FR3037141A1 - Dispositif de detection de pression - Google Patents
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Abstract
Dispositif (1) de mesure de pression comprenant une platine (2) ayant une première face (5) portant un capteur de pression (20) en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche (40) et, à l'opposé, une deuxième surface (6) en saillie de laquelle s'étend un pied (4) solidaire d'un support (3), un canal (7) s'étend au moins dans le pied (4) pour déboucher par une première extrémité (7.1) dans la première enceinte étanche (40) et par une deuxième extrémité (7.2) sur une première face (9) du support (3) s'étendant en regard de la deuxième face (6) de la platine (2), le dispositif (1) comprenant également un capot (50) fixé de manière étanche sur la première face (9) du support (3) pour délimiter un volume (51) contenant le pied (4), la platine (2) et le capteur de pression (20), le support (3) étant un support céramique ayant au moins une piste conductrice interne (10) s'étendant de part et d'autre d'une paroi (52) du capot (50) pour être en liaison électrique, d'une part, avec au moins un plot (11) s'étendant à l'extérieur du capot (50) sur une des faces (9) du support (3) et, d'autre part, avec un fil conducteur (12) qui s'étend à l'intérieur du volume (51) délimité par le capot (50) et est relié à un circuit (27) du capteur (20).
Description
1 DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la mesure de pression et plus particulièrement les capteurs électromécaniques de pression de fluide pour des applica- tions aéronautiques. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un capteur de pression électromécanique comprend généralement une membrane en silicium sur la face arrière de laquelle sont rapportées des jauges de déformation piézoélectriques montées en pont de Wheatstone et reliées à une unité de traitement via des fils de connexion électrique. La face avant opposée à celle portant les jauges est soumise à une pression à mesurer qui, en déformant la membrane, sollicite les jauges et permet d'effectuer une mesure électrique de la pression. La membrane est généralement montée sur un substrat lui aussi en silicium. Le silicium étant particulièrement sensible aux attaques électrochimiques, la membrane est montée à une extrémité d'un conduit rempli d'un fluide de transfert, générale- ment de l'huile silicone. L'autre extrémité du conduit est fermée par une pastille en acier inoxydable dont la face extérieure est en contact avec le fluide dont la pression est à mesurer. La pression appliquée sur la pas- tille en acier inoxydable est transmise, par l'intermédiaire du fluide de transfert, à la membrane de silicium et mesurée par l'unité de traitement à partir des signaux produits par les jauges de déformation. L'unité de traitement produit un signal électrique qui est ensuite transmis à un réseau de communication. Le capteur ainsi obtenu est généralement encombrant, lourd et couteux, notamment en raison de la présence du conduit rempli d'huile. En effet, l'huile doit être absolument incompressible, et de telles huiles sont chères. Le remplissage du conduit doit être effectué de 3037141 2 manière extrêmement rigoureuse car la présence d'air dans le conduit rendrait le capteur imprécis, voire inopérant. Cette opération et son contrôle alourdissent les coûts de production de ce capteur. Enfin, un tel capteur est ex- 5 trêmement sensible aux variations rapides de température du fluide. En effet, bien que les capteurs piézoélectriques soient notoirement connus pour présenter une sensibilité réduite aux variations de température, les comportements du fluide de transfert et du conduit induisent 10 des erreurs difficiles à compenser. Pour finir, à des températures extrêmement basses, le fluide de transfert peut figer et rendre le capteur inopérant. OBJET DE L'INVENTION L'objet de l'invention est de réduire le coût et 15 la sensibilité thermique d'un capteur de pression élec- tromécanique. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit un dispositif de mesure 20 de pression comprenant une platine ayant une première face portant un capteur de pression en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche et, à l'opposé, une deuxième surface en saillie de laquelle s'étend un pied solidaire d'un support ayant une première face en 25 regard de la platine. Un canal s'étend au moins dans le pied pour déboucher par une première extrémité dans la première enceinte étanche et par une deuxième extrémité sur une deuxième face du support opposée à la platine. Selon l'invention, le dispositif comprend également un 30 capot fixé de manière étanche sur la première face du support pour délimiter un volume contenant le pied, la platine et le capteur de pression. Le support est un support céramique ayant au moins une piste conductrice interne s'étendant de part et d'autre d'une paroi du capot 35 pour être en liaison électrique, d'une part, avec au 3037141 3 moins un plot s'étendant à l'extérieur du capot sur une des faces du support et, d'autre part, avec un fil conducteur qui s'étend à l'intérieur du volume délimité par le capot et qui est relié à un circuit du capteur.
