FR3105415A1 - Capteur autonome à membrane - Google Patents

Abstract

Capteur autonome à membrane L’invention concerne un capteur autonome à membrane déformable comprenant un boitier (10) en deux parties (11, 12) assemblées entre elles et configurées pour former une cavité (100) étanche, un détecteur (20) configuré pour détecter une déformation de la membrane (13, 13a, 13b) déformable, un système de communication (21) sans fil configuré pour communiquer une donnée de déformation de la membrane (13, 13a, 13b) en dehors du boitier (10), et un système d’alimentation électrique (22) configuré pour alimenter le détecteur (20) et/ou le système de communication (21), le capteur étant caractérisé en ce que l’une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) comprend une première zone (z1) présentant une épaisseur e1 et une deuxième zone (z2) présentant une épaisseur e2 telle que e2 < e1, ladite deuxième zone formant l’au moins une membrane (13, 13a, 13b) du capteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Capteur autonome à membrane

La présente invention concerne le domaine des capteurs microélectroniques, par exemple ceux fabriqués par des technologies de micro-usinage de silicium largement connus sous l'acronyme anglais MEMS (Microelectromechanical systems, ou systèmes microélectromécaniques en français). L’invention trouve pour application particulièrement avantageuse la réalisation de capteurs autonomes à membrane.

Avec l’essor du concept d'«Internet des Objets» ou IoT (acronyme anglais de «Internet of Things»), basé sur l'interconnexion entre Internet et des objets, des lieux et des environnements physiques, les réseaux de capteurs sans fil distribués dans notre environnement se sont considérablement développés.

De tels capteurs sans fil, également appelés capteurs autonomes, comprennent typiquement un boitier dépourvu de connexion filaire. Dès lors, l’alimentation en énergie de ces capteurs autonomes peut se faire directement à partir de leur environnement, par récupération d'énergie par exemple, ou par une liaison radio. La communication avec ces capteurs autonomes peut se faire par l’intermédiaire d’une antenne intégrée au boitier.

Ces capteurs autonomes sont développés dans le cadre d’usages variés. Ils peuvent notamment permettre de mesurer un ou plusieurs paramètres physiques (température, pression, vibration, CO2, etc.) et les transmettre par ondes radio pour analyse.

La figure 1 illustre un exemple de capteur autonome configuré pour mesurer la pression extérieure au boitier. Ce capteur comprend typiquement un boitier 10 fermé vis-à-vis de l’extérieur, comprenant un support 11, un capot 12 et une membrane déformable 13 assemblés hermétiquement. Le boitier 10 abrite typiquement un détecteur 20 et une antenne 30. Le détecteur 20 est configuré pour détecter une déformation de la membrane 13, et l’antenne 30 est configurée pour transmettre des données relatives à cette mesure de déformation. Elle est également de préférence configurée pour recevoir une énergie sous forme d’ondes radio. Le support 11 est percé de façon à laisser un passage vers la membrane 13. La membrane 13 est rapportée directement ou indirectement sur le support 11, typiquement par collage. Cette membrane 13 peut être notamment formée sur une puce 130 elle-même collée sur le support 11.

Un tel capteur autonome de pression est néanmoins relativement cher et complexe à fabriquer. Ce type de capteur n’est en outre pas adapté pour certaines applications de mesure de pression.

Des capteurs autonomes de pression peuvent en effet être utilisés dans le domaine automobile, par exemple pour mesurer la pression des pneus ou du liquide de frein dans une phase de freinage. Ils peuvent également être utilisés dans le domaine du bâtiment, par exemple pour mesurer la déformation d’une infrastructure. De tels usages impliquent généralement l’intégration du capteur autonome de pression dans un environnement hostile. Un tel capteur peut ainsi être soumis à des températures et/ou pression élevées, par exemple respectivement de l’ordre de 200°C et/ou 200 atmosphères (atm). Il peut également être noyé dans une matrice, par exemple un matériau de construction, pouvant former un milieu corrosif. Il existe donc également un besoin consistant à réaliser un capteur autonome de pression robuste, présentant une fiabilité améliorée.

Un objet de la présente invention est de pallier au moins en partie certains des inconvénients mentionnés ci-dessus.

En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un capteur autonome à membrane déformable limitant le coût et/ou la complexité de fabrication.

Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.

RÉSUMÉ

Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l’invention concerne un capteur autonome à membrane déformable comprenant au moins une membrane déformable, un boitier comprenant au moins une première partie et une deuxième partie assemblées entre elles et configurées pour former une cavité fermée, un détecteur configuré pour détecter une déformation de la membrane déformable, au moins une antenne et un système de communication sans fil associé à ladite au moins une antenne, ledit système de communication sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane en dehors du boitier, et un système d’alimentation électrique configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur et le système de communication.

