FR2752942A1 - Composant accelerometre a faible derive - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un composant accéléromètre à faible dérive. Elle se rapporte à un composant accéléromètre qui comprend un corps (16, 18) comprenant un boîtier (16) et un couvercle (18) constituant la structure mécaniquement résistante du composant, et contenant un élément accélérométrique (10), et des fils (20) de connexion sortant du corps et destinés à transmettre un signal de l'élément accélérométrique au moins. Selon l'invention, le boîtier (16) et le couvercle (18) forment une enceinte de faible conductibilité thermique, et un organe (12) au moins de régulation de température est disposé à l'intérieur de l'enceinte. Application aux accéléromètres pour l'industrie des transports, notamment automobiles.

Description

l

La présente invention concerne un composant accélé-

romètre ayant de très faibles dérives de zéro, de sensi-

bilité et de réponse de phase.

On connaît déjà des accéléromètres de différents types, par exemple à résistance variable, à capacité variable, à inductance variable, piézoélectriques, etc. utilisés le plus souvent pour des mesures statiques et/ou dynamiques. Ils présentent cependant l'inconvénient de posséder une dérive de zéro, une dérive de sensibilité et une dérive de réponse de phase. Par exemple, lorsqu'un tel accéléromètre est excité par un phénomène physique dont la fréquence est par exemple 1 kHz, les variations de température, et parfois de pression et d'humidité, provoquent une dérive de zéro, de

sensibilité et de réponse de phase.

Ces dérives peuvent dénaturer totalement les résultats donnés par ces accéléromètres. Par exemple, au cours

d'essais automobiles dans les pays nordiques, des accélé-

romètres sont montés sur des véhicules dont l'intérieur est chauffé à plus de 20 C et qui roulent à une température extérieure de -20 ou - 25 C. Les résultats obtenus avec des accéléromètres placés à divers endroits du véhicule, tels que sur des roues ou des essieux, dans le compartiment

moteur, dans l'habitacle, etc., ne peuvent pas être faci-

lement comparés à cause des différences de températures.

On sait déjà corriger certaines dérives d'instruments

de mesure par utilisation d'enceintes thermostatées.

Par exemple, le brevet français n 2 633 465 concerne un oscillateur dit "ultrastable en fréquence" parce que sa dérive de sensibilité est très réduite; l'oscillateur est monté à l'intérieur d'une enceinte thermostatée. Selon ce document, une enceinte thermostatée dans laquelle est placé

l'oscillateur est chauffée à l'extérieur par des résis-

tances, et l'ensemble est placé dans un boîtier fermé par un couvercle et destiné à assurer la protection mécanique de l'ensemble. L'instrument formé à des dimensions relativement importantes; il ne constitue pas un transducteur, mais au contraire un générateur d'un signal qui doit être très

stable.

Le document EP-A-449 721 décrit un pilote, c'est-à-dire un ensemble résonateur et oscillateur, qui présente des dérives du signal en présence de variations d'humidité, de pression et de température. Ce pilote est donc un organe

générateur d'un signal de référence et non un transducteur.

La dérive du signal créé est réduite par utilisation d'un boîtier étanche et d'une enceinte thermostatée. Dans ce document, un pilote comportant un résonateur piézoélectrique est placé dans une enceinte thermostatée. Celle-ci est chauffée par des éléments de chauffage placés à l'extérieur, et l'ensemble est disposé dans un boîtier assurant la protection mécanique de l'instrument réalisé. Celui-ci a des dimensions relativement importantes et ne constitue pas un

composant miniature.

L'invention concerne l'application d'une enceinte à température régulée intérieurement, mais non thermostatée extérieurement, à des accéléromètres dont les dérives posent

des problèmes particuliers d'exploitation.

Plus précisément, l'invention concerne un composant

accéléromètre dont l'élément accélérométrique ou trans-

ducteur est placé dans une enceinte à température régulée par un organe de régulation de température qui est placé à l'intérieur de l'enceinte. C'est l'enceinte à température régulée intérieurement elle-même qui, grâce au matériau dont elle est constituée, forme aussi la protection mécanique du composant. L'organe de régulation de température peut être soit un organe de chauffage qui maintient la température à l'intérieur de l'enceinte à une valeur voisine de la limite supérieure de température de la plage de températures de

fonctionnement du composant, soit un organe de refroi-

dissement, par exemple à effet Peltier, qui maintient la température à proximité de la limite inférieure de la plage

de températures de fonctionnement.

