FR2887628A1 - Element de capteur de pression micromecanique et procede d'utilisation - Google Patents

Abstract

Elément de capteur micromécanique, notamment pour la mesure de la pression des pneumatiques. Il comprend un système de couches (2) avec une membrane (3) sous laquelle une cavité (4) est séparée de l'extérieur (12) de l'élément de capteur (1), ainsi qu'une installation de mesure (6) pour le débattement de la membrane (3) et une masse sismique (8) associée à la membrane (3). L'invention concerne également un procédé d'utilisation de cet élément de capteur de pression (1). L'élément de capteur (1) fonctionne en mode de veille à faible consommation d'énergie et en mode actif à consommation d'énergie plus élevée. En mode de veille, on surveille (S2, S3) dans le temps les signaux de mesure (s) de l'installation de mesure (6) et si on constate une variation significative des signaux de mesure (s), on conclut à une variation de position et on commute en mode de fonctionnement, qui par une installation d'émission (34), par exemple une antenne (34), envoie les signaux de mesure de l'installation (6) ou des signaux d'exploitation.

Description

Domaine de l'invention

L'invention concerne un élément de capteur de pression micromécanique utilisé notamment pour mesurer la pression des pneumatiques ainsi qu'un procédé d'application d'un tel élément de capteur de pression pour activer un mode de fonctionnement.

Les éléments de capteur de pression micromécaniques sont réalisés de manière générale sur un substrat ou une plaquette. Pour cela, on forme sur la face supérieure une membrane en réalisant une gravure avec une cavité sous la membrane. Dans la membrane on io forme une installation de mesure par exemple par des résistances piézoélectriques déterminant la différence de pression entre la cavité et le volume extérieur comme débattement de la membrane. De tels éléments de capteur de pression peuvent se fabriquer habituellement en micro-mécanique en vrac ou de surface (technique MMS).

Etat de la technique Le document DE 100 32 579 Al décrit un procédé de fabrication économique pour les éléments de capteur de pression fabriqués en micromécanique de surface. Selon ce procédé, on forme tout d'abord des pores grossiers correspondant à une structure en éponge ou en réseau sur laquelle on développe une couche épitaxiale mono-cristalline destinée à constituer la future membrane. Ensuite, on recuit pour développer sous la membrane une cavité de grand volume. Cela peut se faire sous une atmosphère protectrice d'hydrogène qui ensuite diffuse à travers la membrane hors de la cavité et laisse un vide; ainsi, la membrane est soumise à la pression absolue de l'extérieur ou du volume extérieur.

L'utilisation de tels éléments de capteur de pression pour mesurer la pression des pneumatiques se fait en général en mettant en contact la plaquette du capteur sur un substrat de montage par exem- ple une plaque de circuit et en l'installant par exemple au niveau de la valve de gonflage du pneumatique. Le capteur de pression pneumatique est muni d'une source de tension indépendante; celle-ci est en général un élément galvanique. La valve envoie ses signaux de mesure ou les signaux d'exploitation qui en découlent par une antenne à un récepteur externe équipant le véhicule. Le fonctionnement permanent du capteur i0 de pression pneumatique avec antenne consomme ainsi beaucoup d'énergie si bien que la durée de fonctionnement du capteur de pression pneumatique est fortement diminuée.

But de l'invention La présente invention a pour but de développer un élément de capteur de pression et un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression qui soit non seulement économique à fabriquer mais présente une durée d'autonomie importante.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un élément de capteur de pression intégré dans un capteur d'accélération. En d'autres termes, l'invention concerne un élément de capteur de pression micromécanique comprenant au moins: - une structure notamment un système de couches composé d'une 15 membrane sous laquelle et réalisée une cavité séparée de l'extérieur de l'élément de capteur de pression, - une installation de mesure pour mesurer le débattement de la membrane, et une masse sismique réalisée sur, sous ou dans la membrane.

De préférence, l'installation de mesure comporte au moins une résistance piézo-électrique réalisée dans la membrane ou un élément piézo-électrique réalisé dans la membrane, pour mesurer le dé-battement de la membrane Si la résistance piézo-électrique ou l'élément piézo- électrique sont réalisés par un dopage local de la membrane, avantageusement la résistance piézo-électrique ou l'élément piézo-électrique sont mis en contact par des zones semi-conductrices à concentration de dopage identique ou plus élevée.

