FR2983955A1 - Capteur de pression pour fluide - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un capteur de pression (11) pour fluide apte à mesurer la pression d'un fluide. Le capteur selon l'invention comprend un élément sensible (21) conformé pour être sollicité mécaniquement sous l'effet d'une pression exercée par ledit fluide et pour transformer ladite sollicitation mécanique en variation électrique. L'élément sensible est relié à un dispositif de traitement de données apte à communiquer avec un dispositif d'acquisition de données. Ledit élément sensible comprend une puce à système micro-électro-mécanique (23) comprenant une membrane sensible (49) apte à être sollicitée mécaniquement sous l'effet de la pression du fluide et une couche de matériau silicium sur laquelle est réalisé un circuit de détection de contrainte (31). Ledit circuit comprenant des jauges transverses et longitudinales formées par des portions de la couche de matériau silicium et permettant de transformer la sollicitation mécanique de la membrane en une variation de valeur desdites jauges.

Description

La présente invention se rapporte à un capteur de pression pour fluide. Plus précisément, le capteur de pression selon l'invention est destiné à être utilisé dans des conditions extrêmes de pression telles que celles rencontrées dans les puits de forage par exemple, lors de l'exploration, la production ou du transport du pétrole ou du gaz. Typiquement, pour ces applications la pression peut aller de quelques centaines de bars jusqu'à plus de 2000 bars. Pour des conditions opératoires aussi extrêmes, les technologies utilisées aujourd'hui pour la mesure de pression sont très limitées et reposent sur l'utilisation d'éléments mécaniques macroscopiques en alliage d'aciers à haute résistance tels que l'inconel ou en quartz, et sont associées à des techniques de fabrication complexes. En conséquence les sondes de haute pression disponibles sur le marché ont une taille importante (typiquement plusieurs dizaines de centimètres de longueur), un coût élevé et des fonctionnalités limitées. Une caractéristique importante des besoins en instrumentation de fond de puits est liée au fait que la grande majorité des phénomènes à évaluer pendant les opérations de forage, de production ou de stimulation peut être relié à de faibles variations autour de la valeur nominale de pression qui, comme précédemment décrit, est de très forte valeur. Les progrès récents de l'industrie du silicium et de la microélectronique ont permis le développement de capteurs de pression miniaturisés. L'avantage principal de cette technologie est que les éléments sensibles sont fabriqués de manière collective à partir de plaquettes de silicium, permettant de produire un grand nombre de « puces » pour un faible coût. Toutefois, les capteurs utilisant des éléments sensibles de ce type ont des performances et une fiabilité limitées, particulièrement aux conditions 30 extrêmes de pression précitées. En effet, le silicium est un matériau très fragile lorsqu'il travaille en élongation. Un allongement relatif de l'ordre de 1% provoque la rupture du cristal, et donc la destruction du capteur. Même pour des niveaux de contrainte en tension inférieurs à cette valeur limite les dislocations présentes dans le 35 cristal se déplacent, ce qui provoque des problèmes de fatigue et une dérive de l'élément sensible.

Il en va différemment lorsque le silicium est soumis à des efforts de compression où, dans ce cas, des contraintes très importantes peuvent être supportées sans problème de fatigue du matériau. En pratique, on parvient à des contractions de l'ordre de 5 % sans risque de rupture.

Il est donc critique lors de la mise au point d'un capteur d'optimiser la répartition des contraintes dans les structures. Cette répartition définira les performances métrologiques du capteur, sa sensibilité, sa stabilité et sa robustesse. L'élément sensible d'un capteur de pression silicium selon l'état de l'art est représenté en figure 1 et comprend un cadre rigide 1 au centre duquel une zone d'épaisseur réduite est réalisée par micro-usinage du silicium de façon à former une membrane sensible 2 comprenant une paroi supérieure 3 et inférieure 4. Des résistances sensibles à la contrainte 5, dont deux résistances 5a sont placées longitudinalement et deux résistances 5b sont placées transversalement, encore appelées piézorésistances ou jauges, sont situées sur la membrane 2 et reliées entre elles par des moyens de connexions 6 afin de former un circuit de mesure en forme de pont de Wheatstone. On se réfère à la figure 2, illustrant l'élément sensible du capteur 20 sous la face inférieure duquel une plaque 8 est fixée, constituant ainsi une cavité 9 sous vide et permettant ainsi de former un capteur de pression absolu. Le fonctionnement de l'élément sensible, connu de l'art antérieur, est le suivant : l'effet de la pression appliquée sur la paroi supérieure 3 de la membrane 2 crée une force qui induit une déflexion de ladite membrane et 25 l'apparition de contraintes mécaniques dans le plan de la membrane, qui sont mesurées par les piézorésistances. La figure 3 illustre la forme que prend la contrainte le long de l'axe de la membrane pour une pression donnée. 30 Les zones de contraintes maximales apparaissent au niveau des encastrements (en tension sur la paroi supérieure de la membrane et en compression sur sa paroi inférieure) et du centre de la membrane (en compression sur la paroi supérieure et en tension sur la paroi inférieure). La figure 4 illustre schématiquement le circuit de détection de 35 contrainte selon l'art antérieur.

