FR3074292A1 - Dispositif de detection de pression a decouplage thermomecanique - Google Patents

Dispositif de detection de pression a decouplage thermomecanique Download PDF

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    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Abstract

Dispositif (1) de détection de pression comprenant un capteur (2) de pression et un support (3) ayant une première face (5) en saillie de laquelle s'étend un pied (4) dont est solidaire une platine (7) qui porte le capteur (2) en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche (40), un canal (31) s'étendant au moins dans le pied (4) pour déboucher par une première extrémité (32) dans l'enceinte étanche (40) et par une deuxième extrémité (34) sur une deuxième face (10) du support (3), la platine (7) étant pourvue d'au moins une rainure (35, 36) pour assurer un découplage mécanique partiel du capteur (2) par rapport au pied (4), caractérisé en ce que la rainure (35, 36) est circulaire et centrée autour d'un axe (X) du pied (4).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de la mesure de pression et plus particulièrement les capteurs électr©mécaniques de pression de fluide pour des applications aéronautiques, et notamment les capteurs de type MEMS.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Un capteur de pression électromécanique comprend •généralement une membrane en silicium ou en alliage de silicium· sur la face: avant de laquelle sont rapportées des jauges de déformation· piézoélectriques montées en •pont de Wheatstone et reliées: à une unité électronique· de traitement par des fils de connexion. La face: arrière: opposée a 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 ptession. 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, généralement de l'huile silicone. L'autre extrémité du conduit est fermée: par une pastille en acier inoxydable dont une: face est en contact avec le fluide dont la pression est a 'mesurer. La pression appliquée sur la pastille 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 fournis par les jauges de déformation. Le signal électrique engendré par l'unité de traitement est ensuite transmis -à Un réseau de communication.
Le capteur ainsi obtenu est généralement encombrant:, lourd et coûteux, notamment en raison de la présence du conduit: rempli d'huile et des éléments d'étanchéité associés. En effet, l'huile doit être absolument incompressible, et de telles huiles sont chères et se figent à basse température au point de transmettre les vibrations'. Dans les cas où elles ne sont pas totalement exemptes d'impuretés et/ou de radicaux libres, ces huiles sont génératrices de dérives électriques lorsqu'elles sont soumises^ à une tension électrique. Le remplissage du conduit cylindrique doit être* effectué de 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 du capteur.
Un tel capteur est extrêmement sensible aux variations rapides de température du fluide dont la pression est à mesurer. 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 des erreurs difficiles à compenser. De plus, à des tempérâtüres extrêmement basses, le fluide de transfert peut figer et rendre le capteur inopérant. Enfin, le support sur lequel est monté* le capteur de* pression se déforme sous 1'effet d'une sollicitation thermique et crée alors* des tensions sur la membrane. Ces tensions, en s'ajoutant ou en se soustrayant à 1' ef fort exercé par le fluide sur la membrane, altèrent la précision de la mesuré de la pression.
Pour réduire la transmission des variations thermiques de 1'environnement du capteur depuis son support jusqu'à la membrane, il a été envisagé dé fixer le capteur sur son support à l'aidé· de liants souples comme par exemple de la colle* silicone. Un tel assemblage requiert dé réaliser un cordon de colle rigoureusëment symétrique et exempt de bulle d'air sous peine· de générer une hystérésis en température et pression. Autre aspect délicat de réalisatioh d'un tel capteur, la colle doit être généralement stabilisée pendant plusieurs semaines en étant soumise à des cycles de température et pression, ce -qui augmente- considérablement les -coûts· de production. Il a été également envisagé d'interposer une pièce intermédiaire flexible entre le capteur et son support de manière à atténuer les différences dé dilatations. Cependant, une trop forte flexibilité de cette pièce intermédiaire rend le capteur sensible aux vibrations· et aux chocs.
OBJET DE L'INVENTION
Un but de 1' invention est de réduire la
sensibilité du capteur < aux variations thermiques de son
env i r onnemen t,
RESUME DE· L’INVENTION
A cet effet, on prévoit un dispositif de
détection de pression comprenant un capteur de pression et un support ayant une première face en saillie de laquelle s'étend un pied dont est solidaire une platine qui porte le capteur en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche. Un canal s'étend au moins dans le pied- pour déboucher par une· première extrémité dans 1' enceinte étanche et par une deuxième extrémité sur une deuxième face du support. La platine est pourvue d'au moins une rainure pour assurer un découplage mécanique partiel du capteur par rapport au pied. Selon l'invention, la rainure est circulaire et centrée autour d'un axe du pied.