L'intégration de l'élément de capteur de pression dans le 30 capteur d'accélération se fait selon l'invention avec une mise en oeuvre de moyens complémentaires réduits pour la fabrication en ce qu'on relie une masse sismique à la membrane, c'est-à-dire qu'on l'installe dans la membrane sur celle-ci ou sous celle-ci. A l'aide de la membrane et de son installation de mesure, on détermine ainsi à la fois la pression et 35 l'accélération comme signal combiné. L'idée de base de l'invention re- pose sur le fait que le démarrage du pneumatique du véhicule se décèle par une variation de position de l'élément de capteur et la composante de la force de gravitation qui est alors perpendiculaire à la membrane change. Cette variation peut se détecter en mode de veille avec une con- sommation d'énergie réduite si bien qu'ensuite, on peut passer en mode de fonctionnement actif avec consommation d'énergie plus élevée pour effectuer d'autres mesures, traiter les données et envoyer les signaux de mesure et/ou d'exploitation par l'antenne.

Avantageusement si le système de couches comporte au moins une couche supérieure comprenant la cavité et la membrane, et une couche inférieure fixée sous la couche supérieure et recouvrant la cavité, la cavité est obtenue par une gravure en micromécanique en vrac, par exemple par voie chimique humide.

En outre, le capteur a sa source d'énergie propre ou est raccordé à une source d'énergie propre.

L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un élément de capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel: - l'élément de capteur de pression fonctionne en mode de veille à faible consommation d'énergie et en mode actif à consommation d'énergie plus élevée, - en mode de veille, on vérifie une variation dans le temps des signaux de mesure de l'installation de mesure et lorsqu'on constate une va- riation significative des signaux de mesure, on conclut qu'il y a une variation de position et on commute dans un mode de fonctionne- ment dans lequel on envoie les signaux de mesure de l'installation de mesure ou des signaux d'exploitation formés à partir des signaux de mesure par une installation d'émission, par exemple une antenne.

Selon le procédé de l'invention, on effectue avantageuse- ment l'examen des signaux de mesure en fréquence et/ou en amplitude. La raison en est que l'opération de branchement doit se faire en démarrage du pneumatique, avec dans ce cas une vitesse de rotation de roue tout d'abord faible ou encore des variations du signal de mesure dans la plage basse fréquence. Le signal d'accélération de la masse sismique et de la masse propre de la membrane est inférieur au signal de pression auquel il est associé si bien que pour déceler la rotation du pneumatique, initialement, on ne peut considérer que les variations de l'amplitude en dessous d'une valeur limite correspondante.

Le procédé peut basculer de nouveau du mode de fonc- tionnement dans le mode de veille si en mode de fonctionnement, on remarque que le signal de mesure ne change pas lors des mesures sui-vantes.

Par exemple en mode de veille, on exploite les variations des signaux de mesure dans une zone basse fréquence par exemple inférieure à 10 Hz, et on reconnaît les variations du signal de mesure dans la plage basse fréquence comme variations de la position de l'élément de capteur. En variante ou en plan en mode de veille, on reconnaît les variations du signal de mesure de l'installation de mesure au-dessus d'une valeur limite comme variations de la position de l'élément de capteur.

Les moyens supplémentaires à mettre en oeuvre pour cette détection d'accélération supplémentaire se situent ainsi principalement dans la masse sismique supplémentaire; celle-ci peut être appliquée à la surface supérieure par exemple sous la forme d'une goutte ou bille de soudure et aussi être réalisée au cours du procédé de fabrication micromécanique par des zones de masse par exemple des zones de SiO2 dans ou en dessous de la membrane.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de quelques modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une section d'un premier mode de réalisation d'un élément de capteur de pression selon l'invention, - la figure 2 est une section d'un second mode de réalisation d'un élément de capteur de pression selon l'invention, - la figure 3 est une section d'un module de capteur formé sur une plaque conductrice avec l'élément de capteur de pression de la figure 1 ou de la figure 2, - la figure 4 est une section d'un module de capteur formé sur la plaque de circuit avec un élément de capteur de pression selon les figures 1 ou 2 installé en technique Flip-Chip , et - la figure 5 montre un ordinogramme d'un procédé selon l'invention.

