FR2836220A1 - Capteur de pression - Google Patents

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Abstract

Capteur S1 de pression comprenant un élément de détection (10) et un boîtier (20) en résine qui contient l'élément de détection (10). L'élément de détection (10) est en semi-conducteur et peut délivrer à l'extérieur un signal électrique en fonction d'une déformation produite lorsqu'une force lui est appliquée. L'élément de détection (10) est directement collé au boîtier (20) à l'aide d'une couche de colle (30) dont le module de Young est compris entre 2, 45 x 103 Pa et 2, 06 x 104 Pa. En outre, la couche de colle (30) a une épaisseur égale ou supérieure à 110 ν m. Ainsi, le capteur (10) de pression limite efficacement une variation d'une caractéristique du capteur résultant d'une fluctuation thermique.

Description

en ce qu'un pôle sud dudit aimant (20) est orienté radialement vers
l'intérieur.
CAPTEUR DE PRESSION
La présente invention est relative à un capteur de pression dans lequel un élément de détection est monté dans un bo^tier en résine. Dans le capteur s de pression, I'élément de détection est directement collé au bo^tier en résine à l'aide
d'une couche de colle.
Dans la technique antérieure, ce type de capteur de pression a été proposé dans JP-P2000-356 561A. Dans ce capteur de pression, un élément de détection constitué par un semi-conducteur est collé à une grille de connexion et est 0 monté dans un bo^'tier en résine à l'aide de la grille de connexion. En outre, le capteur de pression comporte un espace sans contact entre le bo^tier et une zone de la grille de connexion o est monté l'élément de détection. De ce fait, le capteur a une hystérésis thermique limitée. Dans le cas présent, I'hystérésis thermique est un phénomène dans lequel une caractéristique du capteur change par rapport à une is caractéristique initiale du fait d'un cycle de refroidissementchauffage avec répétition de températures hautes et basses. Cependant, du point de vue de la réduction du coût, on souhaite depuis peu que l'élément de détection soit directement collé au
bo^tier à l'aide d'une colle, sans la grille de connexion.
Si l'élément de détection est monté dans ie bo^'tier par I'intermédiaire de la grille de connexion, les surfaces d'une partie de connexion et
d'une partie formant lot de la grille de connexion se trouvent dans le méme plan.
Par conséquent, une dénivellation (gradin) se forme entre les surfaces de la partie de connexion et l'élément de détection monté sur lilot, et il est nécessaire de souder un fil entre l''lot et l'élément de détection. Dans ce cas, pour améliorer le soudage 2s du fil, il est préférable que les surfaces de l'élément de détection et de la partie de
connexion se trouvent dans le méme plan.
Par conséquent, la suppression de l''lot sous le capteur permet une conception souple de l'agencement des composants pour éventuellement mettre les deux surfaces collées dans le même plan. Il est donc souhaitable que le capteur soit
collé sur le bo^'tier à l'aide d'une couche de colle sans utiliser la grille de connexion.
Cependant, lorsqu'on réalise le collage direct précité de l'élément de détection sur le boitier, I'hystérésis thermique est facilement produite par une différence de
coefficients de dilatation thermique entre le capteur, la colle et le bo^'tier.
3s La présente invention vise à limiter les variations d'une caractéristique du capteur résultant d'une fluctuation thermique dans un capteur de pression dans lequel un élément de détection est directement collé à un bo^'tier par
l'intermédiaire d'une couche de colle.
Pour atteindre les objectifs ci-dessus et d'autres, il est proposé un s capteur de pression avec un élément de détection directement colié à un bo^'tier par l'intermédiaire d'une couche de colle à module de Young compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06 x 104 Pa. Par conséquent, la fluctuation thermique de la caractéristique
du capteur peut être efficacement limitée.
De préférence, une couche de colle contient plusieurs cordons. Par 0 conséquent, la couche de colle à module de Young compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06x104 Pa peut être facilement formée. Lorsqu'une couche de colle a une épaisseur égale ou supérieure à 110 um, on peut encore améliorer l'avantage de la
limitation de la variation de la caractéristique du capteur.
L'invention et nombre des avantages qui s'y attachent appara^'tront
facilement plus clairement en référence à la description détaillée ciaprès, faite en
considération des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe d'un capteur de pression selon une forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 2 est une vue en plan du capteur de pression selon la forme de réalisation, prise suivant la flèche 11 de la Fig. 1; la Fig. 3 est une courbe illustrant la relation entre le module de Young d'une couche de colle et l'ampleur du changement d'une caractéristique d'un capteur; 2s la Fig. 4 est une courbe illustrant la relation entre l'épaisseur de la couche d'adhésif et l'ampleur de la variation de la caractéristique d'un capteur; et la Fig. 5 est une vue agrandie en coupe d'une couche de colle
contenant des cordons.