L'invention présente des avantages particuliers lorsque l'organe de régulation de température est une thermistance

qui possède un coefficient positif de variation de résis-

tance avec la température (PTC).

On connaît déjà des organes de chauffage à coefficient positif de variation de résistance avec la température et on les utilise par exemple dans les sèche-cheveux, les pistolets de fusion de colle, les chauffe-biberons, etc. Ils ont la propriété avantageuse de réguler automatiquement la quantité de chaleur qu'ils dégagent. En effet, lorsqu'ils dégagent un plus grande quantité de chaleur par circulation d'un courant plus élevé, ils s'échauffent et leur résistance augmente, si bien que le courant qui circule diminue et réduit la quantité de chaleur dégagée. Cette autorégulation est telle qu'à l'état de régime permanent, ces organes de

régulation de température gardent une température stable.

Dans l'application selon l'invention, ils sont parti-

culièrement intéressants puisqu'ils peuvent être utilisés sans organe supplémentaire de régulation de température et peuvent donc être facilement incorporés à un composant miniature. Les éléments actifs placés dans le boîtier du composant miniature peuvent alors comprendre simplement une pastille d'accéléromètre, par exemple sous forme d'une pastille de 3 mm d'épaisseur et 6 ou 8 mm de côté, et une thermistance de chauffage à coefficient positif de variation de résistance avec la température, sous forme d'un disque de 7,5 mm de diamètre et 1,3 mm d'épaisseur. De préférence, un circuit imprimé miniature supplémentaire, comprenant un

nombre extrêmement réduit de composants, permet le traite-

ment du signal de l'accéléromètre; il peut aussi former une

alimentation pour la thermistance.

Une autre propriété des composants accéléromètres selon l'invention est que la partie du corps sur laquelle est monté l'élément accélérométrique possède une grande raideur, c'est-à-dire a une fréquence de résonance bien supérieure à celle de l'élément accélérométrique, afin que la réponse de

ce dernier ne soit pas perturbée.

Plus précisément, l'invention concerne un composant

accéléromètre destiné à fonctionner dans une plage détermi-

née de températures et ayant de très faibles dérives de zéro, de sensibilité ou de réponse de phase au moins, du type qui comprend un corps constituant la structure mécani- quement résistante du composant à une partie duquel au moins est fixé un élément accélérométrique et délimitant une enceinte pour le logement de l'élément accélérométrique, et

des fils de connexion sortant du corps et destinés à trans-

mettre un signal de l'élément accélérométrique au moins; selon l'invention, la partie du corps à laquelle est fixé l'élément accélérométrique possède une grande raideur, l'enceinte du corps possède une faible conductibilité

thermique, et un organe au moins de régulation de tempé-

rature est disposé à l'intérieur de l'enceinte.

De préférence, le composant contient en outre un

circuit de traitement du signal de l'élément accéléro-

métrique et/ou un circuit d'alimentation de l'organe de

régulation en température.

Il est avantageux que l'organe de régulation de température soit un élément résistif à température régulée à proximité de la limite supérieure de température de la

plage déterminée de températures, de préférence une ther-

mistance à coefficient positif de variation de résistance

avec la température.

Dans un autre mode de réalisation, l'organe de régula-

tion de température est un organe à effet Peltier.

Il est avantageux que le corps comprenne un boîtier et un couvercle, et que le boîtier ou le couvercle au moins soit formé d'une matière vitrocéramique ou d'une matière

thermoplastique résistant à la chaleur.

Il est commode que les fils de connexion sortent par

le couvercle.

Une métallisation est avantageusement formée à l'exté-

rieur du corps pour assurer une protection contre les

interférences électromagnétiques.

Dans un exemple de réalisation, la plus grande dimen-

sion du composant est inférieure ou égale à 20 mm.

D'autre caractéristiques et avantages de l'invention

ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en

référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un graphique représentant la courbe de variation de résistance en fonction de la température d'une

thermistance à coefficient positif de variation de résis-

tance avec la température; la figure 2 est une coupe d'un exemple de composant accéléromètre dans un mode de réalisation de l'invention; et les figures 3 et 4 sont des vues en plan de deux réalisations d'accéléromètres correspondant à la coupe de la

figure 2.

