FR2979151A1 - Capteur de pression couple de maniere electrostatique - Google Patents

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Abstract

Un capteur sensible à la pression selon l'invention comprend un élément flexible (82) contenu dans un boîtier (86) et une membrane (96) configurée pour exercer une force électrostatique sur l'élément flexible (82) afin d'amener l'élément flexible (82) à répondre à des variations de pression sur la membrane (96). Un procédé de détection de pression comprend le fait de coupler de manière électrostatique une membrane (96) à un élément flexible (82) contenu dans un boîtier (86) afin de transférer une réponse de pression de la membrane (96) à l'élément flexible (82). Le mouvement de l'élément flexible (82) est converti en un signal de pression.

Description

ides luites sources scn transmises la terre sous la joui e d'un si acous -(1 le elouel acoustique rencontre une 10 interface entre deux strates sous la surface ayant des impédances acoustiques différentes, une partie du signal acoustique est réfléchie vers la surface terrestre. Des capteurs détectent ces parties réfléchies du signal acoustique, et les sorties des capteurs sont enregistrées 15 sous forme de données. Des techniques de traitement de données sismiques sont alors appliquées sur les données recueillies afin d'estimer la structure sous la surface. Ces recherches peuvent être réalisées sur la terre ou dans l'eau. 20 Dans une recherche sismique marine typique, de multiples câbles de flute marine et une ou plusieurs sources sismiques sont remorqués derrière un navire. Une flute marine typique comprend de multiples capteurs sismiques positionnés à des intervalles espacés sur sa 25 longueur. -tsieurs flutes marin sont souvent positin en parallèle au- d'une zone de rechercue. î nu plusieurs sources sismiques (telles que ( son`- (- isatior 30 pruit et le fil r (2t,ionnel d' narines sim à L en- ou depo déforme se à l'accélération du capt-_eur. 10 circuits sur 1- substrat mesurent le degré de mouvement ou de déformation afin de générer un signal de sortie de capteur. Une rétroaction peut être utilisée pour s'assurer que le capteur réalise des mesures précises. L'invention concerne un capteur sensible à la 15 pression comportant : un élément flexible contenu dans un boîtier; et une membrane configurée pour exercer une force électrostatique sur l'élément flexible afin d'amener l'élément flexible à répondre à des variations de pression 20 sur la membrane. Avantageusement, l'élément flexible est séparé de la membrane de détection de pression par au moins un espace. Avantageusement, la membrane forme une partie du 25 boîtier autour de 11 11ent flexible. Avan , le boîti est rigide et une sur ide entre urane et l'élément ..7-C771.1nt 30 la mbrane pas caraLlèle à le vide ou ... scellé afin .se pression autour capteur comporte fie;-:Lblc n une ere aoacitive à une é I. cc=ode sur , entL non 'ixible, et en ce ccc le er outre un circuit couplé auxdLtes éle trodes afin de détecter le mouvement de l'élO=rt Avantageusement, le circuit comprend un passage de rétroaction vers au moins une des électrodes afin de contrecarrer le mouvement de l'élément flexible.
Avantageusement, le capteur comporte en outre un circuit de compensation qui compense la réponse de l'élément flexible à l'accélération du capteur. Avantageusement, le circuit de compensation utilise un élément en porte-à-faux pour produire un signal ayant une composante d'accélération opposée à la réponse à l'accélération de l'élément flexible. Avantageusement, ledit signal a également une réponse à la pression qui augmente la réponse à la pression de l'élément flexible.