Dans une forme de réalisation de la présente invention, on utilise ordinairement un capteur de pression pour un capteur S1 de pression atmosphérique servant à détecter la pression atmosphérique. En référence à la Fig. 1, un élément de détection lO du capteur S1 de pression comprend un substrat 11 en semi-conducteur, par exemple un substrat en siliclum, et un siège 12 en 3s verre. Le substrat 11 comporte une cavité de fac,on qu'une chambre 13 de référence
de pression soit présente entre le substrat 11 et le siège 12 collés l'un à l'autre.
Ainsi, l'élément de détection 10 comporte la chambre 13 de référence de pression et constitue un élément de détection de pression absolue qui détecte la force ou la
pression appliquée à sa propre surface extérieure.
s L'élément de détection 10 forme un diaphragme ou membrane 14 dans le substrat 11 à un endroit correspondant à la chambre 13. Sur le diaphragme 14 sont formées des résistances de mesure (non représentées) pour constituer un
montage en pont.
Sur le substrat 11 est formé un circuit d'amplifcation (non 0 représenté) destiné à être connecté électriquement au montage en pont. Lorsqu'une
force extérieure agit sur le diaphragme 14, le diaphragme 14 travaille et se déforme.
Un signal électrique (tension électrique) produit par ie montage en pont du fait du travail ou de la déformation du diaphragme 14 est amplifié pour être délivré dans le
circuit d'amplification.
L'élément de détection 10 est contenu dans une enceinte 21 formée à l'intérieur du bo^'tier 20, tandis que le siège 12 de l'élément de détection 10 est directement collé au fond de l'enceinte 21 par l'intermédiaire d'une couche de colle ou adhésif 30. Ainsi, l'élément de détection 10 est retenu dans le bo^tier 20 et fixé à celui-ci. Le bo^tier 20 est constitué de résine moulée telle que du sulfure de polyphénylène (PPS). La couche de colle 30, en résine, a un module de Young compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06 x 104 Pa (entre 2,5 x 104 kgf/mm2 et 2,1 x 103 kgf/mm2). On peut utiliser pour la couche de colle 30 un adhésif à base de silicone, composé de résine silicone. L'épaisseur de la couche de colle 30 est de
2s préférence non inférieure à 110,um.
A ce stade, une grille de connexion 40 fait corps avec et est moulée
dans le boîtier 20 et s'étend à l'extérieur depuis l'enceinte 21 du boîtier 20.
La grille de connexion 40 est formée par emboutissage d'une tôle, par exemple en alliage 42 (alliage de 42% de Ni et de Fe). La grille de connexion 40 comporte un lot 41 découvert autour de l'enceinte 21 à l'intérieur du bo^tier 20, et une partie de connexion 42 s'étendant vers l'extérieur depuis lilot 41 pour pénétrer à travers le bo^'tier 20. Dans la forme de réalisation, comme illustré sur la Fig. 2, les huit parties de connexion 42 sont par exemple présentes toutes dans les parties
droite et gauche.
L''lot 41 de la grille de connexion 40 est connecté électriquement à l'élément de détection 10 par soudage de fils en utilisant des fils 50 en métal tel que l'aluminium et l'or. Les surfaces à connexion par fils de l'élément de détection 10 et de l' ' lot 4 1 sont situées sensiblement dans le même plan, de tel le sorte q ue le
s soudage par fils peut être facilement effectué d'une manière précise.
La partie de connexion 42 de la grille de connexion 40 est connectée à un élément de connexion extérieur (non représenté) situé à l'extérieur du bo^tier 20. Comme représenté sur la Fig. 2, le bo^'tier 20 comporte une puce 60 de circuits qui est connectée électriquement à l'élément de détection 10 et à lilot 41
o par les fils 50.
La puce 60 de circuits permet de régler un signal produit par l'élément de détection 10. En particulier, le signal (tension) de sortie de l'élément de détection 10 est réglé par la puce 60 de circuits par l'intermédiaire d'un fil 50 et est appliqué à l'extérieur depuis une grille de connexion 40 par l'intermédiaire d'un
fil 50.
Comme représenté sur la Fig. 1, la surface de l'élément de détection 10, la surface du substrat 11 en semi-conducteur présent dans l'élément de détection 10 et les parties de connexion entre les lots 41 de la grille de connexion 40 et les fils 50 sont couverts et protégés de manière étanche par un gel 70; Un couvercle 80 en matière plastique est connecté au bo^'tier 20, par exemple par collage sur ie côté de i'enceinte. Le couvercle 80 enferme hermétiquement l'élément de détection 10, la puce 60 de circuits et le fil 50
contenus dans le bo^tier 20.