Avant la description d'un composant accéléromètre selon

l'invention, on considère rapidement les propriétés des

thermistances à coefficient positif de variation de résis-

tance avec la température, appelées "thermistances PTC".

Elles ont la propriété de pouvoir fonctionner à une tempé-

rature pratiquement constante. Elles existent sous diverses configurations, mais sont souvent très petites, ayant une épaisseur de l'ordre du millimètre et une surface très

inférieure à un centimètre carré.

La figure 1 représente un exemple de courbe de fonc-

tionnement d'une telle thermistance. On note que, lorsque la température augmente (abscisses), la résistance (ordonnées) commence par diminuer, puis elle atteint une température To

à laquelle elle a sa valeur minimale R0, avant d'augmenter.

En pratique, on s'est rendu compte qu'il était commode d'utiliser une telle thermistance à une température T1 à laquelle la valeur de sa résistance R1 est à peu près égale

au double de sa résistance minimale R0. De telles thermis-

tances ont l'avantage de ne pas nécessiter de thermostat, d'avoir une durée de vie pratiquement illimitée, de ne comporter aucune partie mobile soumise à usure, d'avoir un faible coût, de ne pas créer de bruit électrique et d'avoir

des petites dimensions.

Cette thermistance à régulation automatique de tempéra-

ture est montée, selon l'invention, à l'intérieur d'un boîtier muni d'un couvercle formant une enceinte dont la

température est régulée.

Une enceinte thermostatée est normalement une enceinte qui délimite un volume dans lequel une température est maintenue à une valeur constante. Pour que la température soit constante dans l'ensemble du volume, il ne doit exister aucun gradient de température à l'intérieur et le chauffage ou le refroidissement de l'enceinte est donc réalisé à l'extérieur de celle-ci. L'invention ne met pas en oeuvre une telle enceinte, car elle aurait des dimensions trop

grandes pour la réalisation de composants miniatures.

Selon l'invention, les variations de température à l'intérieur de l'enceinte sont régulées, c'est-à-dire qu'un diagramme thermique stable est établi dans l'enceinte dans laquelle sont placés d'une part l'organe dont la température doit être régulée (un accéléromètre) et d'autre part

l'organe de régulation de température. Il existe manifes-

tement un gradient de température à l'intérieur de l'enceinte, puisque la température est la plus élevée au niveau de la thermistance de chauffage, puis forme un gradient très faible et pratiquement permanent à l'intérieur de l'enceinte formée par le corps, puis présente un gradient très important dans les parois du corps. La régulation de température obtenue à l'intérieur du bottier, étant donné la faible variation du diagramme de température à l'intérieur de celui-ci, suffit pour la solution des problèmes posés par

les dérives de zéro, de sensibilité et phase des trans-

ducteurs accélérométriques.

On considère maintenant plus précisément le mode de

réalisation de la figure 2.

Un transducteur ou élément accélérométrique, formé dans une tranche de silicium de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur et comprenant un circuit en pont, est désigné par la référence 10. Il est logé dans un boîtier céramique ayant une épaisseur de 3 mm et sous forme d'un carré

d'environ 8 mm de côté. Un second élément est la thermis-

tance 12, du type précité, et un troisième élément, éventuel seulement, est un circuit imprimé 14 portant des composants. Ces éléments sont placés à l'intérieur du corps du composant qui comprend un boîtier 16 et un couvercle 18. Le couvercle 18 a un trou pour le passage des fils 20 reliés aux

différents éléments.

Une caractéristique importante de l'invention est constituée par le corps. Dans le mode de réalisation considéré, le corps comprend un boîtier et un couvercle. Il

peut cependant être sous d'autres forme, par exemple obte-

nues par surmoulage des éléments intérieurs. Une caracté-

ristique essentielle est que le corps doit être réalisé en un matériau suffisamment isolant de la chaleur pour que le

gradient de température existant entre l'élément de régula-

tion de température (thermistance par exemple) et l'exté-

rieur du composant soit essentiellement présent dans les parois du corps. Cette caractéristique, évoquée plus haut, est telle que le gradient de la distribution de température à l'intérieur du boîtier doit être très faible afin que la température de l'élément accélérométrique varie très peu. De préférence, 95 % au moins du gradient total de température

est présent dans la paroi du corps.