Les résistances sont alimentées en tension ou en courant depuis l'extérieur au travers des contacts électriques 7a et 7b. La sortie de l'élément sensible est définie par la différence de tension Vs entre les contacts 7c et 7d qui s'exprime par les relations suivantes, obtenues en se référant à la figure 5 : Vs= 1/2. V. (4RI/R1 - ARt/Rt), ARI/RI = GI x 41/I, ARt/Rt = Gt x 41/I, dans lesquelles: V est la tension d'alimentation du pont, RI est la valeur d'une piézorésistance longitudinale 5a (les deux jauges longitudinales étant supposées identiques), qui est soumise à un allongement 41/I dû à l'effet de la pression sur la membrane qui est dirigé suivant l'axe de passage du courant dans la résistance, et 4R1 la variation de cette résistance sous l'effet de cette contrainte par rapport à la position de la membrane au repos, c'est-à-dire sans pression. Rt est la valeur d'une piézorésistance transverse 5b (les deux jauges transverses étant supposées identiques), qui est soumise à un allongement 41/I dû à l'effet de la pression sur la membrane qui est dirigée perpendiculairement à l'axe de passage du courant dans la résistance, et ARt la variation de cette résistance sous l'effet de cette contrainte par rapport à la position de la membrane au repos (sans pression). GI et Gt sont les facteurs de jauge longitudinal et transverse des piézorésistances. Pour du silicium monocristallin ces facteurs dépendent de l'orientation, du type et de la concentration de dopage et de la température, 25 comme illustré aux figure 6 et 7. Ce type d'élément sensible présente les inconvénients suivants, ayant pour effet de dégrader les performances du capteur : - la zone de contrainte maximale est concentrée sur une surface réduite et doit être parfaitement alignée par rapport à la position des encastrements 30 de la membrane, ce qui rend difficile le placement des piézorésistances et entraîne une perte de signal ; - la pression maximale admissible par le capteur est limitée par le fait que le silicium travaille sous fort niveau de contrainte en tension au niveau des encastrements. En conséquence, la sensibilité doit être limitée pour rester 35 en dessous des niveaux de contraintes de rupture.

Un but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur, en concevant un système de mesure complet mieux adapté aux besoins de la surveillance des opérations de production et de maintenance des puits, présentant un faible coût de fabrication et optimisé pour réaliser une mesure de très haute performance aux conditions extrêmes de pression. A cet effet, l'invention propose un capteur de pression pour fluide apte à mesurer la pression d'un fluide, ledit capteur comprenant un élément sensible conformé pour, d'une part, être sollicité mécaniquement sous l'effet d'une pression exercée par ledit fluide et, d'autre part, transformer ladite sollicitation mécanique en variation électrique, ledit élément sensible étant relié, par l'intermédiaire de moyens de connexion, à un dispositif de traitement de données apte à communiquer par l'intermédiaire de moyens de communication télémétrique avec un dispositif d'acquisition de données, l'élément sensible dudit capteur comprenant une puce à système micro-électromécanique comprenant une membrane sensible apte à être sollicitée mécaniquement sous l'effet de la pression du fluide et au moins une couche de matériau silicium sur laquelle est réalisé un circuit de détection de contrainte, ledit circuit comprenant des jauges transverses et longitudinales formées par des portions de la couche de matériau silicium et permettant de transformer la sollicitation mécanique de la membrane sensible en une variation de valeur desdites jauges. L'architecture du capteur basée sur l'utilisation des technologies à puce à système micro-électro-mécanique permet d'obtenir des niveaux de 25 miniaturisation, de performance et de communication supérieurs à l'art antérieur. Selon l'invention, la puce comprend au moins deux tranchées sensiblement perpendiculaires à une paroi supérieure de la puce, situées de part et d'autre de la membrane. 30 Les forces de pression s'appliquent aux parois verticales des tranchées, ce qui permet à la membrane de travailler uniquement en compression, mode de travail préféré du silicium. Selon une caractéristique de l'invention, la membrane est reliée à la puce par l'intermédiaire de voûtes dont le rayon de courbure est environ égal 35 à 50 micromètres.

La membrane sensible présente une forme rectangulaire dont une longueur est supérieure au double d'une largeur dudit rectangle. Cette disposition permet de réduire fortement voire d'éliminer la contrainte sur l'axe longitudinal de la membrane.

Les jauges transverses et longitudinales sont positionnées au centre de la membrane. Les jauges de contrainte sont avantageusement situées dans une zone de contrainte maximale de la membrane, ce qui permet d'obtenir un fort signal en sortie du circuit de détection de contraintes.

Selon une caractéristique de l'invention, la puce comprend au moins une résistance destinée à mesurer l'effet de la température orientée suivant un axe cristallin pour lequel les facteurs de jauge longitudinal et transverse sont nuls. Avantageusement, les résistances présentent une forme d'une 15 pluralité de chevrons reliés entre eux en leurs extrémités latérales. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément sensible du capteur est fixé, par l'intermédiaire d'une surface de contact dont la taille est inférieure à celle de la surface dudit élément sensible, à un corps de capteur comprenant un logement pour le dispositif de traitement de données. 20 Le fait que la surface de contact entre l'élément sensible du capteur et le corps de capteur soit inférieure à celle de l'élément sensible permet de réduire les contraintes mécaniques transmises par l'élément sensible au corps du capteur. Avantageusement, la surface de contact entre l'élément sensible et 25 le corps du capteur comprend un plot central et une bordure périphérique, ladite surface de contact entre l'élément sensible et le corps du capteur étant inférieure à 50% de la surface de l'élément sensible. Le circuit de détection de contrainte est déséquilibré de façon à ce que la gamme de sortie en tension du pont, pour une pression correspondant à 30 la pression en fond de puits, corresponde à une tension proche de zéro. Par ailleurs, le capteur selon l'invention est conformé pour qu'une valeur de référence de la sortie du circuit de détection de contrainte corresponde à l'origine de la gamme d'entrée du dispositif de traitement de données.

