SiC; - a camada adesiva tem uma base de silicone, um material que tem propriedades flexíveis quando submetida a variações na temperatura; - a superfície inferior da estrutura intermediária é conectada à base do invólucro pela parte intermediária de uma camada ligante; - a camada ligante é, por exemplo, uma camada de resina epóxi; - a camada adesiva tem uma espessura igual à distância predeterminada na qual o elemento sensível é mantido da superfície superior da estrutura intermediária; - compreende um rebaixo central de forma que o dito sensor de pressão seja configurado para medir uma pressão diferencialmente.
[0012] A invenção ainda se refere a um método para fabricar umsensor de pressão, de acordo com uma das reivindicações anteriores, compreendendo as seguintes etapas: fornecer um elemento sensível compreendendo um substrato de suporte o dito substrato de suporte compreendendo uma superfície superior e uma superfície inferior, o elemento sensível ainda compreendendo uma membrana deformável conectada à superfície superior do substrato de suporte; fornecer um invólucro compreendendo uma base; fornecer uma estrutura intermediária compreendendo uma base, com a base compreendendo uma superfície superior, a dita es-truturaintermediária sendo configurada para manter o substrato de suporte a uma distância predeterminada a partir da superfície superior da estrutura intermediária; depositar uma camada adesiva na superfície superior da es-truturaintermediária, a dita camada adesiva sendo de uma espessura controlada pela distância predeterminada na qual o substrato de suporte é mantido a partir da superfície superior da estrutura intermediária; conectar a estrutura intermediária ao substrato de suporte; conectar a estrutura intermediária à base do invólucro.
Apresentação das figuras
[0013] Outras características, finalidades e vantagens da invençãodevem surgir da seguinte descrição, que é puramente para as finalidades de ilustração e é não limitativa, e que devem ser lidas com relação aos desenhos anexos em que a figura 1 já foi discutida: - figura 2 mostra um sensor de pressão de acordo com uma primeira modalidade da invenção; - figura 3 mostra um sensor de pressão de acordo com uma segunda modalidade da invenção; - figura 4 mostra um sensor de pressão de acordo com uma terceira modalidade da invenção; - figura 5 mostra um sensor de pressão de acordo com uma quarta modalidade; - figura 6 mostra uma vista em perspectiva de uma estrutura intermediária do sensor de pressão de acordo com a primeira modalidade da invenção; - figuras 6a e 6b respectivamente mostram as vistas superior e inferior de uma estrutura intermediária do sensor de pressão de acordo com a segunda modalidade da invenção; - figura 7 mostra de forma diagramática as etapas de um método para fabricar um sensor de pressão de acordo com a invenção; - figura 8 mostra comparavelmente o sensor de pressão de acordo com a terceira modalidade da invenção bem como um sensor de pressão de acordo com uma quarta modalidade, respectivamente em dois estados deformados.
[0014] Sobre todas as figuras, os elementos similares possuem referências idênticas.
Descrição Detalhada da Invenção
[0015] A figura 2 mostra um sensor de pressão de acordo comuma primeira modalidade da invenção.
[0016] Tal sensor compreende: - um elemento sensível 1; - um invólucro 2 no qual o elemento sensível é colocado, com o invólucro compreendendo uma base 21; - uma camada adesiva 3 compreendendo uma espessura e; e - uma estrutura intermediária 4.
[0017] O elemento sensível compreende um substrato de suporte11 que compreende uma superfície superior 11a e uma superfície inferior 11b, o elemento sensível 1 ainda compreendendo uma membrana deformável 10 conectada à superfície superior 11a do substrato de suporte 11.
[0018] O substrato de suporte 11 pode ser feito em um material comuma base de vidro, Silicone, quartzo, Pyrex™, safira, alumina, SiC.
[0019] A membrana deformável 10 é conectada ao substrato desuporte 11 por vedação anódica ou por meios de uma ligação molecular ou atômica ou sem uma camada intermediária, ou por sinterização ou brasagem.
[0020] A membrana deformável 10 é tipicamente formada usandoum substrato, por exemplo, constituído em Silicone monocristalino como SOI (Silicone Sobre Isolante) e PSOI (Polissilicone Sobre Isolante), safira como SOS (Silicone Sobre Safira), ou de outro material como SiCOI (SiC sobre Isolante) ou SiC.
[0021] Uma camada eletricamente isolante 13 é ainda dispostaacima da membrana deformável 10. Tal camada é, por exemplo, feita em SiO2 no caso de uma membrana de SOI ou PSOI. Nessa camada isolante 13 diferentes materiais como nitritos, óxidos, camadas metálicas, Silicone mono- e policristalino estão dispostas de tal modo para formar elementos para medir pressão 12a, 12b, 12c (na figura 2, apenastrês elementos para medir pressão são representados embora quatro elementos para medir pressão estejam na presente realidade).