L'invention concerne également un procédé de détection de pression enant le fait de: coupler de ma crostatique une membrene à un cloner: flexible contenu dans un boîtier 'in de se de p es s jolI de la nlcnbzane à flexible le et le à l' ble. fait le comporte -r.re la 1' , le du bo oritre le r=brane. _age lac oceracion de couplage fait de forir électrostatique comprend le fait de relier électric-Hcm-, une première électrode couplée de manière capacitive membrane (96) et une deuxième électrode couplée de manière capacitive à l'élément flexible. Avantageusement, le boîtier est scellé afin de maintenir un espace de vide ou de basse pression autour de l'élément flexible. Avantageusement, ladite opération de conversion comprend le fait de : détecter un changement de capacité provoqué par le déplacement de l'élément flexible; et commander ledit mouvement avec un signal de rétroaction. Avantageusement, le signal électrique comprend une composante de réponse à la pression et une composante de réponse à l'accélération, et en ce que le procédé compor en outre le fait d'annuler au moins partiellement la réoorse à l'accélération. différentes la meilleure atic lle 3( 1 ure 2 montre une coupe de flute rar d' il _ La `re marin d'illu e de :re un r de llust _.on re la e du mica_.,; pre n d'illustration ; a figure 5 montre un circuit d'illustra_ destiné à mesurer la réponse du capteur ; La figure 6 montre un circuit de capteur numérique d'illustration ; Les figures 7A et 7B illustrent la réponse d'un double capteur à la pression et à l'accélération ; La figure 8 montre une unité de combinateur d'illustration destinée à former une réponse de capteur compensée ; Les figures 9A et 9B montrent des variantes de formes de réalisation d'un capteur de pression à MEMS d'illustration avec un boîtier rigide ; La figure 10 montre une variante de forme de réalisation d'un capteur de pression à MEMS d'illustration avec un boîtier partiellement flexible ; et La figure 11 est un organigramme d'un procédé de détection de -ession d' i]. lustration . lée 1 évic les s,-; et siphon ne lim_ pas la divulgation, au ils procurent la base pour comprendre 1-:alents, et variantes qui tom n. fc ils Au moins lo so..arce de brui, tout en permet:a jours C.te mesurer lC press on, on propose ici capteur de pression dans lequel élément ne c dans espace sous vide ou à basse pression. L'élémen de détection est couplé de 15 manière électrostatique à une membrane qui se déplace ou se déforme en réponse à une pression ambiante ou appliquée. Le couplage électrostatique peut être procuré par des électrodes chargées de manière similaire sur l'élément de détersion et la membrane. Ces électrodes peuvent être 20 éparées par un petit espace ou. être couplées de manière capacit- au moyen. ne paire a trodes -:médiaires. Ces configurations peuvent rJr 3e-2r élément de détection toute en le pro-égeant du fldu par le mouvement moléculai. 30 le rnctionneT )rm de e-.1x c 10 sont inclus de mani typique pour suivre le mouvement et la configuration de la rangée de capteur. Un système d'enregi:, :ement de données 18 recueille et stocke des données provenant des unités de capteur. Les flutes marines 24A sont remorquées par 15 l'intermédiaire d'un ensemble de remorquage 28 qui produit un agencement souhaité des flutes marines 24A. L'ensemble de remorquage 28 comprend de multiples câbles interconnectés et des plongeurs de ligne 30A afin de commander le positionnement des flutes marines. Des 20 conducteurs électriques et/ou des câbles à fibre optique relient les unités de capteur dans les sections de flute marine 26 des flutes marines 24 au système d'enregistrement de données 18 à bord du bateau 12. Une source sismique 20 produit des ondes 25 acoustiques 32 sous la co=iii.le du système d'enregistrement de 18. La sou: i ique 20 peut et-le ou peut compr par canon que, un ou un aut.itif, Les ondes ipiques 32 (71u a su 30 LIT_ ce 20 et par u enant s 26 flute marine la ( sort Des capteurs do position interface plus de es réflexicic de sor,ie des Les signaux cite sortieroduits par 10 les unités de capteur sont enregistrés par le système d'enregistrement de données 18 à bord du bateau 