Avantageusement, l’une au moins parmi les première et deuxième parties comprend une première zone présentant une épaisseur e1 et une deuxième zone, également appelée zone amincie, présentant une épaisseur e2 telle que e2< e1, ladite deuxième zone formant l’au moins une membrane du capteur.

Ainsi, le boitier étanche comprend un nombre limité d’éléments, en l’espèce les première et deuxième parties. La membrane est formée directement par amincissement d’une zone de l’une au moins parmi lesdites première et deuxième parties. Cela évite de recourir à la fourniture d’une membrane formée à part, puis au montage de cette membrane sur l’une ou l’autre desdites parties. Cela limite le nombre de pièces à assembler. Le coût lié à l’assemblage du boitier est ainsi diminué. L’assemblage est également simplifié. Une telle architecture simplifiée permet également d’améliorer la fiabilité du capteur, dans la mesure où le nombre de pièces et/ou de zones d’assemblage susceptibles de défaillance diminue. Par ailleurs, lorsque le capteur est soumis à des conditions sévères, par exemple des pressions élevées, le risque de désolidarisation de la membrane par rapport au boîtier est considérablement limité par rapport aux solutions existantes, voire est supprimé.

Un tel capteur, dans lequel la membrane est réalisée directement dans et en continuité avec l’une des parties du boitier, est particulièrement adapté à la détection de pression ou de déformation en environnement hostile.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un système comprenant une matrice et au moins un capteur selon le premier aspect de l’invention. Avantageusement, l’au moins un capteur est noyé dans la matrice.

Selon un exemple, le système est un pneu de véhicule comprenant au moins un capteur tel que décrit ci-dessus. Selon un autre exemple, le système forme l’un parmi: un pneu de véhicule, une structure en polymère déformable, par exemple en caoutchouc, une plaquette de frein.

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :

La figure 1 illustre en coupe une architecture connue de capteur autonome à membrane.

La figure 2 illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un mode de réalisation de la présente invention.

La figure 3 illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

La figure 4A illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

La figure 4B illustre en perspective le capteur autonome à membrane illustré à la figure 4A.

La figure 5A illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

La figure 5B illustre en perspective un capteur autonome à membrane du type illustré à la figure 5A, selon un mode de réalisation de la présente invention.

La figure 5C illustre en vue filaire un capteur autonome à membrane du type illustré à la figure 5B, selon un mode de réalisation de la présente invention.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des différents éléments du capteur (par exemple capot, support, membrane, antenne, détecteur, etc) ne sont pas représentatives de la réalité.

Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, il est rappelé que l’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement:

Selon un exemple, l’épaisseur e2 de la deuxième zone est au moins cinq fois inférieure à l’épaisseur e1 de la première zone.

Selon un exemple, la première zone est adjacente à la deuxième zone. Selon un exemple, la première zone entoure, de préférence entièrement, la deuxième zone. Selon un exemple, la première zone s’étend sur tout le pourtour de la deuxième zone.

Ladite deuxième zone forme à elle seule l’au moins une membrane.

Selon un exemple, le boîtier est entièrement formé par la première partie et la deuxième partie.

Selon un exemple, le système d’alimentation et le détecteur sont situés dans la cavité, en dehors de la deuxième zone. Ainsi, ces éléments ne sont pas au contact de la membrane. Plus précisément, ils ne sont pas au contact de la face interne de la membrane.

Selon un exemple, le détecteur est situé en regard de la deuxième zone. Par exemple, le détecteur est situé sur une droite passant par la membrane et perpendiculaire au plan dans lequel s’étend principalement la face interne de la membrane.

Selon un exemple, l’au moins une antenne est située en dehors de la deuxième zone.

Selon un exemple, les première et deuxième zones présentent respectivement des première et deuxième surfaces S1, S2 telles que S2 ≤ 0,5 S1.

Selon un exemple, la deuxième zone comprend un élément en saillie d’un côté opposé à la cavité, dirigé vers une zone extérieure au boitier.

Selon un exemple, la deuxième zone supporte au moins l’un parmi un élément capacitif, piezorésistif, ou piézoélectrique. Selon un mode de réalisation, l’élément capacitif, piezorésistif, ou piézoélectrique est rapporté sur la deuxième zone.