D'autre part, le capteur est agencé pour réaliser des mesures de façon discontinue sur des périodes de temps limitées, en particulier inférieures à une seconde. Le dispositif d'acquisition de données est agencé pour modifier la 5 fréquence des mesures de pression en fonction d'une variation de mesure correspondant à un évènement prédéfini. Avantageusement, le capteur de pression selon l'invention comprend un circuit d'horloge et des moyens de correction de la dérive temporelle du circuit d'horloge. 10 Ces moyens de correction de la dérive temporelle comprennent des moyens de détermination de la dérive du circuit d'horloge due à la température. Par ailleurs, lesdits moyens de correction de la dérive temporelle sont agencés pour recevoir des messages de synchronisation provenant 15 d'autres capteurs du même type ou d'un dispositif d'acquisition de données. Selon une configuration particulière de l'invention, la communication entre les moyens de communication télémétrique et le dispositif d'acquisition de données est réalisée par transmission d'ondes acoustiques. Cette disposition avantageuse de l'invention permet une 20 communication en temps réel entre les capteurs placés dans le puits, et les moyens de traitement de données situés à la surface. Par ailleurs, la puce à système micro-électro-mécanique comprend un empilement d'un substrat silicium, d'un substrat isolant de type verre ou pyrex, et d'un second substrat silicium. 25 Le capteur de pression selon l'invention comprend également une traversée de pression disposée entre le logement du corps et un élément de support de l'élément sensible, ladite traversée de pression comprenant au moins un élément conducteur destiné à permettre la connexion électrique entre le dispositif de traitement de données et l'élément sensible. 30 La traversée de pression constitue un élément important de l'assemblage du capteur miniature selon l'invention, et permet aux éléments conducteurs de ne pas transmettre à l'électronique d'acquisition la pression exercée sur l'élément sensible du capteur. L'élément de support comprend une empreinte de logement de 35 l'élément sensible et des logements des éléments conducteurs.

Selon une disposition de l'invention, la membrane sensible est soumise à la pression du premier fluide dont on cherche à mesurer la pression par l'intermédiaire d'un second fluide inerte séparé du premier fluide par un diaphragme de protection déformable.

Le capteur de pression selon l'invention est destiné à être utilisé dans des environnements tels que l'élément sensible dudit capteur ne résisterait pas à la corrosion par le fluide dont on cherche à déterminer la pression. Afin de pallier cet inconvénient, l'élément sensible du capteur selon l'invention baigne dans un fluide inerte, de façon à transférer la pression du fluide corrosif à l'élément sensible du capteur tout en évitant le contact direct entre la puce de l'élément sensible et ledit fluide corrosif, ce qui dégraderait fortement la membrane de la puce. Enfin, selon une caractéristique de l'invention, une longueur de la membrane est espacée d'une paroi latérale de la puce d'une distance comprise 15 entre environ 100 micromètres et environ 1 millimètre. Cette disposition permet de s'affranchir de la réalisation de tranchées dans la puce tout en conservant l'avantage d'un travail de la membrane en compression uniquement. 20 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, selon les modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, et en référence aux dessins annexés sur lesquels : 25 - la figure 1 illustre l'élément sensible d'un capteur de pression silicium selon l'état de l'art ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'élément sensible du capteur selon l'art antérieur ; - la figure 3 illustre la forme que prend la contrainte le long de l'axe de la 30 membrane pour une pression donnée, pour un capteur tel que celui représenté aux figures 1 et 2 ; - la figure 4 illustre schématiquement le circuit de détection de contrainte selon l'art antérieur. - la figure 5 illustre les facteurs de jauge transverse et longitudinal des 35 piézorésistances en fonction des directions de l'élongation; - la figure 6 représente les facteurs de jauge longitudinal et transverse des piézorésistances en fonction du plan cristallin considéré ; - la figure 7 illustre la variation du facteur de jauge en fonction de la température, selon trois concentrations de dopage Bore considérés ; - la figure 8 est une vue éclatée du capteur de pression selon l'invention ; - la figure 9 illustre la composition de la puce MEMS de l'élément sensible du capteur ; - la figure 10 est une vue similaire à la figure 8, la puce MEMS étant représentée en position retournée ; - la figure 11 représente l'élément sensible du capteur positionné dans l'empreinte de logement de l'élément support ; - la figure 12 illustre schématiquement le fonctionnement du capteur de pression selon l'invention ; - la figure 13 représente le substrat de la puce MEMS dans lequel est réalisée la membrane selon l'invention ; - la figure 14 représente la forme allongée de la membrane selon l'invention ; - la figure 15 est une représentation de la forme que prend la contrainte le long de l'axe de la membrane pour une pression donnée ; - la figure 16 illustre les voûtes reliant la membrane à la puce ; - la figure 17 représente un mode de réalisation de la puce dans lequel une longueur de la membrane est espacée de la paroi latérale de la puce d'une distance relativement faible ; - la figure 18 illustre la géométrie des jauges piézorésistives ; - la figure 19 présente les valeurs de sensibilité thermique de la résistivité et du facteur de jauge relevés expérimentalement pour trois différents niveaux de dopage Bore ; - la figure 20 illustre la géométrie et l'orientation des résistances de la puce sensible, incluant les résistances pour la mesure de la température ; - la figure 21 illustre le procédé de fabrication de la puce selon l'invention ; - la figure 22 décrit de manière schématique la tension de déséquilibre du pont en fonction de la pression pour la puce selon l'invention.