Une autre propriété essentielle du corps est la raideur

de la partie sur laquelle est fixé l'élément accéléro-

métrique. En effet, il ne faut pas que la réponse de cet élément soit perturbée par le corps, et ce dernier doit donc transmettre le phénomène physique excitateur pratiquement sans changement. L'impédance mécanique du corps doit donc être très élevée. Elle est représentée par la "raideur" du matériau de cette partie du corps. La raideur de cette partie du corps doit être telle que sa fréquence de résonance est très supérieure à celle de l'élément accélérométrique (au moins d'un facteur 3, et de préférence

d'un facteur 10).

Le boîtier et le couvercle peuvent être formés de matériaux usinables ou moulables facilitant leur réalisation et le montage des éléments avec de petites dimensions. Il est avantageux que le matériau du boîtier et celui du couvercle, qui sont identiques ou différents, puissent être raccordés de manière étanche, par exemple par collage ou

métallisation et soudage.

Le boîtier et le couvercle peuvent être par exemple formés du matériau vitrocéramique usinable "Macor". Ce matériau a une très grande stabilité dimensionnelle, il est parfaitement étanche et il peut être métallisé. En outre, il constitue un excellent isolant électrique aux tensions, fréquences et températures élevées. Il ne dégage aucun gaz pouvant provoquer un vieillissement des composants placés à l'intérieur du boîtier. Les propriétés d'usinabilité de ce matériau permettent la réalisation facile de gradins à l'intérieur du boîtier et sur sa face de coopération avec le couvercle, si bien que le montage et la retenue des

différents éléments à l'intérieur du boîtier sont faciles.

On peut aussi utiliser un autre matériau "Micatherm" qui est une matière thermoplastique minérale utilisée dans toutes sortes d'applications électroniques et qui peut être

mise en forme par moulage.

Ainsi, le boîtier et son couvercle peuvent être formés soit par usinage, soit par moulage, soit par toute autre

technique convenable.

Bien qu'on ait représenté un circuit imprimé 14 placé à l'intérieur du composant sur la figure 2, ce circuit n'est pas indispensable. En effet, les fils 22 de la thermistance 12 et les fils de l'élément accélérométrique 10 peuvent

sortir directement comme indiqué par la référence 20. Cepen-

dant, il est avantageux que les quatre fils de l'élément accélérométrique (correspondant aux quatre sommets du pont) soient reliés à un circuit amplificateur 14. Ce circuit 14 peut éventuellement constituer aussi une alimentation pour la thermistance 12. Dans ce cas, les fils 20 qui sortent du composant comprennent deux fils pour l'alimentation de l'élément accélérométrique 10 et de la thermistance 12, et

deux fils pour le signal accélérométrique.

On a représenté sur la figure 2 une thermistance 12 qui n'est supportée que par ses fils 22 d'alimentation. Bien entendu, la thermistance est fixée, de même que le trans- ducteur accélérométrique 10 et le circuit imprimé 14. On peut à cet effet utiliser une colle époxyde bien connue dans

la technique.

La disposition représentée sur la figure 2 n'est qu'un exemple. Dans un autre exemple, les composants ont une disposition placée à 90 par rapport à celle qui est représentée. De cette manière, ils peuvent tous être portés par le couvercle 18, le boîtier 16 constituant un simple

chapeau. Cette disposition facilite la réalisation.

Bien qu'on ait représenté un trou de sortie des fils formé dans le couvercle 18, il est bien entendu que les fils peuvent sortir à tout autre emplacement, par exemple du boîtier. Dans un exemple de réalisation représenté sur la figure

2, destiné à des essais automobiles, le composant accélé-

romètre a en plan la configuration indiquée sur la figure 3 ou sur la figure 4. Dans le cas de la figure 3, le côté du carré extérieur est d'environ 20 mm. Le cercle représente la cavité formée dans le boîtier et le carré intérieur le boîtier céramique du transducteur accélérométrique. Sur la figure 4, la dimension est d'environ 20 mm entre deux côtés opposés. Un composant accéléromètre effectivement réalisé comporte par exemple un transducteur accélérométrique en pont de silicium qui est alimenté à une tension de 10 volts

et a une fréquence de résonance comprise entre 1 et 10 kHz.