Description de modes de réalisation de l'invention

Selon la figure 1, un élément de capteur 1 comporte un système de couches 2 formé par exemple de silicium à dopage P avec une membrane 3 à dopage N; sous la membrane, on a réalisé une cavité 4. Une ou plusieurs résistances piézo-électriques 6 sont réalisées dans la membrane 3 par exemple sous la forme d'un dopage P dans la membrane 3 à dopage N. Les résistances piézo-électriques 6 servent d'installations de mesure pour mesurer le débattement de la membrane 3. En principe, on peut également utiliser d'autres installations de me-sure telles que par exemple des éléments piézo-électriques. Les résis- tances piézo-électriques 6 sont lues par exemple par des lignes d'alimentation non représentées formées par des zones à plus fort do-page dans le système de couches 2. Les résistances piézo-électriques 6 peuvent être mesurées par exemple avec un pont de Wheatstone.

Une masse sismique 8 est appliquée sur la membrane 3.

Dans le mode de réalisation présenté, la masse sismique 8 est formée par une goutte de soudure. Pour un meilleur accrochage, une surface de réception 10 est réalisée sur la membrane 3. Il s'agit par exemple d'une surface métallique obtenue par galvanisation servant à mieux accrocher la goutte ou bille de soudure 8.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, le système de couches 2 est formé en micromécanique en vrac par au moins une couche monocristalline supérieure 2.1 et au moins une couche monocristalline inférieure 2.2. Dans une première plaquette, on développe ainsi une cavité 4 par une gravure par KOH en partant du côté supérieur (à la figure 1 il s'agit du côté inférieur) ; cette gravure se poursuit jusqu'à ce que ne subsiste que la membrane 3 puis on arrête l'opération de gravure. Ensuite, on fixe une seconde plaquette pour la seconde couche 2. 2 sur le dessus de la première plaquette par exemple par une liaison anodique dans une couche de liaison 2.3; on applique les masses sis-miques 8 pour former une pile de plaquettes à partir de laquelle on peut obtenir les éléments de capteur 1 directement en les séparant. En principe, le système de couches 2 peut également être subdivisé dans une direction horizontale.

La membrane 3 comporte de petits passages ou orifices.

Ainsi, la cavité 4 est séparée de l'environnement 12 entourant l'élément de capteur 1. Les résistances piézo-électriques 6 mesurent ainsi d'une part un débattement correspondant à la différence de pression entre le volume extérieur ou environnement 12 et la cavité 4. La cavité 4 contient avantageusement un gaz ou un mélange gazeux pour que la différence de pression et ainsi la tension mécanique au niveau de la membrane 3 reste faible. En variante, la cavité 4 peut également être mise sous vide de sorte qu'uniquement la pression extérieure p de l'environnement 12 agit sur une face. En outre, la membrane 3 est soumise à la force de gravitation G du fait de la masse sismique 8 et du poids propre de la membrane 3. Dans l'alignement horizontal présenté de l'élément de capteur 1, cette force de gravité G est perpendiculaire au plan de la membrane 3; en d'autres termes, cette force est dirigée dans la même direction que la force exercée par la pression extérieure p du volume extérieur 12. Pour une disposition basculée de manière corres-pondante de l'élément de capteur 1, le poids G agit de manière générale non perpendiculairement à la membrane 3, si bien que seule la composante vectorielle perpendiculaire à la membrane 3 participe au signal de mesure des résistances piézo-électriques 6, égale au produit de la force de gravitation G et du cosinus de l'angle entre la normale à la surface et la direction verticale de la force de gravité.