2s Le couvercle 80 comporte une entrée 81 de pression communiquant avec l'atmosphère. Par l'intermédiaire de l'entrée 81 de pression, la pression atmosphérique, c'est-à-dire le moyen de mesure, est introduite dans l'espace défini
par le couvercle 80 et le bo^'tier 20.
Le diaphragme 14 est sollicité et se déforme du fait de la différence de pression entre la pression atmosphérique introduite et la chambre de référence 13 dans l'élément de détection 10. Ainsi, I'élément de détection 10 délivre un signal
électrique sous le forme d'une tension dépendant de la déformation sous contrainte.
La tension de sortie est réglée par la puce 60 de circuits par l'intermédiaire du fil 50
et est délivrée à l'extérieur.
Le capteur S1 de pression ci-dessus est fabriqué de la manière suivante. Tout d'abord, la grille de connexion 40 est fixée dans un moule dont la forme intérieure correspond au bo^'tier 20, et l'empreinte intérieure du moule estremplie de résine pour former le bo^'tier 20 faisant corps avec la grille de s connexion 40. Ensuite, la puce 60 de circuits est montée sur le bo^'tier 20, I'élément de détection 10 est fixé au bo^'tier 20 à l'aide de la couche de colle 30 et la puce 60 de circuits et l'élément de détection 11 sont assujettis par soudage par fils à l'aide des fils 50. Ensuite, le gel 70 est appliqué et le couvercle 80 est mis en place sur le bo^'tier 20. De plus, toute la surface de l'élément de détection 10 en regard de la 0 couche de colle 30 peut étre collée au bo^'tier 20 par l'intermédiaire de la couche de colle 30 de façon à pouvoir obtenir un module de Young stable de la couche de
colle 30.
Dans la présente invention, I'élément de détection 10 est directement fixé au bo^'tier 20 par la couche de colle 30. Une caractéristique essentielle de la forme de réalisation est que la couche de colle 30 a un module de Young compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06 x 104 Pa (entre 2,5 x 104 kgf/mm2 et 2,1 x 10-3 kgf/mm2). Le maintien du module de Young de la couche de colle dans les limites ci-dessus permet de limiter la variation de la caractéristique du capteur résultant de la fluctuation de la température, et permet d'améliorer les performances du capteur S1 de pression. Le principe de définition du module de Young de la
couche de colle 30 est expliqué ci-après.
L'hystérésis thermique est une différence dans une tension de sortie de capteur à la température amblante (par exemple, 25 C) entre un stade initial et un stade succédant à un événement thermique (par exemple, après un chauffage à 120 C). Ainsi, I'hystérésis thermique est un phénomène dans lequel la tension
produite par un capteur varie à la température amblante.
Le phénomène résulte de la variation d'une caractéristique de sortie de l'élément de détection 10, car une déformation de fluage résultant de l'événement thermique dans le bo^'tier 20 s'exerce sur l'élément de détection 10 par I'intermédiaire de la couche de colle 30. Par conséquent, la diminution du module de Young dans la couche de colle 30 provoque une détente des contraintes exercées par le bo^'tier 20 sur l'élément de détection 10 afin de moins affecter la
caractéristique du capteur.
La relation ci-dessus est exprimée par la formule (1) ci-dessous.
Dans ce cas, une force F(p) est appliquée à l'éiément de détection 10 par le bo^'tier tandis qu'une force F(t) est appliquée à l'élément de détection 10 par la couche de colle 30. Une tension Vout est initialement délivrée comme tension initiale de l'élément de détection 10, tandis qu'une tension Vout' est délivrée comme tension de sortie de l'élément de détection 10 qui a subi un événement thermique provoquant une variation. (Formule 1) Vout' = Vout x F(p)/F(t) Ici, la force F(p) dépend de la matière du bo^tier 20, par exemple de 0 la résine constituant le bo^'tier 20, tandis que la force F(t) dépend de l'épaisseur de
la colle 30 et du module de Young de la matière constituant la colle 30.
L'ampleur de la variation (taux de variation) de la caractéristique du capteur résultant de la fluctuation de la température est sensiblement équivalente à une différence entre la tension Vout' et la tension Vout. La relation entre le module s de Young de la couche de colle 30 et l'ampleur de la variation de la caractéristique du capteur est illustrée sur la Fig. 3, par exemple à l'aide d'une analyse par la
méthode des éléments finis (MEF).