[0022] O invólucro 2 é mais preferivelmente feito em material metálico.
[0023] A estrutura intermediária 4 compreende uma base 41, coma base 41 compreendendo uma superfície superior 41a na qual a camada adesiva 3 estende-se e uma superfície inferior 41b conectada à base do invólucro.
[0024] A fim de controlar a espessura e da camada adesiva, a estruturaintermediária 4 é configurada para manter o substrato de suporte 11 a uma distância predeterminada a partir da superfície superior 41a da estrutura intermediária 4.
[0025] Em particular, a configuração da estrutura intermediária 4torna possível definir um espaço livre 40 entre a superfície inferior 11b do substrato de suporte 11 e a superfície superior 41a da base 41.
[0026] É em particular nesse espaço 40 que a camada adesiva 3 édepositada.
[0027] Dessa forma, a estrutura intermediária 4 torna possível tercom precisão a espessura e da camada adesiva 3.
[0028] Preferivelmente, a estrutura intermediária 4 compreendepelo menos dois calços 42, 43 em contato com o substrato de suporte 11. É, então, devido à pelo menos dois calços 42, 43 que a distância predeterminada entre o substrato de suporte 11 e a superfície superior 41a da estrutura intermediária 4 é obtida o que torna possível controlar a espessura e da camada adesiva 3 colocada entre a superfície superior 41a da base 41 e a superfície inferior 11b do substrato de suporte 11.
[0029] Ainda, os calços 42, 43 tornam possível definir o espaço livre 40 entre a superfície superior 41a da estrutura intermediária 4 e a superfície inferior 11b do substrato de suporte 11, a camada adesiva sendo disposta nesse espaço livre 40, entre os calços 42, 43. Além disso, como vários calços estão colocados ao redor da camada adesiva, um espaço é também definido entre os calços 42, 43. Esse espaço entre cada par de calços torna possível espalhar a camada adesiva de acordo com um plano horizontal, ou seja, paralelo à superfície superior 41a, com o risco de um acúmulo de adesivo entre a estrutura intermediária 4 e a membrana deformável 10, mais precisamente entre a superfície superior de cada calço e a superfície inferior da membrana de- formável.
[0030] Essa configuração com vários calços oferece uma certavantagem com relação a uma configuração com um único calço que é fechado. Ainda, quando uma camada adesiva envolvida por um único calço anular é espalhado e/ou se expande, esse adesivo não tem outra escolha, mas desliza entre a superfície anular superior do calço fechado nele mesmo, tendo para consequência uma variação indesejável na espessura da camada adesiva e, assim, a introdução de erros nas medidas adquiridas pelo sensor.
[0031] A camada adesiva 3 é mais preferivelmente com uma basede silicone, ou qualquer produto adesivo que tenha propriedades flexíveis quando submetida às variações na temperatura. Em forma de exemplo, uma espessura e tal camada adesiva maior que 100 μm torna possível minimizar o erro devido aos ciclos de temperatura e torna possível obter histerese insignificante na temperatura (<0,05% de escala total para sensores de faixas de pressões de alguns mbars a alguns bars e uma temperatura entre -55°C e +150°C).
[0032] A presença da camada adesiva 3 participa na precisão dosensor de pressão sem qualquer outra função de uma ligação específica como é o caso na técnica anterior.
[0033] A figura 3 mostra um sensor de pressão de acordo comuma segunda modalidade da invenção.
[0034] Essa segunda modalidade é similar à primeira modalidade,mas difere dela, entretanto, pela estrutura intermediária 4 que está nessa segunda modalidade deformável.
[0035] A camada adesiva é, então, configurada entre os dois elementosdeformáveis: a membrana 10 e a estrutura intermediária 4, com os dois elementos deformáveis estando em contato pelos calços.
[0036] A camada adesiva 3 pode expandir e contrair pelo efeito datemperatura; ela induz uma tensão que pode ser transmitida ao ele-mentosensível 1 pela parte intermediária dos calços. Entretanto, a na-turezadeformável da estrutura intermediária torna possível absorver toda ou uma parte dessa tensão de modo que não seja transmitida ao elemento 1; isso é importante durante o uso do sensor e, em particular, durante sua operação em diferentes temperaturas.
[0037] De acordo com essa modalidade, a estrutura intermediária4 compreende, além da superfície superior 41a e da superfície inferior 41b, uma parte fina 41c e uma base 41d que forma uma parte espessa 41d da estrutura intermediária 4.
[0038] A camada adesiva 3 repousa, preferivelmente, na parte fina41c. A parte espessa 41d é de uma espessura maior que a parte fina 41c. É essa diferença na espessura que torna possível a deformação da parte fina 41c e, assim, fornece uma função de amortecimento.