Ainsi, le signal de mesure des résistances piézo-électriques 6 dépend de l'orientation de l'élément de capteur 1. Selon l'invention, on utilise l'élément de capteur 1 comme élément de capteur de pression pneumatique, le volume intérieur du pneumatique 14 re- présentant le volume extérieur de l'espace extérieur 12 de l'élément de capteur. Dès le véhicule démarre, le pneumatique 14 tourne si bien que tout d'abord dans le domaine basse fréquence de quelques Hz, on a une variation périodique de la position ou de l'orientation de l'élément de capteur 1; cela peut tout d'abord signifier une pression pratiquement constante p intérieure au pneumatique comme variation de la composante normale de la force de gravitation G. En variante au mode de réalisation de la figure 1, le développement de la membrane 3 peut également se faire selon la figure 2 comme indiqué dans le document DE 100 32 579 Al (micromécanique de surface) en technique MMS selon lequel dans un substrat mono-cristallin 2, on développe par gravure au gaz ou gravure au liquide, les pores d'une structure spongieuse ou en forme de grille; puis, on dépose une future membrane correspondant à une couche épitaxiale. La cavité 4 est formée dans ce mode de réalisation par un recuit suivant de la matière poreuse sous la membrane 3 à une température de l'ordre de 300 à 1200 C pendant plusieurs heures. En variante, on peut égale-ment déposer tout d'abord sur le substrat 2, une couche épitaxiale correspondant à la membrane 3; au cours de la gravure suivante, on réalise des pores ou de petits pores dans la zone de la future membrane 3; ensuite, on fait passer l'agent de gravure par exemple un gaz gravant le silicium tel que par exemple de l'acide fluorhydrique HF ou un liquide gravant le silicium dans la matière en vrac située en dessous pour développer la cavité 4. Les orifices de gravure dans la membrane 3 peu- vent ensuite être refermés par application d'une couche de recouvrement sur la membrane 3.

La figure 3 montre la mise en place de l'élément de capteur 1 selon les figures 1 et 2. On forme un module de capteur 16 en fixant l'élément de capteur 1 sur une plaque de circuit 18 servant de support de montage. Le contact peut se faire comme indiqué par des zones de liaison 22, par exemple des billes de soudure 22 ou des zones de colle conductrice 22 et des contacts traversants ou aussi à l'aide de fils de liaison.

La figure 4 montre un autre mode de réalisation selon le- quel, une cavité est réalisée comme volume extérieur 12 dans la face supérieure de la plaque de circuit 18; cette cavité est par exemple réalisée par fraisage. L'élément de capteur 1 ou la puce de capteur est fixée en technique Flip-Chip c'est-à-dire en disposition inversée avec sa face supérieure de puce usinée en MMS, plus sous la face supérieure de la plaque de circuit 18. Entre l'élément de capteur 1 et la plaque de circuit 18, on a des billes ou gouttes de soudure 22 pour réaliser le contact. Ces billes et la masse sismique 8 sont appliquées sur la plaque de circuit 18 avant la mise en place de l'élément de capteur 1. Entre l'élément de capteur 1 et la plaque de circuit 18, on peut loger en complément un sous-remplissage 24.

L'exploitation des signaux de mesure des résistances piézo-électriques 6 peut également se faire par un module ASIC 26 supplémentaire ou aussi à l'aide du circuit d'exploitation 30 formé déjà dans la puce de capteur ou l'élément de capteur 1. En outre, on peut par exemple développer une antenne 28 sur une autre puce et le con-tact se fait alors par la plaque de circuit 18.

Le procédé selon l'invention sera décrit à l'aide de l'ordinogramme de la figure 5. Le démarrage selon l'étape S1 se fait déjà lors de l'installation du module de capteur 16 dans les pneumatiques de véhicule 14. Comme le module de capteur 16 est indépendant et est uniquement alimenté en énergie d'accumulation 32 par exemple par une soupape galvanique, à l'arrêt du véhicule, tout d'abord selon l'étape S2, on est en mode de veille avec consommation minimale d'énergie. En mode de sommeil S2, des signaux de mesure s des résistances piézo- électriques 6 sont extraits en continu par exemple à des intervalles de temps cadencés. Dans l'étape de décision S3, on vérifie s'il y a une variation significative dans le temps pour le signal d'accélération mesurée ou de pression mesurée.