12. Les signaux enregiE sont interprétés ultérieurement afin de déduire la structure, la teneur en fluide, et/ou la composition des formations rocheuses en dessous de la 15 surface 36. La figure 2 montre une forme de réalisation d'illustration d'une des sections de flute marine 26. La section de flute marine 26 illustrée comprend de multiples unités de capteur espacées 50, où chacune des unités de 20 capteur 50 comprend au moins un capteur sismique comme cela est décrit plus en détail ci-dessous. La section de flute marine 26 peut être sensiblement cylindrique, et a deux - rémités opposées 52A et 52B. La section de flute marine 26 a une longueur L, où L est supposée faire entre environ 25 n4 pieds (50 mètres) et 328 pieds (100 7_res), avec des einent d'uniué de , S1 = rapport aux 52A, x113, et des entre elles, S2 sorti" inférieurs à 4,9 réalisa 30 so surface s connecte'.1 s pour l'a de co:::'-es n électrique et 7 marine, les u re,lisation de séparees en preLc,rencL gr-v de N unités on 4 et les sont à une Chaque un té de ::-r.,.mande de groupe peut rece'7o:Lr de signaux de donn,., numériques provenant des unités de capteur 50 correspondantes, et produire un unique flux de données de sortie qui transporte les données provenant du groupe. Le flux de données de sortie peut être produit en utilisant, par exemple, des techniques de compression de données, des techniques de multiplexage à division temporelle, et/ou des techniques de multiplexage à division fréquentielle. La figure 2 montre un bus de distribution d'énergie 56 et un bus de données 60 qui s'étendent sur la longueur de la section de flute marine 26 entre les connecteurs aux extrémités 52A et 52B. Chacune des unités de capteur 50 dans la section de flute marine 26 est reliée au bus de distribution d'énergie 56 et au bus de données 60. Le bus de distribution d'énergie 56 comprend des conducteurs t:Iectriques destinés à rer de l'énergie électrique comprend fibre opti ,--ie prod unités de capteur 50. 10 bus de dnd.s 60 conducteurs électriques et/ou des à afin de transporter flux de unn de - les unités eur 50. Le xus de ent utilisJorter se'JL1 n de fliite marine 26, et la section ce Irute marine 10 d'illustration de l'unité de capteur 50. L'unité de capteur 50 illustrée comprend une unité de télémesure de capteur 70 reliée à un accéléromètre à 3 axes 72A et à un hydrophone 72B. L'unité de télémesure de capteur 70 est reliée au bus de distribution d'énergie 56 et au bus de données 60 de la 15 figure 2, et délivre de l'énergie électrique aux capteurs. L'unité de télémesure de capteur 70 reçoit des signaux de sortie provenant des capteurs et génère un flux de données de sortie qui comprend des représentations des signaux de sortie de capteur pour transmission au système 20 d'enregistrement de données 18 (voir les figures 1 et 2) par l'intermédiaire du bus de données 60. L'unité de télémesure de capteur peut en outre recevoir des commandes provenant du système d'enregistrement de données 18 par l'intermédiaire du bus de données 60 et peut ajuster son isation une forme de montre 1 - :r:- ec lementde o. connues utilisées. La figure 2E de la çjaine. de flute ua U.S. -' 7 25 fonctionnement et par cons 1 exigences (;.,e flute mer ca qui peunt etre celui des capteurs. ques et le un nombre de disposés dans aes secif 30 esse nes ilisenu une Lcin1o1ogie techni -cro rat.. Le micro--usi nope do -face impl.i que le ta 1r de dé pose et de graver ensuite des films minces sur les Lrats, à la manière des processus de fabrication de circuit intégré courants. Les deux technologies produisent des capteurs physiquement plus petits qui de manière typique cèsent moins et dissipent moins d'énergie électrique. Comme cela est davantage expliqué ci-dessous, un circuit intégré de numérisation réduit en outre la consommation d'énergie comparé à un capteur analogique suivi d'un convertisseur analogique-numérique séparé. L'utilisation de ces capteurs numériques dans une flute marine peut permettre d'avoir un nombre accru de capteurs tout en maintenant ou en réduisant les exigences globales de puissance et de câblage de la flute marine. Les figures 4A et 4B montrent un capteur de pression à MEMS 80 d'illustration. Le capteur de pression 80 comprend un élément en porte-à-faux 82 suspendu dans une proriere chambre d'un boîtlier sen-. ibleL.ent rigi , '6. L'élem e- i2orted faux 82 eu t qicbaicii:ect.:rectarrui ire, et n deux es princl Jen -t 1, , et ,mité de base 22 de l' .