La rainure circulaire· crée< une zone de flexion plane sur la platine qui permet d'atténuer les perturbations thermomécaniques·, principalement en flexion, autour de la membrane du capteur. La rainure permet également: d'atténuer les effets d'une dilatation ou une rétraction de la platine sur la déformation dans un plan longitudinal (tension) et transversal (flexion) de la membrane.
Avantageusement, le ratio entre la profondeur de la rainure et sa largeur est supérieur ou égal à 5.
Ceci permet de déplacer le signal pérturbateür qui a pour origine la perturbation thermiqueprincipalement dans le plan de la membrane déformable et a pour -effet de découpler encore plus efficacement le capteur.
Selon un mode de réalisation avantageux, le capteur de pression comprend une membrane déformable de forme rectangulaire ou carrée.
Cette forme de membrane permet de mieux concentrer le signal de pression sur les améliore ainsi la sensibilité du capteur jauges et
D'autres ca r a ctérist i que s et avantages ressortiront à la lecture· de la description qui suit de modes de réalisât ion particuliers^ non limitatifs dé
11 invention·.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels r
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe transversale d'un premier mode de réalisation du dispositif selon 1'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique de dessus partiellement écorchée du dispositif de la figure 1 ;
- la figure 3^ est une vue schématique de 'détail du dispositif de la figure 1 ;
- la figure 4 est une représentation identique à celle de la figure 1 d'un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, le dispositif de détection de pression selon 1'invention, et généralement désigné 1, comprend un capteur de pression 2 et un
face 5 du support 3 selon un axe X est solidaire de la première face 6 d'une platine 7, ici en silicium, qui porte le capteur· 2. Le pied 4 est ici fixé par brasage sur le support 3.
Le capteur 2 comprend une portion périphérique 20 de forme annulaire entourant une membrane 21 déformable de forme carrée qui s'étend en regard àe la deuxième face de la platine 7 opposée à la première face 6. Le capteur 2 définit alors avec la platine 7 une première enceinte étanche 40 délimitée par la portion périphérique
20, ainsi que la face avant 22 de la membrane· 21 et la deuxième face 8 de la platine 7. La membrane 21 est, ici, en silicium.
La face arrière 23 de la membrane 21 opposée à la face avant 22 reçoit quatre jauges: piézoélectriques 25 montées en pont de Wheatstone et dont les bornes sont reliées par quatre pistes conductrices 26, imprimées sur la membrane 21 à -des piots 27 de contact solidaires de la portion annulaire 20. Des fils conducteurs 9 relient chacun des plots 27 à un circuit de transmissiôn extérieur 28 non· représenté. On couvercle· 28 s'étend en regard de la face arrière 23: de la membrane· déformable 21 et: repose sur une face· supérieure plane: 29 de la portion périphérique; 20. M couvercle 28 définit alors avec le capteur 2 une deuxième enceinte étanche 41 délimitée par la portion périphérique 20, la face arrière 23 de la membrane 21 et la face inférieure 30 du couvercle 28.
L'enceinte étanche: 41 constitue une cavité de référence dans laquelle règne une: pression de référence qui s'applique -sur la face arrière 23 de la membrane 21.
Cette cavité de référence 42 permet·, dans le cas d'une pression absolue de référence nulle, de mesurer des pressions absolues, c'est-à-dire décorrélées de la pression atmosphérique, et donc éventuellement négatives.
Le dispositif 1 comprend égalëmerït un canal 31 qui s'étend au moins dans le pied 4 pour déboucher par une première extrémité 32 dans la première enceinte étanche 40. La deuxième: extrémité 33 du canal 31 débdüche, via un perçage 34 traversant le support 3, sur 5 une deuxième face 10 du support 3.
Comme visible sur les figures 1 et 2, la platine 7 est pourvue de deux rainures circulaires 35 et 36 centrées autour de l'axe X destinées à assurer un découplage mécanique partiel du dapteur 2 par rapport au 10 pied 4.
En référence à la figure 3, un découplage thermomécanique particulièrement efficace 'est obtenu lorsque le ratio entre la profondeur p d'au moins une des rainures 35-36, ou les deux, et sa largeur 1 est 15 supérieur ou égal à 5. De telles: rainures peuvent notamment être- obtenues 'par gravure profonde et sèche de type DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching) . Comparativement avec des rainures en V obtenues par gravure chimique, une rainure dont les flancs s'étendent 20 selon une direction essentiellement perpendiculaire au plan de la membrane 21 permet de réaliser un plus grand nombre de rainures sur une même surface et offre un découplage: très efficace·.