5 Ainsi, il est possible de sortir les connexions électriques du capot de façon hermétique. Ceci rend possible la réalisation de la connexion du capteur directement vers l'électronique en flip chip ou par pontage. Avantageusement le capteur de pression comprend 10 un substrat sur une première face duquel s'étend une pre- mière électrode fixe et une membrane deformable qui porte une deuxième électrode mobile en regard de la première électrode fixe et qui s'étend à distance du substrat en définissant avec celui-ci une deuxième enceinte étanche 15 autour de la première électrode fixe, les deux électrodes étant reliées à la piste interne conductrice. Un tel capteur capacitif offre une sensibilité réduite aux variations thermiques, ce qui améliore encore la résolution du dispositif de mesure de pression.
20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 Il sera fait référence aux figures annexées, par- mi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention ; 30 - la figure 2 est un vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation alternatif d'un capot 35 selon l'invention.
3037141 4 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le dispositif de me- sure de mesure de pression selon l'invention, généralement désigné 1, comprend une platine 2 reliée à un sup- 5 port 3 par un pied 4 de fixation. Le support 3 est ici en céramique multicouche à cuisson simultanée à haute température (HTCC : High Temperature Cofired Ceramic). La platine 2 a une première surface 5 qui est op- posée à la deuxième face 6 en saillie de laquelle vient 10 le pied 4 et qui porte un capteur de pression 20. Cette première surface 5 définit avec le capteur 20 une première enceinte étanche 40. Un canal 7 s'étend au moins dans le pied 4 pour déboucher par une première extrémité 7.1 dans l'enceinte 40. La deuxième extrémité 7.2 du ca- 15 nal 6 débouche sur un orifice 8 traversant le support 3 depuis sa première face 9 en regard de la deuxième face 6 de la platine 2. Le capteur 20 comprend un substrat 21 sensible- ment plan, ici en silicium, et une première électrode 20 fixe 22 s'étendant sur la première face 23 du substrat qui fait face à la première face 5 de la platine 2. Le capteur 20 comprend également une membrane déformable 24 qui s'étend entre le substrat 21 et la première face 5 de la platine 2, à une distance d du substrat 21. La mem- 25 brane déformable 24 porte une deuxième électrode 25 mo- bile en regard de la première électrode 22 et définit avec le substrat 21 une deuxième enceinte étanche 41 autour de la première électrode 22. L'enceinte étanche 41 est à une pression absolue sensiblement nulle. Les élec- 30 trodes 22 et 25 sont reliées par des fils conducteurs 26 à un circuit 27 du capteur 20 situé sur la face 28 du substrat 21 opposée à la première face 23. Le circuit 27 comprend un circuit intégré de type ASIC (de l'anglais « Application Specific Integrated Circuit ») qui est 35 agencé pour délivrer un signal électrique en fonction de 3037141 5 la distance séparant les électrodes 22 et 25. Le circuit 27 comprend un plot 29 de connexion. La platine 2 ainsi que la membrane déformable 24 comprennent respectivement un renflement annulaire péri- 5 phérique 30 et 31 présentant une portion plane de jonc- tion en leurs parties inférieures et supérieures. Les portions planes inférieure et supérieure du renflement 31 de la membrane déformable 24 sont respectivement jointes avec la portion plane supérieure du renflement 30 et la 10 première face 23 du substrat 21. Un capot 50 en céramique HTCC est fixé de manière étanche sur la première face 9 du support 3 et délimite un volume 51 dont la pression absolue est sensiblement nulle et qui contient le pied 4, la platine 2 et le cap- 15 teur 20. Le support 3 comprend une piste conductrice 10 interne s'étendant de part et d'autre d'une paroi 52 du capot 50. Cette piste interne 10 est réalisée en alliage d'argent et a une épaisseur de dix microns d'épaisseur. La couche interne est rendue hermétique grâce à 20 l'utilisation d'une technologie de type couche épaisse La piste 10 établit une liaison électrique, d'une part, avec un plot 11 s'étendant à l'extérieur du capot 50 (c'est-à-dire à l'extérieur du volume 51) sur la face 9 du support 3 et, d'autre part, avec un fil conduc- 25 teur 