La thermistance 12 est une thermistance destinée à fonctionner entre 5 et 30 V avec une température de commutation de 70 C, ayant un diamètre d'environ 7,6 mm et disponible auprès de Advanced Thermal Products Inc, St Marys, Pennsylvanie. Le boîtier et le couvercle sont formés de vitrocéramique "Macor" disponible auprès de Morgan

Matroc, Gonesse, France.

De préférence, l'ensemble du composant est métallisé

afin qu'il soit protégé contre les interférences électro-

magnétiques. Bien qu'on ait représenté un mode de réalisation dans lequel la thermistance 12 est supportée séparément à l'inté- rieur d'un boîtier, il est aussi possible de la placer

contre le transducteur accélérométrique. En effet, le trans-

ducteur accélérométrique comporte lui-même une enceinte céramique. Dans un autre mode de réalisation, la pastille contenant le transducteur accélérométrique peut être placée entre deux thermistances, l'ensemble étant disposé dans le

boîtier fermé par le couvercle.

Le mode de réalisation décrit comporte une thermistance

et est donc destiné à être utilisé par chauffage, c'est-à-

dire que la température à l'intérieur de l'accéléromètre est voisine de la limite supérieure de la plage de températures dans laquelle doit fonctionner le composant. Dans un autre mode de réalisation, l'organe de régulation de température est un élément à effet Peltier et, dans ce cas, le composant travaille au voisinage de la limite inférieure de sa plage de températures de fonctionnement. Certains types de composants accéléromètres doivent travailler entre -40 C et +70 C. Lorsque le composant comprend une thermistance, celle-ci a une température voisine de 75 à 80 C pendant le fonctionnement. Lorsque le composant comprend un élément à

effet Peltier, sa température est de l'ordre de -40 C.

D'autres composants doivent fonctionner entre -55 C et +125 OC. L'invention n'est nullement limitée par la plage de

températures de fonctionnement.

Ainsi l'invention permet la suppression pratiquement totale des dérives de zéro, de sensibilité et de réponse de phase des accéléromètres par montage d'un transducteur accélérométrique dans une enceinte dont la température n'est pas parfaitement homogène, mais dont les variations de température sont très faibles. Cette disposition permet la réalisation d'un composant de très petite dimension qui est 1l extrêmement robuste et qui peut être utilisé de la même

manière qu'un composant accéléromètre ordinaire.

Parmi les différents domaines d'application de l'inven-

tion, on peut citer celui des transports, notamment routiers, aériens et par chemin de fer. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses

éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Composant accéléromètre destiné à fonctionner dans une plage déterminée de températures et ayant de très faibles dérives de zéro, de sensibilité ou de réponse de phase au moins, du type qui comprend

- un corps (16, 18) constituant la structure mécani-

quement résistante du composant à une partie duquel au moins est fixé un élément accélérométrique (10) et délimitant une enceinte pour le logement de l'élément accélérométrique (10), et

- des fils (20) de connexion sortant du corps et desti-

nés à transmettre un signal de l'élément accélérométrique au moins, caractérisé en ce que - la partie du corps à laquelle est fixé l'élément accélérométrique (10) possède une grande raideur, - l'enceinte du corps (16, 18) possède une faible conductibilité thermique, et - un organe (12) au moins de régulation de température

est disposé à l'intérieur de l'enceinte.

2. Composant accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en outre un circuit (14) de

traitement du signal de l'élément accélérométrique (10).

3. Composant accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en outre un circuit (14) d'alimentation de l'organe (12) de régulation en température.

4. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe

(12) de régulation de température est un élément résistif à température régulée à proximité de la limite supérieure de

température de la plage déterminée de températures.

5. Composant accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe (12) de régulation de température est une thermistance à coefficient positif de

variation de résistance avec la température.

6. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe (12) de

régulation de température est un organe à effet Peltier.

7. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps

comprend un boîtier (16) et un couvercle (18), et le boîtier (16) ou le couvercle (18) au moins est formé d'une matière vitrocéramique.

8. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps com-

prend un boîtier (16) et un couvercle (18), et le boîtier (16) ou le couvercle (18) au moins est formé d'une matière

thermoplastique résistant à la chaleur.

9. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les fils (20)

de connexion sortent par le couvercle (18).

10. Composant accéléromètre selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte

une métallisation formée à l'extérieur du corps pour assurer

une protection contre les interférences électromagnétiques.