En fonctionnement, le fluide dont' la pression P est à mesurer pénètre dans le canal 31 par l'orifice 34 et occupe l'enceinte étanche 40. Sous l'effet de la pression P, la membrane 21 se déforme et la résistance R aux bornes des quatre jauges piézoélectriques 25 varie. La Valeur de la résistance R est transmise via les pistes conductrices 26 aux plots 27 et au circuit de transmission extérieur.
Lorsque la température du fluide dont la pression est à mesurer varie, le support 3 et la platine 7 subissent des· déformations thermomécaniques pouvant résulter en: dés contraintes sur la membrane 21. Les
rainures 35 et 36 créent des zones concentriques de flexion plane sur la platine 7 qui permettent de bien canaliser la pression et d'atténuer les perturbations thermomêcanlques, principalement en flexion, autour de la membrane 21 cabrée du capteur 2. Les rainures 35 et 36 réalisent alors un découplage thermique du capteur 2 et de son support 3. L'influence des déformations mécaniques du support' 3 ayant pour origine des variations de température de 1'environnement du capteur (dont notamment le fluide·) est réduite.
Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à ceux-ci dans la description qui suit d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.
En référence à la figure 4, le couvercle 28 reçoit sur sa face: 50 s ' étendant en regard de la face arrière: 23 de la membrane 21 une première électrode 51. La membrane 21 porte quant à elle une deuxième: électrode 52 qui est eh regard et écartée de la première électrode
51 d'une distance d. Les électrodes 51 èt 52 sont reliées à une: unité de traitement 53 par des: pistes conductrices 54 et 55 respectivement imprimées sur la face 50 du couvercle 28 et la face arrière 23 de la membrane: 21. L'unité de traitement est solidaire de la portion périphérique: 20 et est reliée par un fil conducteur 56 au circuit de 'communication extérieur. L'unité de traitement 53, ici une unité intégrée de type ASIC (de l'anglais « Application Spécifie mtegratëd Unité »), est agencée pour délivrer un signal électrique en fonction d'une 20 distance séparant la première électrode 51 de la deuxième électrode 52.
La platine 7 comprend une rainure· circulaire 57 centrée autour de l'axe X du pied 4:. La rainure: 57 est délimitée par un voile 58 en ü et possède une profondeur 25 p supérieure à l'-épaisséur e de la platine 7. Le voile SU définissant la rainure 57 présente donc une portion qui vient en saillie de la face 6. Le voile 58 a une épaisseur déterminée pour autoriser une déformation suffisante pour assurer le dé co up l age souhaité.
En fonctionnement, le fluide dont la pression j?
est à mesurer pénètre dans le canal 31 par 1'orifice 34 et occupe l'enceinte étanche 40. Sous l'effet de la pression P, la membrane 21 se déforme- et la distance d séparant la première électrode 51 de la- deuxième électrode 52 varie. La capacité du condensateur formé pat le couple d'électrodes 51, 52 est alors modifiée et transmise à l'unité de traitement 53 via les pistes conductrices 54 et 55/. L'unité de traitement 53 convertit la capacité mesurée en un signal électrique qu'elle transmet au circuit dé communication extérieur via le fil conducte ut 56.
Au sens de la présente demande, un pied· est un support s'étendant selon un axe longitudinal et dont la dimension transversale est très inférieure à la largeur de l'élément supporté. Ainsi, une eutrefOise dont le diamètre est sensiblement égal a celui du capteur n'-est 10 pas un pied au sens dé la présente demande cte brevet.
Bien entendu, 1'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.