Selon un exemple, le détecteur est configuré pour coopérer avec ledit au moins un élément capacitif, piezorésistif, ou piézoélectrique.

Selon un exemple, le capteur comprend une pluralité de membranes disposées sur l’une parmi la première et la deuxième parties. De préférence, le capteur comprend un détecteur configuré pour détecter une déformation de chacune des membranes. Le détecteur peut être commun à toutes ou plusieurs des membranes. Alternativement, le capteur peut comprendre un unique détecteur par membrane. Selon un premier mode de réalisation, cela permet de capter plusieurs paramètres. Selon un autre mode de réalisation, cette pluralité de membranes permet d’introduire une redondance dans la détection, ce qui améliore la fiabilité générale du capteur.

Selon un exemple, les première et deuxième parties comprennent chacune au moins une deuxième zone formant une membrane déformable.

Selon un exemple, la membrane de la première partie est située en regard de la membrane de la deuxième partie. Selon un exemple, la cavité est située entre la membrane de la première partie et la membrane de la deuxième partie.

Selon un exemple, la cavité est vide à l’exception des composants. Ainsi, un vide est crée à l’intérieur de la cavité avant d’être rendue étanche. Cela permet par exemple une meilleure résistance du capteur dans un environnement où la température est élevée. Alternativement, la cavité est remplie d’un gaz avant d’être rendue étanche. Ce gaz est de préférence un gaz neutre.

Selon un exemple, l’une au moins parmi les première et deuxième parties est en silicium.

L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement:

Selon un exemple, la matrice est en un matériau pris parmi un polymère, un géopolymère, un matériau composite, un alliage métallique, une céramique.

Sauf incompatibilité technique, il est entendu que le dispositif, le procédé de fabrication, et le système peuvent comprendre,mutatis mutandis, l’ensemble des caractéristiques optionnellesci-dessus.

Dans le cadre de la présente invention, on entend par cavité «étanche» une cavité close empêchant ou limitant les échanges de fluide avec le milieu extérieur à ladite cavité. Le terme «hermétique» peut être employé en synonyme. Ces qualificatifs appliqués à un boitier de capteur comprenant une cavité s’entendent dans des conditions d’utilisation normales et/ou aux tolérances de fabrication près. Une cavité fermée n’est pas nécessairement étanche. Une cavité fermée empêche au moins l’introduction d’objets ou de particules de petites tailles.

Par membrane déformable, on entend une membrane apte à se déformer de manière élastique. A l’opposé la partie du boitier formant un support ou un cadre supportant la membrane est rigide. Ce support ou ce cadre présente une aptitude à se déformer bien inférieure à celle de la membrane. La flexibilité de la membrane est obtenue principalement par sa faible épaisseur. On a ainsi un ratio supérieur à 20 voire à 50 et même 100 entre l’épaisseur de la membrane (typiquement de l’ordre du micron) et l’épaisseur du cadre (typiquement de l’ordre de l’épaisseur d’une tranche de silicium soit de l’ordre de 500 ou 750 microns).

Plus généralement, on entend par un élément «déformable» une capacité de cet élément à se déformer élastiquement sous l’action d’une pression. Cette propriété est en particulier caractérisée par son module d’Young. Ainsi, une membrane à base de silicium présente par exemple un module d’Young compris entre 130 et 185 GPa (Gigapascals). Une telle membrane peut se déformer lorsqu’elle est soumise à des pressions de l’ordre de quelques atmosphères à quelques centaines d’atmosphères. Une membrane déformable peut éventuellement présenter d’autres propriétés ou fonctionnalités, en plus de ses capacités de déformation. La membrane n’est pas limitée à une membrane à base de silicium. Elle peut être par exemple à base de céramique ou d’acier inox.

Dans la présente demande, des valeurs de pressions sont mentionnées. La ou les unités de pression associées à ces valeurs ne sont pas nécessairement le pascal (symbole Pa) du système d’unités international. Les valeurs de pression peuvent être exprimées, de façon connue et usuelle pour l’homme du métier, en bars, en atmosphères. Un bar équivaut à 1 bar = 10⁵Pa. Une atmosphère (symbole atm) équivaut à 1 atm = 101 325 Pa.

On entend par un substrat, un film, une membrane ou un capot « à base » d’un matériau M, un substrat, un film, une membrane ou un capot comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une membrane en un matériau à base de silicium peut par exemple être une partie mince d’un substrat en silicium ou une structure plus complexe intégrant une partie en silicium associée à une ou plusieurs autres couches minces. Le cas échéant, le matériau M peut présenter différentes stœchiométries et/ou structures cristallographiques.