Sur l'ensemble des figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues. Par ailleurs, dans la présente description, sont utilisés des mots 5 tels que « supérieur » et « inférieur », par référence à la position du capteur lorsque celui-ci est en position verticale, tel que représenté en figure 8. On se réfère à la figure 8, illustrant en vue éclatée le capteur 11 selon l'invention. 10 Le capteur 11 selon l'invention comprend une enveloppe externe 13, renfermant en sa partie supérieure 15 un fluide inerte 17, et en sa partie inférieure 19 un élément sensible 21 du capteur 11. La face supérieure 22 de l'enveloppe externe 13 est protégée du fluide corrosif dont on cherche à mesurer la pression par un diaphragme 24, 15 typiquement constitué par un disque inoxydable assurant une séparation entre ledit fluide corrosif et le fluide inerte 17 contenu dans la partie supérieure 15 de ladite enveloppe 13. L'élément sensible 21 du capteur 11 est réalisé par une puce à système micro-électro-mécanique (appelée dans la suite de la description 20 « puce MEMS », pour Micro Electro Mechanical System, ou encore capteur silicium). En se référant à la figure 9, la puce MEMS 23 comprend un empilement d'un premier substrat silicium 25, d'un substrat isolant 27, tel que 25 du verre ou du pyrex, et d'un deuxième substrat silicium 29. Le premier substrat silicium 25 comprend une membrane sensible en silicium monocristallin apte à être sollicitée mécaniquement sous l'effet de la pression du fluide inerte et un circuit de détection de contrainte 31 comprenant des résistances électriques. Le substrat silicium 25 adopte une forme de 30 parallélépipède rectangle comprenant des parois latérales 26, 28 sensiblement planes, formant respectivement une longueur et une largeur dudit parallélépipède. Bien évidemment, le substrat silicium peut adopter une autre forme parallélépipédique, tel qu'un cube par exemple. Le deuxième substrat silicium 29 assure la liaison entre l'élément 35 sensible 21 du capteur et un élément support 33 (visible en figure 8) dudit élément sensible, appartenant à un corps de capteur. Une telle liaison est typiquement réalisée par collage. On se réfère à la figure 10, illustrant la puce MEMS 23 selon 5 l'invention en position retournée par rapport à sa représentation de la figure 9. La surface de contact 34 entre le substrat silicium 29 et l'élément support du corps de capteur est formée par la bordure périphérique 35 du substrat 29 et par l'intermédiaire d'un picot de liaison 37 formant un plot, sensiblement formé au centre dudit substrat, et s'étendant perpendiculairement 10 à la paroi inférieure 39 du substrat silicium 29. Le picot de liaison 37 permet un assemblage de la puce 23 dans son élément support par un collage quasi ponctuel, ce qui permet à l'élément sensible de ne pas être affecté par les contraintes provenant du support mécanique, pouvant provenir par exemple du boîtier du capteur sous l'effet des 15 changements de température, de la pression ou des chocs pendant les opérations. Cet élément de découplage est essentiel pour préserver une excellente stabilité de la mesure, et présente une amélioration par rapport aux puces de l'état de l'art qui possèdent une surface de report non structurée, dont 20 le collage est difficile à maîtriser et peut détériorer la métrologie du capteur en générant des problèmes d'hystérésis et de dérive. Selon un autre mode de réalisation non représenté, la surface de contact entre le deuxième substrat silicium et le corps de capteur est réalisée par l'intermédiaire d'une pluralité de plots, répartis par exemple sensiblement 25 sur le pourtour dudit substrat. Par exemple, la surface de contact peut comprendre un plot central et quatre plots situés au niveau des sommets de la paroi inférieure du substrat. Cependant, selon l'invention, surface de contact entre le substrat et le corps de capteur n'excède pas 50% de la surface dudit substrat silicium de 30 l'élément sensible, afin de parvenir aux avantages précités. On se réfère à présent à la figure 11, illustrant l'élément sensible du capteur monté dans son élément support 33. L'élément sensible 21 du capteur est destiné à être connecté à un 35 dispositif de traitement de données (non représenté) par l'intermédiaire de moyens de connexion électriques 41.

L'élément support 33 de l'élément sensible du capteur est réalisé dans un matériau tel que de la céramique. Ledit élément support comprend une empreinte de logement destinée à recevoir l'élément sensible 21 et des logements 43 destinés à recevoir les moyens de connexion électrique 41 permettant la liaison entre l'élément sensible 21 du capteur et le dispositif d'acquisition de données. Ces logements sont typiquement constitués par des perçages sensiblement perpendiculaires à l'empreinte de logement de l'élément sensible.

Le capteur de pression selon l'invention comprend par ailleurs une traversée de pression 45 (visible en figure 8) formant une barrière de pression entre l'élément sensible 21 du capteur et le dispositif d'acquisition de données. La traversée de pression est logée entre l'élément support 33 de l'élément sensible et un logement du corps de capteur, et permet de ne pas 15 transmettre la pression au dispositif d'acquisition de données. Cette traversée de pression comprend un cylindre en verre ou en céramique et est équipée d'une pluralité d'éléments conducteurs 41 destinés à assurer la connexion électrique entre l'élément sensible du capteur et le dispositif d'acquisition de données. 20 Le dispositif de traitement de données est par ailleurs apte à communiquer avec un dispositif d'acquisition de données situé de préférence à la surface, grâce à des moyens de communication télémétrique, ladite communication étant assurée par la transmission d'ondes de type acoustique ou électromagnétique par exemple. 25 Dans le cas d'une transmission par ondes acoustiques, le signal de synchronisation sera analysé afin de corriger des distorsions relatives à la distance parcourue par le message et/ou les milieux traversés par le fluide. Ledit signal comporte à cet effet une répétition connue (typiquement trois fois) d'un motif simple à distinguer (typiquement deux transitions de 0 à 1 puis de 1 30 à 0). Le fonctionnement du capteur selon l'invention sera mieux compris grâce à la figure 12, qui illustre schématiquement son fonctionnement. Le fluide dont on cherche à mesurer la pression applique une force 35 sur le capteur selon l'invention, sur le diaphragme de protection 24.