[0039] A figura 8 comparavelmente mostra um sensor de acordocom a segunda modalidade (à direita) e outra modalidade sem uma parte fina 41c, ambas submetidas às deformações do tipo de flexão em direção aa membrana (figuras no topo) e do tipo de flexão em direção ao invólucro (figuras na parte inferior). Devido à parte 41c que fornece uma função de amortecimento, a membrana deformável 10 do sensor de acordo com a segunda modalidade é deformado em proporções que são menores que a membrana da modalidade mostrada à esquerda, desprovida de uma parte fina central. Isso ainda contribui para ter histerese como uma temperatura reduzida e, assim, melhora o desempenho do sensor de pressão.
[0040] A fim de proteger a estrutura intermediária 4, que é aqui de- formável, de qualquer sobrepressão aplicada à parte fina 41c, a estru-turaintermediária 4 compreende um pilar 41e em seu centro. Assim, no evento de uma sobrepressão, o pilar 41e entrará em contato com a base 21 do invólucro 2. O pilar 41e pode ser formado de uma única parte com o resto da estrutura intermediária ou ser adicionado e, então, conectado à parte fina 41c da estrutura intermediária 4.
[0041] Certamente, nessa segunda modalidade, a estrutura intermediária 4 compreende pelo menos um calço 42, 43 em contato com o substrato de suporte 11.
[0042] A figura 4 mostra um sensor de pressão de acordo comuma terceira modalidade da invenção.
[0043] Essa terceira modalidade é similar à primeira modalidade ecompreende, além de um rebaixo central 50 de modo que o sensor de pressão seja configurado para medir uma pressão diferencialmente (o sensor da figura 2 descrito acima permite uma medição absoluta de pressão). Certamente, como é mostrado na figura 3, a membrana de- formável 10 não passa pelo recesso 50.
[0044] A figura 5 mostra um sensor de pressão de acordo comuma quarta modalidade da invenção.
[0045] Essa quarta modalidade é similar à segunda modalidade ecompreende um recesso 50 central de modo que o sensor de pressão seja configurado para medir uma pressão diferencialmente. Nessa figura, o pilar 4e não é visível, pois é uma vista transversal. É, entretanto, entendido que o recesso é formado no meio do pilar.
[0046] Vantajosamente, conforme mostrado nas figuras 6, 6a e 6ba estrutura intermediária 4 é retangular ou em um formato e com dimensões adequadas para suportar o substrato de suporte 11. Vantajosamente, a estrutura intermediária 4 compreende vários calços (quatro no exemplo) 42, 43, 44, 45 que são mais precisamente quatro protuberânciasprojetando-se à estrutura intermediária 4. Cada calço é colo- cado em um canto respectivo da estrutura intermediária. Nessa modalidade, uma passagem é definida entre cada par de calços, a camada adesiva pode, assim, espalhar e expandir horizontalmente de acordo com quatro direções diferentes, através de quatro passagens livres entre cada par de calços adjacentes.
[0047] A estrutura intermediária 4 pode ser feita em um materialcom uma base de vidro, silicone, quartzo, Pyrex™, safira, alumina, SiC.
[0048] Em uma forma complementar, a superfície inferior 41b daestrutura intermediária 4 é conectada à base do invólucro 2 pela parte intermediária de uma camada ligante 5. Essa camada ligante 5 é pre-ferivelmente uma camada de resina epóxi.
[0049] A invenção ainda refere-se a um método para fabricar umsensor de pressão como descrito acima e em relação à figura 7.
[0050] Tal método para de fabricação compreende as seguintesetapas: - fornecer S1 o elemento sensível 1; - fornecer S2 o invólucro 2; - fornecer S3 a estrutura intermediária.
[0051] Uma vez que os elementos principais do sensor são fornecidos, o método compreende as seguintes etapas: - depositar S4 a camada adesiva 3 na superfície superior da estrutura intermediária 4, a dita camada adesiva 3 sendo de uma espessura controlada pela distância predeterminada d na qual o substrato de suporte 11 é mantido a partir da superfície superior da base 41, 41d. - conectar S5 ao substrato de suporte 11 a estrutura intermediária fornecida com a dita pelo menos uma calço 42, 43, 44, 45; - conectar S6 à base 21 do invólucro a estrutura intermediária 4.
[0052] A ordem das etapas do método descrito acima não é limita- tiva. Em particular, a ordem das etapas de depósito da camada adesiva (etapa S4), de conexão da estrutura intermediária 4 (etapa S5) e da conexão da estrutura intermediária à base (etapa S6) pode ser modificada sem essa ter um impacto na estrutura final obtida.