Dans la présente demande de brevet, les première, deuxième et troisième directions correspondent respectivement aux directions portées par les axes x, y, z d’un repère de préférence orthonormé. Ce repère est représenté sur les figures annexées.

Dans la suite, la longueur est prise selon la première direction x, la largeur est prise selon la deuxième direction y, et l’épaisseur est prise selon la troisième direction z.

On entend par une partie «amincie» d’un élément une partie de cet élément présentant une épaisseur inférieure aux épaisseurs des parties de cet élément environnant ladite partie amincie. Une partie peut être aminciea posteriori, par une étape d’amincissement ou d’usinage par exemple, oua priori, c’est-à-dire directement lors de la formation, par moulage par exemple. Une membrane à base de silicium peut typiquement être formée par amincissement localisé d’un substrat en silicium. Cet amincissement localisé peut être effectué par plasma, ce qui forme typiquement des parois verticales autour de la membrane, tel qu’illustré à la figure 2. Alternativement, cet amincissement localisé peut être effectué par gravure humide, par exemple à base d’une solution de KOH (hydroxyde de potassium) ou de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium), ce qui forme typiquement des parois inclinées autour de la membrane, tel qu’illustré à la figure 3.

La membrane présente une face interne tournée vers l’intérieur du boîtier et une face externe, opposée à la face interne et tournée vers l’extérieur du boîtier. Selon un exemple, la face interne s’étend principalement selon un premier plan parallèle au plan xy. Selon un exemple, la face externe s’étend principalement selon un deuxième plan, également parallèle au plan xy. L’épaisseur de la membrane est mesurée selon une direction z perpendiculaire au premier et au deuxième plan. L’épaisseur e1 de la première zone z₁et l’épaisseur e2 de la deuxième zone z₂sont mesurées selon la direction z.

Selon un exemple préféré, l’épaisseur e2 de la membrane est de préférence sensiblement constante sur toute la zone z2. Selon une possibilité, cette épaisseur peut varier sur la zone z2 de membrane. La membrane peut par exemple être plus fine en son centre et plus épaisse en sa périphérie. Dans ce cas, l’épaisseur e2 est une épaisseur moyenne, si la variation d’épaisseur n’excède pas un facteur 2. Alternativement, pour des variations d’épaisseur plus importante, l’épaisseur e2 est l’épaisseur minimale de la membrane.

Selon un exemple préféré, l’épaisseur e1 est une épaisseur moyenne, si la variation d’épaisseur de la zone z1 n’excède pas un facteur 2. Alternativement, pour des variations d’épaisseur plus importante, l’épaisseur e1 est l’épaisseur minimale de la zone 1

Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près » ou, lorsqu'il s'agit d'une orientation angulaire, « à 10° près ». Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan.

Selon l’invention, le boitier comprend typiquement deux parties assemblées entre elles. Ces deux parties sont plus précisément désignées «support» et «capot» dans la suite. La membrane du capteur selon l’invention est formée dans l’une au moins de ces parties et est délimitée par une zone d’épaisseur e2 plus mince que le reste de la partie considérée, c’est-à-dire le support ou le capot, selon le cas. Cette zone amincie est repérée «z₂» sur les figures d’accompagnement. Dans la suite, par souci de concision, on se référera plus simplement à la «membrane».

L’invention va maintenant être décrite en détail au travers de quelques modes de réalisation non limitatifs.

En référence à la figure 2, un premier mode de réalisation d’un capteur à membrane comprend un boitier 10 formé par au moins deux parties. Dans l’exemple illustré, le boitier 10 est formé par un support 11 et un capot 12 assemblés entre eux. Ce boitier 10 forme une cavité 100 comprenant des moyens de détection et/ou de communication et/ou d’alimentation. Les moyens de détection, typiquement un détecteur 20, sont configurés pour coopérer avec une membrane 13 formée directement dans le capot 12. Les moyens de communication, par exemple un module ou système de communication 21 comprenant un émetteur-récepteur associé à une antenne 30, sont configurés pour émettre et/ou recevoir des signaux à destination de ou en provenance d’un élément extérieur au capteur, c’est-à-dire en dehors du boitier 10.

Les moyens d’alimentation en énergie du capteur, par exemple un module ou système d’alimentation électrique, sont configurés pour alimenter le capteur directement à partir de son environnement, par récupération d'énergie par exemple, ou par une liaison radio. Ainsi le capteur est de préférence un capteur autonome en énergie. Alternativement, on peut prévoir que le capteur soit alimenté en énergie par une batterie intégrée dans le boîtier 10.