Le fluide inerte 17, par exemple de l'huile silicone, en contact avec l'élément sensible 21 du capteur, transmet à la membrane sensible de la puce MEMS 23 la pression exercée sur le diaphragme 24. Le fluide présent dans le puits est, comme précédemment décrit, hautement corrosif. Le fluide inerte 17 permet de transférer la pression dudit fluide corrosif à la membrane sensible de la puce 23 et d'éviter le contact direct entre ladite puce et le fluide corrosif, contact qui dégraderait fortement la membrane de la puce. La membrane se déforme sous l'effet de la pression exercée par le 10 fluide inerte 17, puis cette sollicitation mécanique est transformée par le circuit de détection de contrainte en une variation de valeur des résistances électriques, et en tension de déséquilibre du pont. Cette tension est ensuite transférée au dispositif de traitement de données grâce aux moyens de connexion électrique 41 traversant la barrière 15 de pression 45. Typiquement, les moyens de connexion électrique 41 comprennent une pluralité d'éléments conducteurs constitués par des fiches reliées en une de leurs extrémités aux éléments sensibles de la puce MEMS formant des contacts électriques, par l'intermédiaire de câbles électriques 47 ayant de bonnes propriétés de conductivité électrique, tels que des fils d'or ou 20 d'aluminium par exemple, et en l'autre de leurs extrémités au dispositif de traitement de données. La sonde dispose d'un système de traitement des données et de communication intégré, permettant d'optimiser la performance du capteur de 25 pression de l'invention et lui donnant une grande souplesse d'utilisation sur le terrain. Le dispositif de traitement de données comprend les modules principaux suivants : un régulateur de tension ou un générateur de courant pour alimenter le pont de jauges et les résistances de mesure de température, couramment appelées RTD (description détaillée ci-après), un ou plusieurs 30 amplificateurs différentiels dont les entrées sont connectées à la sortie du pont de jauges et aux RTD, un convertisseur analogique numérique, un microcontrôleur effectuant la conversion des données en valeurs calibrées de pression et de température, une mémoire pour stocker les données enregistrées, et un module de communication avec l'extérieur. 35 Suivant une configuration de l'invention le module de communication utilise un couplage électromagnétique pour écouter et transmettre des données sur un câble reliant la surface au fond du puits, ou une section partielle du puits. Chaque sonde possède un transformateur couplé au câble, permettant de détecter des signaux présents sur le câble mais aussi de 5 transmettre des signaux sur ce même câble. Chaque sonde utilise un jeu de fréquences spécifiques qui lui sont allouées pour transmettre ses données. Un système de codage simple est de transmettre un train de sinus à une fréquence F1 pour transmettre un « 0 » logique et un train de sinus à une fréquence F2 pour transmettre un « 1 » logique. Un algorithme d'attribution de 10 fenêtre temporelle est réalisé pour chaque sonde afin d'éviter que toutes les sondes ne communiquent en même temps. Le système d'acquisition de surface fonctionne lui-aussi de manière similaire, avec un transformateur d'interface au câble et un jeu de fréquence de communication. 15 Une fréquence supplémentaire, avec des signaux de grande amplitude, peut être utilisée pour transmettre de l'énergie électrique au fond, par exemple pour alimenter les sondes si l'utilisation de batteries n'est pas possible, comme dans les systèmes permanents. Un avantage de cette approche par rapport à l'état de l'art, où les 20 sondes doivent être électriquement connectées au câble, ce qui nécessite de couper le câble et d'effectuer une soudure ou une épissure dans les conditions difficiles du terrain, est une plus grande facilité d'installation et une meilleure fiabilité. Selon une autre configuration de l'invention, le module de 25 communication de la sonde utilise une transmission acoustique. Une onde acoustique est émise par un transducteur en contact avec le fluide qui est propagée dans le puits et détectée à distance par le module de communication d'autres sondes ou le module de surface. Les données calibrées sont ensuite transférées au dispositif 30 d'acquisition de données situé à la surface, par communication réalisée par la transmission d'ondes de préférence de type acoustique, permettant un traitement des données en temps réel. On se réfère à présent à la figure 13, illustrant le premier substrat 35 25 de la puce MEMS dans lequel est réalisée la membrane selon l'invention, ledit substrat étant fixé au substrat isolant 27 de type verre ou pyrex, par exemple par soudage électrostatique. La fixation du substrat isolant 27 en partie inférieure du premier substrat 25 définit une cavité 9 sous vide, ce qui permet de créer un capteur de pression absolu. La membrane sensible de la puce MEMS est réalisée dans le 5 substrat 25 de ladite puce, et est déformée sous l'effet de la pression exercée par le fluide inerte. L'effet de la pression appliquée sur la paroi supérieure 3 de la membrane 49 crée une force qui induit une déflexion de ladite membrane et l'apparition de contraintes mécaniques dans le plan de la membrane, qui sont 10 mesurées par les piézorésistances. Selon l'invention, le premier substrat 25 de la puce comprend au moins deux tranchées 51 réalisées perpendiculairement à la paroi supérieure 53 du substrat de ladite puce et situées de part et d'autre de la membrane 49. 15 Préférentiellement, les tranchées 51 adoptent une forme sensiblement rectangulaire et sont réalisées à proximité de la zone d'encastrement de la membrane 49, ladite zone d'encastrement de la membrane étant réalisée sensiblement au centre de la paroi supérieure 53 du substrat 25, mais pouvant indifféremment être décalée sur une autre partie de 20 la paroi supérieure du substrat, par exemple en sa périphérie. Ces tranchées 51 permettent de transmettre la pression exercée par le fluide sur les côtés de la membrane 49, générant ainsi une contrainte de compression s'ajoutant aux contraintes dues à la pression agissant sur la surface de la membrane. 25 La figure 14 illustre les faces supérieure et inférieure du substrat silicium 25 comprenant la membrane selon l'invention. La membrane 49 adopte une forme sensiblement rectangulaire, de longueur L et de largeur I, ce qui permet de limiter l'influence du cadre rigide de 30 la puce et de faciliter le transfert de la force de compression des tranchées 51 sur la membrane 49. De manière préférée, la longueur de la membrane 49 est au moins égale au double de sa largeur. Un avantage d'une telle géométrie est que la contrainte au centre 35 de la membrane 49 est majoritairement suivant l'axe de sa largeur, ce qui permet d'optimiser le positionnement et la sensibilité des piézorésistances.