Pour cela, on forme la dérivée en fonction du temps et des différences de valeur de mesure successives si et si-1. Selon l'invention, on les examine tout d'abord pour déterminer si ces valeurs sont supérieures à une première valeur de seuil swl et inférieures à une seconde valeur de seuil sw2. Le seuil sw 1 sert à la discrimination de façon qu'une variation suffisante de signal supérieure au bruit de mesure existe. La valeur de mesure sw2 sert à distinguer des variations de la pression extérieure p, appliquée, qui fournit une amplitude élevée pour le signal de mesure s. Selon l'invention, on peut en variante ou en complément également examiner la plage de fréquence de la variation de signal pour qu'au début du roulage, quelques tours de roue et ainsi des variations de basse fréquence se situent dans la plage inférieure par exemple à 10 Hz.

Dans le cas où une variation significative de position est détectée, on remet le procédé suivant la dérivation y avant l'étape S2, c'est-à-dire que le module de capteur 16 reste en mode de veille.

Si cela n'est pas le cas, on commute selon un branche-ment n dans l'étape S4, en mode actif dans lequel on détermine aussitôt la pression de référence p (c'est-à-dire la pression dans le volume extérieur 12) et les signaux de mesure ou signaux d'exploitation sont émis vers l'extérieur par l'intermédiaire de l'antenne 28.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1 ) Elément de capteur de pression micromécanique comprenant au moins: une structure (2) notamment un système de couches (2), avec une membrane (3) sous laquelle une cavité (4) est séparée de l'extérieur (12) de l'élément de capteur de pression (1), - une installation de mesure (6) pour mesurer le débattement de la membrane (3) et - une masse sismique (8) réalisée sur, sous ou dans la membrane (3).

2 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de mesure (6) comporte au moins une résistance piézo-électrique (6) réalisée dans la membrane (3) ou un élément piézoélectrique (6) réalisé dans la membrane (3), pour mesurer le débatte-ment de la membrane (3).

3 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance piézo-électrique (6) ou l'élément piézoélectrique (6) sont réalisés par un dopage local de la membrane (3).

4 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance piézo-électrique (6) ou l'élément piézoélectrique (6) sont mis en contact par des zones semi-conductrices à concentration de do-page identique ou plus élevée.

5 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse sismique (8) est une perle de soudure (8) déposée sur la membrane (3).

6 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse sismique (8) est réalisée en micromécanique dans, sur ou sous la membrane (3).

7 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de couches (2) comporte au moins une couche supérieure (2.1) comprenant la cavité (4) et la membrane (3), et une couche inférieure (2.2) fixée sous la couche supérieure (2.1) et recouvrant la cavité.

8 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cavité est obtenue par une gravure en micromécanique en vrac, par exemple par voie chimique humide.

9 ) Elément de capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur a sa source d'énergie propre (32) ou est raccordé à une source d'énergie propre (32).

10 ) Procédé d'utilisation d'un élément de capteur de pression (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel: -l'élément de capteur de pression (1) fonctionne en mode de veille à faible consommation d'énergie et en mode actif à consommation d'énergie plus élevée, - en mode de veille, on vérifie (S2, S3) une variation dans le temps des signaux de mesure (s) de l'installation de mesure (6) (S2, S3) et lors-qu'on constate une variation significative des signaux de mesure (s), on conclut qu'il y a une variation de position et on commute (S4) dans un mode de fonctionnement dans lequel on envoie les signaux de mesure de l'installation de mesure (6) ou des signaux d'exploitation formés à partir des signaux de mesure par une installation d'émission (34) , par exemple une antenne (34).

11 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' en mode de veille, on exploite les variations des signaux de mesure dans une zone basse fréquence par exemple inférieure à 10 Hz, et on reconnaît les variations du signal de mesure dans la plage basse fréquence comme variations de la position de l'élément de capteur (1).

12 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu' en mode de veille, on reconnaît les variations du signal de mesure (s) de l'installation de mesure (6) au-dessus d'une valeur limite (swl) comme 10 variations de la position de l'élément de capteur (1).

13 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' on utilise l'élément de capteur de pression (1) pour mesurer la pression 15 interne (p) dans un pneumatique.