-- 8, cuuin uixrètue électroo 94 est .:;r. 1'ext30 électrode afin de faciliter le couplage électrostati 10 entre les deux. La membrane flexible 96 forme une paroi d'une deuxième chambre 98 dans le boîtier 86, et elle est configuré cour se déformer en réponse à une stimulation d'entrée (par exemple pression ou une force mécanique). La membrane flexible 96 a une épaisseur qui lui donne une 15 résistance suffisante pour supporter les pressions hydrostatiques attendues, toute en se déformant suffisamment dans un champ de pression acoustique pour générer des forces électriques adéquates sur l'élément en porte-à-faux 82. 20 Les deux chambres sont scellées ; la chambre 84 avec un vide ou une basse pression afin d'éviter de provoquer ou d'affecter le mouvement du porte-à-faux, et la chambre 98 avec une pression qui procure un équilibre approprié pour des conditions de pression externe. Il est à 25 noter que les figures ne sont pas dessinées à l'échelle et que la chambre 98 peut en pratique être plus grande e la chambre 84. Selon les conditions de conc,ption, lachambre 98 peut être remplie d'1 n pa.. inerte ou me être maintenue 9C conci ce 100. La surf co,.; con' ctrice 1 80 comprend une électrode fix deu 30 mer avec 102. espace 105 existe entre 82 a intr ce de .es externes 10 quelconques, 1 à revenir d ns une position neutre. Lorsque la membrane flexible 96 se déplace vers l'extrémité libre 90 de l'élément en porte-à-faux 82, la force électrostatique de répulsion entre les électrodes augmente, ce qui tend à amener l'extrémité libre 90 de l'élément en 15 porte-à-faux 82 à se déplacer à l'écart de la membrane flexible 96 qui s'approche (c'est-à-dire à se déplacer dans la même direction que la membrane flexible 96). D'une manière similaire, lorsque la membrane 96 se déplace à l'écart de l'élément en porte-à-faux, la force de répulsion 20 diminue, en permettant à l'élasticité intrinsèque de l'élément en porte-à-faux d'amener l'extrémité libre 90 de l'élément en porte-à-faux 82 à se déplacer vers la membrane qui recule. Comme cela est indiqué dans la figure 5, le 25 capteur de pressior 80 comprend en outre une raire d' 1 la é de base: de 1 ence 30 chi, dist,ii es 'DU' et entre les 14 /1. l'élecRi. fuv7 condensa,,e r èle var erseen à la di- 1 l'élecL-oae qui vara -renu. un CU' s dndensateur c' L ci 'DL' cha ,:.:,:',,,_; CL, e nsion VC .. .:(! par rapport à J et à Ju ou amplifica de charge 1G6 sont relia. in de détecter 10 le ou les changements relat'fs de nsion et pour produire un signal indicatif du ou des changements de capacité. La figure 6 montre un circuit de transducteur numérique d'illustration 110 qui configure le mécanisme de capteur de pression comme capteur numérique. Le circuit de 15 transducteur numérique 110 comprend un circuit à action directe 112, une boucle de rétroaction quantifiée 114, et une unité de sortie 124. Le circuit à action directe comprend un amplificateur de charge 106 (figure 5), une unité d'intégrateur 116, et une unité de quantificateur 20 118. La boucle de rétroaction quantifiée procure un passage pour renvoyer la sortie de l'unité de quantificateur 118 vers l'électrode de détection/commande, et elle peut comprendre une unité de circuit de commande 122 afin d'amplifier le signal numérique et/ou procurer un décalage 25 de tension. La sortie de l'unité de quantificateur 118 prend la -- mal modulé par densité d'impulsion qui fait oscîller l'élément en porte-à-faux autour d'une position d'éuitlibre. Si la posit] la position », 1 vocu.:1 é 30 . La Quanc on ext :ion _appo reiai ou de zéros sur est exige pour r.o mir la positi nul. Le circuli unité ,e :sion en 10e re de caooeu.m.rmrcr:Jmue, Dans au moins certaines éal'satLon, l'unité de soruie 124 est un compteur qui mesure le nombre d'impulsions dans chaque intervalle de temps donné. Tant que l'horloge pour l'unit:é. de quantificateur et de sortie