Par ailleurs, les tranchées sont disposées de façon à ce qu'une longueur de tranchée soit sensiblement parallèle à une longueur de la membrane. Cette configuration de l'élément sensible permet d'obtenir une 5 sensibilité accrue et une meilleure tenue à la surpression par rapport aux solutions de l'état de l'art. En effet, des réalisations ont montré qu'un signal en sortie supérieur à 0.5 Volt pour 1 Volt d'alimentation de pont peut être atteint sans rupture ni fatigue de la membrane, résultat largement supérieur à l'art antérieur 10 des capteurs silicium, selon lesquels on peut parvenir sans risque de rupture ou de fatigue de la membrane seulement à un signal maximal de sortie égal à 0.1 Volt pour 1 Volt d'alimentation du pont. On se réfère à présent à la figure 15, illustrant la forme que prend la contrainte le long de l'axe de la membrane 49 pour une pression donnée, la 15 membrane 49 selon l'invention travaille uniquement en compression, ce qui permet d'atteindre des niveaux de contraintes dans la zone de travail élastique du silicium largement supérieurs à ceux obtenus par les capteurs de l'état de l'art. Selon une variante de réalisation du capteur selon l'invention, en se 20 référant à la figure 16, la membrane sensible 49 est reliée à la paroi supérieure 53 du premier substrat 25 de la puce par l'intermédiaire de voûtes 54 formées dans la cavité 9 et formant des renforcements permettant à la membrane 49 d'augmenter sa résistance face aux sollicitations mécaniques qu'elle subit. 25 Ces voûtes 54 relient les parois internes de la cavité 9 à la paroi inférieure 4 de la membrane 49, et sont profilées dans une direction sensiblement parallèle à la longueur L de la membrane. Préférentiellement, le rayon de courbure R des voûtes 54 est égal à environ 50 micromètres. 30 Alternativement, et en se référant à la figure 17, la distance d entre une longueur L de la membrane 49 et une paroi latérale 26 du substrat silicium 25 de la puce est relativement faible, de préférence comprise entre environ 100 micromètres et 1 millimètre. Dans cette configuration, la puce ne comprend pas 35 de tranchées et la pression est transmise à la membrane par les parois latérales 26 formant une longueur de la puce.

Grâce à cet agencement, on s'affranchit de la réalisation de tranchées dans la puce tout en bénéficiant d'une membrane qui travaille uniquement en compression.

La figure 18 représente le circuit de détection de contrainte 31 dans la membrane 49. Ledit circuit comprend un montage en pont de Wheatstone, comprenant des composants piézorésistifs 5a, 5b, encore appelés piézorésistances ou jauges de contraintes dont leur résistivité varie lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques.

Selon l'invention, les jauges de contraintes 5a, 5b sont positionnées au centre de la membrane, zone de contrainte maximale, ce qui permet d'obtenir un fort signal en sortie du pont. On remarque, comme précisé précédemment par la figure 7, que le facteur de jauge du silicium est dépendant de la température, ce qui conduit, pour un pont alimenté par une tension fixe, à une tension de sortie de pont non plus seulement dépendante de la pression mais aussi de la température, effet connu comme la dérive thermique de la sensibilité du capteur. Afin de limiter cet effet perturbateur, il est intéressant de doper fortement les piézorésistances.

Cependant, ce dopage entraîne une diminution de la sensibilité à la pression de l'élément sensible, la valeur absolue du facteur de jauge, transverse et longitudinal, étant inférieure à fort niveau de dopage. Une autre approche consiste à alimenter le pont en courant. En effet, la perte de sensibilité du pont de jauges liée à l'augmentation de 25 température peut être compensée par l'augmentation de la tension d'alimentation du pont. Pour cela, on choisit un niveau de dopage tel que la sensibilité thermique de la résistivité du silicium dopé vienne compenser au plus près la sensibilité thermique de son facteur de jauge. 30 La figure 19 donne des valeurs de sensibilité thermique de la résistivité et du facteur de jauge relevés expérimentalement, où l'on voit que pour un dopage de l'ordre de 5. 1019 atomes de bore par cm3, les effets se compensent. Toutefois, malgré ces améliorations, l'élément sensible garde une sensibilité thermique résiduelle de l'ordre de 1%, qui doit être compensée afin 35 d'atteindre les très haut niveaux de performance métrologiques visés (de l'ordre de 0.01% de précision).

La méthode proposée est de placer une ou plusieurs résistances 55a, 55b de mesure de température, couramment appelées « RTD » et réalisées avec la même couche silicium que les piézorésistances 5a, 5b, sur la même puce et à proximité du pont de jauge.

Cette solution s'intègre facilement au procédé de fabrication de la puce, sans en augmenter le coût puisque l'on ne rajoute pas d'étape. Une solution connue permettant de réduire la sensibilité thermique résiduelle de l'élément sensible consiste à placer une résistance de mesure de température sur le cadre rigide de l'élément sensible, à distance des 10 contraintes de la membrane. Cette approche est satisfaisante pour des capteurs de gamme de pression réduite mais présente des problèmes à haute pression. En effet, pour des pressions de plusieurs centaines de bars, la contrainte sur le cadre ne peut plus être négligée et les effets des piézorésistances apparaissent sur les 15 résistances de mesure de température. Selon l'invention, les résistances de mesure de température 55a, 55b sont positionnées suivant un axe cristallin pour lequel le facteur de jauge est nu I. En l'espèce, les résistances 55a, 55b sont positionnées longitudinalement à l'axe cristallin <100>. 20 Par ailleurs, selon l'invention, et en se référant à la figure 20, les résistances sensibles à la température 55a, 55b adoptent une géométrie particulière, en forme d'une pluralité de chevrons reliés entre eux en leurs extrémités latérales. 25 Grâce à cet agencement, et comme on peut le voir sur la figure 6, les facteurs de jauge longitudinal et transverse sont nuls dans l'axe cristallin <100>. Ceci permet de minimiser la sensibilité des jauges 55a, 55b à la pression. Une calibration en pression et température de la réponse du pont et 30 des résistances 55a, 55b permet de compenser les effets thermiques et d'atteindre un niveau de précision de 0.01%, largement supérieur au niveau actuel de l'état de l'art. On se réfère à présent à la figure 21, représentant 35 schématiquement le procédé de fabrication de la puce selon l'invention. Un tel procédé comprend les étapes suivantes : - Etape 1 : on dope par implantation ionique, par exemple au Bore pour un dopage des jauges de type P, une plaquette SOI (Silicon On Insulator) ; - Etape 2 : on réalise par photolithographie de la couche mince de silicium monocristallin les piézorésistances et les RTD ; - Etape 3 : on passive par oxydation thermique la couche silicium ; - Etape 4 : on ouvre les contacts des résistances, on effectue le dépôt et la photolithographie du métal pour réaliser les connexions entre le pont et les contacts électriques ; - Etape 5 : on réalise la membrane par gravure « DRIE » (Deep Reactive Ion Etching). L'épaisseur de membrane est contrôlée afin d'obtenir la gamme de pression voulue ; - Etape 6 : on réalise, par gravure DRIE, les tranchées sur la face avant afin de définir les structures de compression latérales ; - Etape 7 : on réalise la structure de découplage à plot central par micro- usinage DRIE d'une autre plaquette de silicium ; - Etape 8 : on assemble les deux plaquettes en utilisant une plaquette de verre et une soudure électrostatique sous vide. Ainsi les cavités sont réalisées de manière collective ; - Etape 9 : on teste électriquement la plaquette, sous pointe, et on découpe ladite plaquette à l'aide d'une scie diamantée. Les puces sont prêtes pour l'assemblage dans le boîtier du capteur. Comme précédemment expliqué, le pont de Wheatstone est directement relié au dispositif d'acquisition de données par l'intermédiaire des moyens de connexion 41 constitués par des éléments conducteurs tels que des cylindres de métal qui transitent par la traversée de pression et qui relient la sortie du pont à l'entrée du convertisseur analogique numérique intégré au dispositif de traitement de données.