12 qui s'étend à l'intérieur du volume 51 et est re- lié au plot 29 du circuit 27. Ainsi, le fil conducteur 12 relie les deux électrodes 22 et 25 au plot 11 via la piste conductrice interne 10 et contribue à réaliser une liaison électrique entre le capteur 10 et le plot 11 qui 30 est protégée du milieu extérieur. En fonctionnement, le fluide dont la pression doit être mesurée emplit le canal 7 et la première enceinte 40. Sous l'effet de la pression P, la membrane 24 se déforme et la distance séparant les électrodes 22 et 25 varie en fonction de cette pression P. La capacité 3037141 6 du condensateur formé par les électrodes 22 et 25 est modifiée et transmise au circuit 27 via les fils conducteurs 26. Le circuit 27 convertit alors la capacité mesurée en signaux électriques qu'elle transmet à l'aide du fil conducteur 12 à un circuit de communication relié au plot 11 via la piste conductrice 10. Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à ceux-ci dans la description qui suit des deuxième et troisième modes de réalisation.
5 En référence à la figure 2, le capteur de pres- sion 20 comprend ici, une membrane déformable 24 qui s'étend en regard de la première face 5 de la platine 2, à une distance d de celle-ci. La membrane déformable 24 porte un ensemble 60 de jauges piézoélectriques 61 de dé- 10 formation qui sont montées en pont de Wheatstone. L'ensemble 60 est relié à la piste conductrice 10 par l'intermédiaire du fil conducteur 12. On obtient alors un dispositif de mesure de pression de type piézorésistif dépourvu de fluide de transfert et dans lequel le volume 15 51 fait également office de cavité de référence. La figure 3 représente mode de réalisation alternatif pour le capot 50 pouvant être mise en oeuvre pour tout type de capteur 20. Selon ce mode de réalisation, le capot 50 comprend une paroi 52 en céramique de type HTCC 20 et un couvercle 53 supérieur métallique rapporté par bra- sage. Le capot 52, ou à minima le couvercle 53, reçoit ici ensuite un revêtement extérieur en parylène. Au sens de la présente demande, le terme élec- trode désigne tout élément électriquement conducteur. Il 25 couvre alors un élément rapporté sur un substrat ou une membrane ainsi qu'une portion de substrat ou de membrane (voire son intégralité) disposant des propriétés élec- triques lui permettant de définir une électrode de con- densateur. Une membrane en céramique est donc une élec- 3037141 7 trode au sens de la présente demande. Bien entendu, l'invention n'est )as limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie 5 par les revendications. En particulier : - bien qu'ici le dispositif soit de forme générale cylindrique droite de section circulaire, l'invention s'applique également à d'autres formes de 10 dispositifs comme par exemple un dispositif cylindrique de courbe directrice carrée ou rectangulaire, ou encore un dispositif sphérique ; - bien qu'ici le substrat du capteur soit en silicium, l'invention s'applique également à d'autres types 15 de substrat comme par exemple un substrat en céramique multicouche à cuisson simultanée à haute température (HTCC) ou en céramique multicouche à cuisson simultanée à basse température (LTCC) ; - bien qu'ici les pourtours de la membrane et du 20 support soient définis par un renflement annulaire, l'invention s'applique également à d'autres types de pourtours comme par exemple une paroi de section rectangulaire ou des entretoises périphériques collés au support, au substrat et/ou à la membrane ; 25 - bien qu'ici le couvercle soit plan, l'invention s'applique également à d'autres formes de couvercle comme par exemple un couvercle en forme de dôme hémisphérique ; - bien qu'ici, le circuit du capteur comprenne un ASIC solidaire du substrat, l'invention s'applique égale- 30 ment à d'autres moyens de traitement comme par exemple un microcontrôleur, celui-ci pouvant être situé sur le subs- trat ou sur un autre élément comme par exemple le support - bien qu'ici le capot soit en céramique HTCC, 35 l'invention s'applique également à d'autres types de ma- 3037141 8 tières comme par exemple le silicium, la céramique LTCC, le métal ou encore une matière thermoplastique ; - bien qu'ici le support comprenne une piste conductrice, l'invention s'applique également à un support 5 comprenant