est sensiblement plus élevée (par exemple > 10 fois) que la composante de fréquence la plus élevée de la mesure, le circuit numérique de transducteur produit une mesure précise. Les figures 7A et 7B illustrent l'utilisation d'une paire de capteurs de pression 80A, 80B dans une configuration dos à dos. La figure 7A illustre la réponse d'éléments en porte-à-faux 82A et 82B à une stimulation de pression, c'est-à-dire les mouvements attendus des membranes flexibles 96A et 96B, et les éléments en porte-à-faux 82A et 82B sont représentés en pointillés. Les mouvements indiqués amènent les capteurs 80A et 80B à produire des signa;K ayant les mânes signes ou la même polarité. D'unesimilaire, 1_,J figure 73 illustre le lse des ele porte-à-faux à une stimulaH_ 'accélération. Les 1nementsindiqués amènent urs 80A et 80B à .gnau:: a7,=,- des - 80B d' at.ion es qui son: ejDuees par l'unité ua cnmbinaison de 10 signa 140 afin de procurer une valeur compensée de capteur numérique. Des signaux de coTnande peuvent être délivrés à partir de l'unité de telemesure de capteur 70 afin de commander la synchronisaticn de fonctionnement de l'unité de combinaison de signal par rapport au fonctionnement de 15 l'unité de sortie 124. Pour des sorties de capteur analogique, un ensemble d'amplificateurs ou même un réseau d'impédance peut être utilisé pour additionner les signaux de sortie de capteur. La figure 9A montre une première variante de 20 forme de réalisation d'un capteur de pression à MEMS d'illustration. Comme avec la forme de réalisation des figures 4A à 4B, une électrode chargée 100 est montée sur la membrane flexible 96 afin de se déplacer en réponse à une stimulation de pression. Plutôt que d'avoir la force 25 électrostatique qui agit dire temenf sur l'électroc- 94 de en porte-à-faux, une paire intermédiaire 30 142 est relit afin de procurer un ulnmnnt de charge en 1-(.10 à Lsque fie::ibi1ité dans a mise .ice ie Je=rane 96 à l'.. :nt per de l'a ienta Jan non para1Le si , est ---.-:,i'-'ni eu.. voir e 9B -, e 9. aria Tee__, d:_culaire à l' poru 82. Un rai e 1er electrodas 141, . afin de -tLre un trans e charge en eponse à un mouvement la ::nbrane flexible.
La figure 10 montre une deuxième variante de forme de réalisation dans laquelle la membrane flexible 96 fait partie de la paroi de la première chambre 84, en éliminant toute nécessité d'une chambre séparée 98 (figure 4). Les charges répulsives sur les électrodes 94 et 100 permettent à un mouvement de la membrane flexible d'être transformé en force électrostatique variable sur l'élément en porte-à-faux 82 comme cela a été décrit précédemment. La figure 11 est un organigramme d'une forme de réalisation du procédé de détection de pression 150 qui est utilisé par au moins certaines formes de réalisation des capteurs de pression divulgués. Pendant l'étape 152, une membrane de détection de pression (par exemple la membrane flexible 96) est couplée de manière électrostatique à un élément flexible (par exemple, l'élément en porte-à-faux 82) contenu ciaris un boîtier scellé (par exemple le boîtier La membrane de de': ' de prasir;L xerce une force -ctrostatique sur exible qui ,re par apport àJe prernion. n 'tape 154, le mou OU 1' flexJ.ble - -erti 3() (:ap le de l' e1rrnt flexible,et en le mouvemenc avec un signal de rétroaction. bC-1 flexible 82, en c. on ecd,_ rechel es ma pour décrile des capteurs ce pression ues et des (lutes marines, nais les applications ne sont pas mtées à cela. De plus, d'autres mécanismes de rétroaction de capteur peuvent être utilisés au delà de ceux décrits ci-dessus. Les électrodes de commande/détection peuvent par exemple être divisées en électrodes multiples pour une détection plus précise et une commande de rétroaction individuelle.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1. ible à la cara( ,mporte un (82, 82A, 82B) cor:_ un REVENDICATIONS1. ible à la cara( ,mporte un (82, 82A, 82B) cor:_ un boîtier (86) ; et une membrane (96,96A,96B) configurée pour exercer une force électrostatique sur l'élément flexible (82, 82A, 82B) afin d'amener 1' élément flexible , 2A, 82B) à répondre à des variations de pression sur la membrane (96,96A,96B).