Les gammes de fonctionnement en sortie du pont étant différentes de celles de fonctionnement en entrée du convertisseur analogique numérique, il est nécessaire d'adapter la tension de sortie du circuit de détection de contrainte à la tension d'entrée du convertisseur. Cette adaptation est classiquement réalisée à l'aide d'un amplificateur différentiel.

Selon l'invention, le circuit de détection de contrainte, comprenant le pont de Wheatstone, est déséquilibré, de façon à ce que la gamme de sortie en tension du pont pour une pression correspondant à la pression en fond de puits corresponde à une tension proche de zéro. Cette disposition permet d'utiliser un gain élevé sur l'amplificateur sans saturation de sa sortie, et ainsi d'utiliser toute la gamme du convertisseur 5 du dispositif d'acquisition de données dans la zone de mesure utile. Typiquement, cet offset initial de pont est obtenu en modifiant intentionnellement les dimensions des résistances longitudinales par rapport aux résistances transverses. Le déséquilibrage du pont est utilisé pour effectuer une adaptation 10 de la gamme de sortie du pont à la gamme d'entrée en tension du dispositif de traitement des données pour une gamme de pression prédéfinie. Cette adaptation permet d'optimiser les performances du système d'acquisition de données dans une gamme de pression autour de la pression de fond de puits et ainsi améliorer la précision d'échantillonnage des valeurs 15 provenant du pont autour de la gamme utile de mesure. Ainsi, à titre d'exemple, si le convertisseur analogique numérique a une référence d'entrée de 1 Volt, et si l'élément sensible a une sensibilité de 0.25mV/bar et une tension de sortie du pont, pour une pression de 1000 bars, égale à 0, il sera possible, grâce au décalage, d'appliquer un facteur de gain 20 sur l'amplificateur d'entrée de 40, permettant ainsi de couvrir avec une grande résolution les pressions de 900 bars à 1100 bars, correspondant aux valeurs de référence en fond de puits, et donc d'améliorer la précision d'échantillonnage pour cette plage de valeur. 25 La figure 22 décrit de manière schématique la tension de déséquilibre du pont en fonction de la pression dans le cadre de l'élément sensible optimisé. Cela permet d'utiliser des forts niveaux de gain au niveau du circuit d'interface et d'augmenter le rapport signal sur bruit au niveau de l'électronique. 30 En utilisant cette approche, une résolution de l'ordre de 0.1 ppm peut être atteinte dans la gamme d'intérêt, largement supérieure à l'art antérieur. Le déséquilibre de pont est réalisé en ajustant la géométrie des jauges longitudinales par rapport aux jauges transverses. 35 Par ailleurs, afin de limiter la consommation électrique du capteur due notamment aux mesures de température, de pression, et à la communication de ces données, le capteur selon l'invention est agencé pour réaliser des mesures de façon discontinue sur des périodes de temps limitées, de manière préférée inférieures à une seconde. Selon l'invention, on distingue deux modes de fonctionnement du 5 capteur, à savoir un mode normal et un mode « sommeil », que l'utilisateur peut choisir. En mode de fonctionnement normal, le capteur est programmé pour réaliser des mesures de température et de pression toutes les secondes. Lorsque l'utilisateur choisit une fréquence de relevé plus faible, 10 donc une période T plus importante, le capteur est mis en mode « sommeil », c'est-à-dire qu'il n'effectuera aucune mesure sur une période T' égale à (T-1) secondes, puis réalisera les mesures nécessaires lors de la dernière seconde de la période T'. Ceci permet une plus grande autonomie du capteur situé dans le 15 puits de forage et, par conséquent, de réduire la fréquence de recharge de la batterie qui l'alimente. Par ailleurs, afin d'obtenir une consommation électrique de l'élément sensible la plus faible possible, les piézorésistances doivent avoir une forte valeur. 20 La puissance dissipée s'exprime par la relation P= V2/R, ce qui, pour 1 Volt d'alimentation et un objectif de consommation de 100 micro Watt, aboutit à une résistance de pont de 10 kOhm. Les niveaux de dopage visés étant relativement élevés pour des raisons expliquées plus haut, cela impose des résistances ayant une structure très allongée, typiquement un rapport 25 longueur sur largeur de l'ordre de 100. La géométrie du pont doit donc être optimisée afin de permettre de placer un grand nombre de carrés dans la zone de contrainte maximale de la membrane. Par ailleurs, les connexions métalliques sont tenues éloignées des zones de contrainte de la membrane afin d'éviter des problèmes d'hystérésis et 30 de dérives qui peuvent être associés à la présence de ces matériaux peu stables à proximité des éléments sensibles. Le capteur de pression décrit dans l'invention permet d'enregistrer la pression avec une très haute résolution de mesure, en particulier dans la 35 zone proche de la gamme nominale de pression du puits.