En particulier :
- bien qu'ici la platine du capteur soit en silicium, 1'invent ion s'applique- également à d'autres matériaux pour la platine comme par exemple une platine en céramique multicouches à cuisson simultanée à haute température (HTCC) ou en céramique multicouches à cuisson simultanée à basse température (LTCC), un matériau organique type « liqui-d crystal polyymer » ou autre-. ;
- bien qu'ici la membrane déformable soit en silicium, l'invention s'applique également à d'autres types de membranes comme pan exemple une membrane* en* céramique ;
- bien qu'ici, l'unité de traitement soit un ASIC solidaire de la port ion péripliérique: 20, l'invent ion s'applique également à d'autres moyens de traitement cortimë par exemple un microcontrôleur, celui-ci pouvant être* situé sur une autre partie du capteur comme par exemple le* couvercle*, ou encore déporté sur le support ou sur un élément distinct du dispositif de détection de pression ;
bien qu'ici, les liaisons électriques des électrodes à l'unité de traitement soient effectuées à l'aide de pistes conductrices imprimées sur la membrane déformable et le couvercle, l'invention s'applique également à d'autres moyens de* raccordement pouvant comprendre par exemple des fils conducteurs et/bü des pistes conductrices internes s'étendant dans les membranes déformables ou le couvercle ;
- bien qu'ici le pied soit fixé au support par brasage, l'invention s'applique également à d'autres moyens de fixation comme par exemple le collage· ou le frittage* d'argent*;*
- 'bien qu'ici le capteur· piezprésistif comprenne quatre jauges piézoélectrique*© montées en pont de Wheatstone, l'invention s'applique également à d’autres types de capteur ré*sist*if comme par exemple un capteur comprenant un nombre différent de jauges piézoélectriques et/ou un montage différent de celles-ci ;
- bien qu'ici il soit fait mention d'un capteur* piezorésistif, tout autre mode de détection (Capacitif, .... ) sont aussi considérés ;
- bien qu' ici la cavité de réf érence soit à une pression absolue nulle, l'invention s'applique- également à une* cavité de référence dont la pression est différente, permettant de déplacer la zone de plus forte sensibilité du capteur vers des pressions voisines de la pression de référence ;
- bien qu' ici, la plat ine comprenne une ou deux rainures pour assurer un découplage mécanique partiel du capteur par rapport au pied, l'invention s'applique également· à une platine comprenant un nombre différent de rainures comme par exemple trois rainures: bu plus ;
- bien qu' ici les· plots de contact reliant les jauges piézoélectriques soient situées sur la périphérie de la portidh annulaire de la membrane, l'invention s'applique également à des plots de contact situe à d'autres endroits, comme par exemple des plots solidaire du couvercle oü du support ;
- bien qu'ici les mesures de pression soient transmises à un circuit de coimnunxcation extérieur via un fil conducteur, l'invention s'applique également à d'autres moyens de communication comme par exemple des moyens de communication sans fil de type Bluetooth, Wi-Fi ou radio ;
- bien qu'ici la membrane déformable soit de forme carrée,· l'invention s'applique également à d'autres formes· de membrane comme par exemple des membranes déformables rectangulaires, circulaires ou de formes quelconques.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (1) de détection de pression comprenant un capteur (2) de pression et un support (3)
    5 ayant une première face (5) en saillie de laquelle s ' étend un pied (4) dont est solidaire une platine ( 7) qui porte le capteur (2) en définissant avec celui-ci une première enceinte étanche· (407, un canal (31 ) s'étendant au moins dans le pied (4 ) pour déboucher par une première:
    10 extrémité (32) dans l'enceinte étanche (40) et par· une deuxième extrémité (34) sur une deuxième face (10) du support (3) , la platiné (7) étant pourvue d'au moins une rainure (35, 36) pour assurer un découplage mécanique partiel du capteur (2) par rapport au pied· (4 ) ,
    15 caractérisé en ee que la rainure (35, 36) est circulaire et centrée autour d'un axe (X) du pied (4) .
  2. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le ratio entre la profondeur (p) de la rainure et
    20 sa largeur (1) est supérieur ou égal â cinq.
    3. Dispositif CD selon la revendication 1, dans· lequel le capteur ( 2) de pression est un capteur résistif. 25 4. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans: lequel le capteur ( 2) de pression est un capteur capacitif. 30 5. Dispositif CD •selon la revendication 1, dans lequel le capteur (2) de pression comprend une membrane déformable (21) ainsi q» 'une deuxième enceinte étanche
    (41) dans laquelle règne une pression de référence s'appliquant sur une des faces· (23) de la membrane 35 déformable (21).
  3. 6. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le capteur (2) de pression comprend· une membrane déformable (21) de forme rectangulaire du carrée.
  4. 7, Dispositif' (1) selon la revendication 1, dans lequel la membrane -est délimitée par un voile (58) sensiblement en forme de U.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009046692A1 (de) * 2009-11-13 2011-05-19 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druck-Messeinrichtung
FR3037141A1 (fr) * 2015-06-03 2016-12-09 Sagem Defense Securite Dispositif de detection de pression

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