  2. 2. Capteur (80,80A,80B) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément flexible (82,82A,82B) est séparé de la membrane de détection de pression (96,96A,96B) par au moins un espace.
  3. 3. Capteur (80,80A,80B) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane (96,96A,96B) forme une partie du boîtier (86) autour de l'élément flexible (82,82A,82B).
  4. 4. Capteur (80,80A, -0B) riendications 1 à 3, car gide ,.Dmprend u: :ne B) e n l'une quelcon. en ce que le boîtier ace rigide (102) entre la ey:ibi. (82,
  5. 5. 1 à - outre un nmière élec relise à une deux ectrode, la pL éle(:10 7. Capteur (80,80A,80B) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le boîtier (86) est scellé afin de maintenir un esnace de vide ou de basse pression autour de l'élément flexible (82,82A,82B). 15 8. Capteur (80,80A,80B) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément flexible (82,82A,82B) a une électrode (92) couplée de manière capacitive à une électrode (104A,104B) sur une surface relativement non-flexible, et en ce que le capteur 20 comporte en outre un circuit couplé auxdites électrodes afin de détecter le mouvement de l'élément flexible (82,82A,82B). 9. Capteur (80,80A,80B) selon la revendication 8, 25 caractérisé en ce que le circuit comprend un pssage de (96) tive 13 ) rétroaction (114) vers au roins une Lec!.7r- cie contrecarrer le mou1eMe (82,82A,82B).. 21 ( 0, 80A, 80B) SE térise le circui7 d:cation 10, Lon utilise un en porte-à- ix pour orot,i un uignal vant une d'accLera on oupo-ee à la nse à on de l' e (82,8: 12. pceur (80,80A,?-,GB) ssalon la rev T-0 1 caractérisa ui ce que leOt si eqàlemen' une rarcnsa à la pression qui augonte la réponse à la pression l'élement flexible (82,82A,8213). 13. Procédé de détection de pression caractérisé en comporte le fait de : coupler de manière électrostatique une membrane (96,96A,96B) à un élément flexible (82,82A,82B) contenu dans un boîtier (86) afin de transférer une réponse de pression de la membrane (96,96A,96B) à l'élément flexible (82,82A,823) ; et convertir un mouvement de l'élément flexible (82,82A,82B) en un signal électrique. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre le fait de placer la membrane (96,96A,96B) à l'extérieur du boîtier (86) et parallèle à flexible selon la revendication 13 nu ce 'te en outra,tt entre la ma-H an( (918. Procédé selon l'une ninJ conque des rcvendications 13 à 17, caractérisé en ce que le boîtier (8) est scellé afin de maintenir un espace de vide ou de basse pression 15 autour de l'élément flexible (82,82A,82B). 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisé en ce que ladite opération de conversion comprend le fait de : détecter un changement de 20 capacité provoqué par le déplacement de l'élément flexible (82,82A,82B) ; et commander ledit mouvement avec un signal de rétroaction. 20. Procé(le selon l'une quelconque des revendications 25 13 à 19, caracuerisé en ce cce le signal eleetriql compr nd .:o=osante de renonce a la ccc ion et une 7.,mposte de e à l'accele Ofl ce que le c,(-1e comporte en outre au mc* 10 :tc tive à t lexible (82,82A,82B). 17. rode ide de manière 1'
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