plusieurs pistes conductrices. Les pistes con- ductrices pouvant prendre la forme de portion conductrices internes au support au pouvant correspondre à des couches conductrices s'étendant sensiblement sur la totalité de la surface du support ; 10 - bien qu'ici la piste conductrice relie le fil conducteur à un seul plot situé sur la face du support s'étendant en regard de la platine, l'invention s'applique également à un plot s'étendant sur la face du support opposée à la platine ainsi deux ou plus de plots 15 pouvant s'étendre tous ou en partie sur la face du sup- port opposée à la platine ; - bien qu'ici la paroi du capot soit en céramique de type HTCC, l'invention s'applique également à un capot réalisé en d'autres matières comme par exemple une céra- 20 mique de type LTCC ou en silicium ; - bien qu'ici le support 3 comprenne ici une piste conductrice interne d'une épaisseur de dix microns, l'invention s'applique également à un support comprenant plusieurs pistes conductrices internes dont l'épaisseur 25 peut varier-suivant les courants à faire passer- entre trois et trois cent microns ; -bien qu'ici la piste conductrice soit réalisée en un alliage d'argent, l'invention s'applique également à d'autres types de matériau conducteur pour la piste in- 30 terne conductrice, comme par exemple un alliage à base d'or, de cuivre ou de tout autre matériau conducteur ; -bien qu'ici la piste interne soit rendue hermé- tique grâce à l'utilisation d'une technologie de type couche épaisse, l'invention s'applique également à 35 d'autres types de procédés permettant l'inclusion d'une 3037141 9 piste conductrice interne comme par exemple un procédé LTCC (low temperature cofired ceramic).
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de mesure de pression comprenant une platine (2) ayant une première face (5) portant un capteur de pression (20) en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche (40) et, à l'opposé, une deuxième surface (6) en saillie de laquelle s'étend un pied (4) solidaire d'un support (3), un canal (7) s'étend au moins dans le pied (4) pour déboucher par une première extrémité (7.1) dans la première enceinte étanche (40) et par une deuxième extrémité (7.2) sur une première face (9) du support (3) s'étendant en regard de la deuxième face (6) de la platine (2), le dispositif (1) comprenant également un capot (50) fixé de manière étanche sur la première face (9) du support (3) pour délimiter un volume (51) contenant le pied (4), la platine (2) et le capteur de pression (20), le support (3) étant un support céramique ayant au moins une piste conductrice interne (10) s'étendant de part et d'autre d'une paroi (52) du capot (50) pour être en liaison électrique, d'une part, avec au moins un plot (11) s'étendant à l'extérieur du capot (50) sur une des faces (9) du support (3) et, d'autre part, avec un fil conducteur (12) qui s'étend à l'intérieur du volume (51) délimité par le capot (50) et est relié à un circuit (27) du capteur (20).
- 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le capteur de pression (20) comprend un substrat (21) sur une première (23) face duquel s'étend une pre- mière électrode fixe (22) et une membrane deformable (24) qui porte une deuxième électrode mobile (25) en regard de la première électrode fixe (22) et qui s'étend à distance du substrat (21) en définissant avec celui-ci une deuxième enceinte étanche (41) autour de la première élec- trode fixe (22), les deux électrodes (22, 25) étant re- 3037141 11 liées à la piste interne conductrice (10).
- 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, dans lequel la deuxième enceinte étanche (41) est à une pres- 5 sion absolue sensiblement nulle.
- 4. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le support (3) est en céramique multicouche. 10
- 5. Dispositif (1) selon la revendication 4, dans lequel le support (3) est en céramique de type HTCC.
- 6. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le capot (50) est en céramique multicouche. 15
- 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capot (50) comprend une paroi (52) en céramique de type HTCC et un couvercle supérieur (54) métallique, le capot (50) étant pourvu extérieurement d'un revêtement 20 en parylène.
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