Le capteur selon l'invention intègre de plus des fonctions le rendant autonome et permettant de l'opérer à distance de la surface et en dehors de toute possibilité d'intervention humaine, dans des conditions variées d'opérations (séquences d'acquisition rapides et lentes en fonction des phénomènes à observer). De plus, le capteur a la capacité de communiquer, d'une part, avec d'autres capteurs et d'autre part avec la surface, en temps réel, afin de permettre un ajustement des opérations à réaliser dans le puits en fonction des phénomènes observés au fond.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de ce capteur de pression, décrites ci-dessus à titre d'exemples, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims (22)

1. REVENDICATIONS1. Capteur de pression (11) pour fluide apte à mesurer la pression d'un fluide, ledit capteur comprenant un élément sensible (21) conformé pour, d'une part, être sollicité mécaniquement sous l'effet d'une pression exercée par ledit fluide et, d'autre part, transformer ladite sollicitation mécanique en variation électrique, ledit élément sensible étant relié, par l'intermédiaire de moyens de connexion (41), à un dispositif de traitement de données apte à communiquer par l'intermédiaire de moyens de communication télémétrique avec un dispositif d'acquisition de données, l'élément sensible (21) dudit capteur comprenant une puce à système micro-électro-mécanique (23) comprenant une membrane sensible (49) apte à être sollicitée mécaniquement sous l'effet de la pression du fluide et au moins une couche de matériau silicium sur laquelle est réalisé un circuit de détection de contrainte (31), ledit circuit comprenant des jauges transverses (5a) et longitudinales (5b) formées par des portions de la couche de matériau silicium et permettant de transformer la sollicitation mécanique de la membrane sensible (49) en une variation de valeur desdites jauges.
2. 2. Capteur de pression (11) pour fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puce (23) comprend au moins deux tranchées (51) sensiblement perpendiculaires à une paroi supérieure (53) de la puce (23), situées de part et d'autre de la membrane (49).
3. 3. Capteur de pression (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane (49) est reliée à la puce (23) par l'intermédiaire de voûtes (50) dont le rayon de courbure (R) est environ égal à 50 micromètres.
4. 4. Capteur de pression (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane sensible (49) présente une forme rectangulaire dont une longueur (L) est supérieure au double d'une largeur (I) dudit rectangle.
5. 5. Capteur de pression (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jauges transverses (5a) et longitudinales (5b) sont positionnées au centre de la membrane (49).
6. 6. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puce (23) comprend au moins une résistance (55a, 55b) destinée à mesurer l'effet de la température orientée suivant un axe cristallin pour lequel les facteurs de jauge longitudinal et transverse sont nuls.
7. 7. Capteur de pression (11) pour fluide selon la revendication 6, caractérisé en ce que les résistances (55a, 55b) présentent une forme d'une pluralité de chevrons reliés entre eux en leurs extrémités latérales.
8. 8. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément sensible (21) dudit capteur est fixé, par l'intermédiaire d'une surface de contact (34) dont la taille est inférieure à celle de la surface dudit élément sensible, à un corps de capteur comprenant un logement pour le dispositif de traitement de données.
9. 9. Capteur de pression (11) pour fluide selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite surface de contact (34) entre l'élément sensible et le corps du capteur comprend un plot central (37) et une bordure périphérique (35), ladite surface de contact entre l'élément sensible et le corps du capteur étant inférieure à 50% de la surface de l'élément sensible (21).
10. 10. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de détection de contrainte (31) est déséquilibré de façon à ce que la gamme de sortie en tension du pont, pour une pression correspondant à la pression en fond de puits, corresponde à une tension proche de zéro.
11. 11. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une valeur de référence de la 35 sortie du circuit de détection (31) de contrainte correspond à l'origine de la gamme d'entrée du dispositif de traitement de données.
12. 12. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur est agencé pour réaliser des mesures de façon discontinue sur des périodes de temps limitées, en particulier inférieures à une seconde.
13. 13. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de traitement de données est agencé pour modifier la fréquence des mesures de pression en fonction d'une variation de mesure correspondant à un évènement prédéfini.
14. 14. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit d'horloge et des moyens de correction de la dérive temporelle du circuit d'horloge. 15
15. 15. Capteur de pression (11) pour fluide selon la revendication 14, dans lequel les moyens de correction de la dérive temporelle comprennent des moyens de détermination de la dérive du circuit d'horloge due à la température.
16. 16. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une des 20 revendications 14 ou 15, dans lequel les moyens de correction de la dérive temporelle sont agencés pour recevoir des messages de synchronisation provenant d'autres capteurs du même type ou d'un dispositif d'acquisition de données. 25
17. 17. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la communication entre les moyens de communication télémétrique et le dispositif d'acquisition de données est réalisée par transmission d'ondes acoustiques. 30
18. 18. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puce à système microélectro-mécanique (23) comprend un empilement d'un substrat silicium (25), d'un substrat isolant (27) de type verre ou pyrex, et d'un second substrat silicium (29). 10 35
19. 19. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une traversée de pression (45) disposée entre le logement du corps et un élément de support de l'élément sensible (21), ladite traversée de pression comprenant au moins un élément conducteur (41) destiné à permettre une connexion électrique entre le dispositif de traitement de données et ledit élément sensible.
20. 20. Capteur de pression (11) pour fluide selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'élément de support de l'élément sensible (21) 10 comprend une empreinte de logement dudit élément sensible et des logements (43) des éléments conducteurs (41).
21. 21. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane sensible (49) est 15 soumise à la pression du premier fluide dont on cherche à mesurer la pression par l'intermédiaire d'un second fluide inerte (17) séparé du premier fluide par un diaphragme de protection déformable (22).
22. 22. Capteur de pression (11) pour fluide selon l'une quelconque des 20 revendications 1, 3 à 21, caractérisé en ce qu'une longueur (L) de la membrane (49) est espacée d'une paroi latérale (26) de la puce (23) d'une distance (d) comprise entre environ 100 micromètres et environ 1 millimètre.