[0053] O controle da espessura da camada adesiva é controladona etapa S5, quando o substrato de suporte 11 é colocado na estrutu-raintermediária.
[0054] Conforme indicado acima, a pluralidade de calços 42, 43permite um controle da espessura da cola 3 e autoriza uma dispersão da cola. Esse controle da espessura e da dispersão da cola torna possível em particular impedir que a cola acumule entre os calços 42, 43 e o substrato de suporte 11 durante a montagem das diferentes partes do sensor.

Claims (12)

1. Sensor de pressão, caracterizado pelo fato de que compreende: um elemento sensível (1) compreendendo um substrato de suporte (11), o dito substrato de suporte (11) compreendendo uma superfície superior (11a) e uma superfície inferior (11b), o elemento sensível (1) ainda compreendendo uma membrana deformável (10) conectadoà superfície superior (11a) do substrato de suporte (11); um invólucro (2) no qual o elemento sensível é colocado, com o invólucro compreendendo uma base (21); uma estrutura intermediária (4) deformável colocada entre a base (21) do invólucro (2) e o substrato de suporte (11), a dita estrutu-raintermediária (4) deformável compreendendo uma base (41, 41d), com a base (41, 41d) compreendendo uma superfície superior (41a) e uma superfície inferior (41b) conectadas à base (21) do invólucro, a referida estrutura intermediária (4) deformável ainda compreendendo uma pluralidade de calços (42, 43, 44, 45) disposta para manter o substrato de suporte (11) em uma distância predeterminada (d) da superfície superior (41a) da base (41, 41d); uma camada adesiva (3) se estendendo sobre a superfície superior da base (41, 41d) e entre os calços, a dita camada adesiva (3) sendo de uma espessura (e) controlada pela distância predeterminada (d) na qual o substrato de suporte (11) é mantido a partir da superfície superior da base (41, 41d).
2. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a estrutura intermediária é ainda configurada para definir um espaço (40) entre a superfície inferior (11b) do substrato de suporte (11) e a superfície superior (41a) da estrutura intermediária (4).
3. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que a estrutura intermediária (4) é retangular e compreende quatro calços (42, 43, 44, 45), com cada calço colocado em um canto da dita estrutura intermediária (4).
4. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a estrutura intermediária (4) compreende uma parte fina (41c) e uma parte espessa (41d), a dita parte fina (41c) suportando a camada adesiva (3).
5. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 4, ca-racterizado pelo fato de que a estrutura intermediária é compreende um pilar (41e) disposto no centro da parte fina (41c) da dita estrutura intermediária (4).
6. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a estrutura intermediária (4) é um substrato feito em material escolhido a partir do seguinte grupo: silicone, vidro, quartzo, Pyrex™, alumina, safira, SiC.
7. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a camada adesiva (3) tem uma base de silicone, um material que tem propriedades flexíveis quando submetidos a variações na temperatura.
8. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que a superfície inferior (41b) da estrutura in-termediária (4) é conectada à base do invólucro (2) pela parte intermediária de uma camada ligante (5).
9. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 8, ca-racterizado pelo fato de que a camada ligante (5) é uma camada de resina epóxi.
10. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada adesiva (3) tem uma espessura (e) igual à distância predeterminada (d) na qual é mantido o elemento sensível (1) da superfície superior da estrutura inter- mediária (4).
11. Sensor de pressão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um rebaixo central (50) de tal modo que o dito sensor de pressão é configurado para medir uma pressão de modo diferencial.
12. Método para fabricação de um sensor de pressão, como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: fornecer (S1) um elemento sensível (1) compreendendo um substrato de suporte (11), o dito substrato de suporte compreendendo uma superfície superior (11a) e uma superfície inferior (11b), o elementosensível ainda compreendendo uma membrana deformável (10) conectado à superfície superior (11a) do substrato de suporte (11); fornecer (S2) um invólucro (2) compreendendo uma base (21); fornecer (S3) uma estrutura intermediária (4) compreendendo uma base (41), com a base (41, 41d) compreendendo uma superfície superior (41a), a dita estrutura intermediária (4) ainda compreendendo uma pluralidade de calços (42, 43, 44, 45) disposta para manter o substrato de suporte (11) a uma distância predeterminada (d) a partir da superfície superior (41a) da base (41, 41d); depositar (S4) uma camada adesiva (3) na superfície superior da estrutura intermediária (4) e entre os calços, a dita camada adesiva (3) sendo de uma espessura (e) controlada pela distância predeterminada (d) na qual o substrato de suporte (11) é mantido da superfície superior (41a) da base (41, 41d); conectar (S5) a estrutura intermediária (4) ao substrato de suporte (11); conectar (S6) a estrutura intermediária (4) à base (21) do invólucro.
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