L'axe vertical représente l'amplitude de la variation de la caractéristique du capteur, tandis que l'axe latéral représente le module de Young de la couche de colle 30 sur la Fig. 3. L'amplitude de la variation de la caractéristique du capteur est celle existant à la température ambiante après un événement thermique (cyclage thermique) dans des limites comprises entre -40 C et 120 C. L'amplitude de la variation est indiquée par un pourcentage de l'échelle complète (FS) d'une tension de sortie du capteur de pression S1. Puisque s l'amplitude de variation exige une précision élevée pour une utilisation sur véhicule,
un critère admis doit être dans le domaine de 1% de itéchelle complète.
Comme ie montre la figure 3, pour obtenir l'amplitude de variation dans la limite de 1% de l'échelle complète, la couche de colle 30 doit avoir un module de Young compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06 x 104 Pa (entre 2, 5 x 10-4 kgf/mm2 et 2,1 x 10-3 kgf/mm2). Ici, dans l'exemple illustré sur la Fig. 3, la matière du bo^'tier 20 est du PPS, tandis que la matière de la couche de colle 30 est une coile à base de silicone et la couche de colle 30 a une épaisseur de110,um. Suite à une analyse et à des expériences faites par les inventeurs, d'autres cas, o on utilise des matières différentes, présentent également une relation semblable à la
tendance illustrée sur la Fig. 3.
La contrainte exercoe par le bo^'tier 20 sur l'élément de détection 10 diminue à mesure qu'augmente l'épaisseur de la couche de colle 30. L'amplitude de la variation de la caractéristique du capteur par rapport à l'épaisseur de la couche de colle 30 est de ce fait analysée à l'aide d'une analyse par MEF, comme illustré
s sur la Fig. 4.
L'exemple illustré sur la Fig. 4 est obtenu dans les conditions les plus défavorables dans lesquelles le module de Young de la couche de colle 30 est de 2,1 x 10 kgf/mm2, la variation se situant alors juste dans la variation de un pour cent de la Fig. 3. Le résultat de la Fig. 4 montre que la couche de colle d'au moins o 110 m d'épaisseur assure les limites de variation sur 1% de toute l'échelle même si
le module de Young possède la valeur la plus défavorable.
Autrement dit, lorsqu'une couche de colle à module de Young dans les limites prédéterminées précitées et à épaisseur supérieure à 110 um est utilisée, les performances du capteur S1 de pression sont améliorées. Ce capteur S1 de is pression limite efficacement la variation de la caractéristique du capteur résultant
d'une fluctuation thermique.
Il n'est pas si simple d'assurer une couche de colle de 110,um d'épaisseur à l'aide d'une colle dont le module de Young est aussi faible que dans la présente forme de réalisation. Par conséquent, des cordons 31 de résine peuvent être contenus dans la couche de colle 30 pour assurer l'épaisseur, comme illustré sur la Fig. 5. Comme un apport excessif de cordons 31 de résine dans la couche de colle 30 accro^t le module de Young, le montant d'apport de cordons 31 de résine
est ajusté pour maintenir le module de Young approprié de la couche de colle 30.
Dans ce cas, les cordons 31 de résine peuvent être en matière différente de celle de la couche de colle Une colle à base de silicium durcie à chaud (marque TSE 322) fabriquée par Toshiba Silicon Corporation peut par exemple être utilisée dans la forme de réalisation. Les cordons 31 de résine sont introduits dans la colle (TSE 322), puis la colle est durcie à chaud de façon que le module de Young de la
couche de colle 30 puisse être établi entre 1,5 x 10 kgf/mm2 et 2,1 x 10 kgf/mm2).

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Capteur de pression, comprenant: un élément de détection (10) en semiconducteur, I'élément de - détection étant sollicité conformément à une force extérieure appliquée, et délivrant un signal électrique dépendant de la sollicitation; un boitier (20) en résine, qui est disposé pour supporter l'élément de détection; et une couche de colle (30) à l'aide de laquelle l'élément de détection est directement collé au bo^'tier (20), 0 caractérisé en ce que la couche de colle a un module de Young
compris entre 2,45 x 103 Pa et 2,06 x 104 Pa.
2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de colle (30) contient plusieurs
cordons (31).
3. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications
1 et2, caractérisé en ce que la couche de colle (30) a une épaisseur
égale ou supérieure à 110,um.
4. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications
1 â3, caractérisé en ce que la couche de colle (30) est constituée par
2s une colle à base de silicone.
5. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications
1 à 4, caractérisé en ce que: I'élément de détection (10) a une surface en regard de la couche de colle (30), et toute la surface de l'élément de détection (10) est collée au
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