Le boitier 10 est fermé. Il est de préférence étanche. Selon un exemple, un vide est créé dans la cavité 10. Cela permet par exemple une meilleure résistance du capteur dans un environnement où la température est élevée. Cela permet également, pour un capteur de pression, de mesurer la pression de façon absolue ou quasi-absolue, par rapport au vide créé dans la cavité. Alternativement, la cavité 100 est remplie d’un gaz avant d’être rendue étanche. Ce gaz est de préférence un gaz neutre.

L’assemblage du boitier 10 peut se faire par collage, frittage, thermocompression ou scellement par thermocompression ou brasage du capot 12 sur le support 11 au niveau des interfaces 121. Les interfaces 121 peuvent donc se présenter sous forme d’une soudure, d’une brasure, d’une colle ou d’une partie frittée, intermédiaire entre le support 11 et le capot 12. Cet assemblage peut se faire en respectant des normes ou des directives associées au niveau de sensibilité à l’humidité MSL (acronyme de Moisture Sensitive Level) des composants (par exemple détecteur 20, émetteur-récepteur 21) situés dans la cavité 100. Les dimensions du boitier sont de préférence inférieures à 10 cm, et plus préférentiellement inférieures à 5 cm, en longueur, en largeur et en hauteur, respectivement selon x, y et z. Le boitier peut par exemple présenter une longueur selon x de l’ordre de 2 cm, une largeur selon y de l’ordre de 1,5 cm et une hauteur selon z de l’ordre de 1 mm à 2 mm, par exemple environ 1,5 mm – ce qui correspond au scellement de deux plaques (wafer en anglais) ou substrats de silicium, capot et support, de 750 µm d’épaisseur. Le boitier 10 peut présenter différentes formes, par exemple sous forme de polyèdre ou de cylindre. Le boitier 10 permet de protéger les composants 20, 21, 30 situés à l’intérieur de la cavité 100. Il comprend essentiellement deux parties 11, 12 assemblées entre elles au niveau des interfaces 121. Le nombre d’interfaces est ainsi limité. Cela permet de minimiser les zones de faiblesse liées à l’assemblage. Le boitier 10 présente dès lors une résistance mécanique et/ou une résistance à la corrosion améliorée. Le coût de l’assemblage est en outre ainsi réduit.

Le support 11 peut typiquement être un substrat à base de silicium. Cela permet d’intégrer facilement sur ce support 11 des moyens de détection et/ou de communication sous forme de puce par des technologies de la microélectronique. Alternativement, le support 11 peut être à base d’un matériau pris parmi: un métal, une céramique, ou du verre. Le boîtier, de préférence le support 11 présente une face 110 en regard de la cavité 100. Les différents moyens de détection (détecteur 20) et/ou de communication (émetteur-récepteur 21, antenne 30) et/ou d’alimentation (antenne 30) se présentent de préférence sous forme de composants 20, 21, 22, 30 reportés sur cette face 110. La face 110 comprend de préférence des régions électriquement conductrices de manière à relier électriquement plusieurs composants entre eux. Comme illustré à la figure 2, l’antenne 30 peut être reliée électriquement au fil de connexion B2 par l’intermédiaire de la face 110 du support 11. La connexion électrique des différents composants 20, 21, 30 entre eux peut se faire par l’intermédiaire de fils de connexion B1, B2, ou de pistes conductrices directement déposées sur la face 110, ou d’une combinaison de fils et de pistes.

Dans ce mode de réalisation, les composants 20, 21, 22, 30 sont disposés sur le support 11 ce qui améliore la robustesse du capteur et facilite les étapes de fabrication et d’assemblage. En particulier, toutes les connections électroniques peuvent être réalisées sur une même partie du boîtier 10. Alternativement, tous ou certains des composants 20, 21, 22, 30 peuvent être disposés sur le capot 12 plutôt que sur le support 11.

Le capot 12 peut typiquement être à base d’un matériau pris parmi: un métal ou un alliage métallique, un plastique, une céramique, un verre. Sur cet exemple de la figure 2, le capot 12 comprend la membrane déformable 13. Ainsi, le capot 12 intègre directement un élément de détection du capteur. Le capot 12 permet donc de protéger le capteur tout en contribuant à la fonction de détection du capteur. Le capot 12 est ainsi fonctionnalisé. Le matériau du capot 12 est de préférence choisi en fonction de ses propriétés mécaniques. Le capot 12 peut présenter une épaisseur e1 de quelques centaines de microns à quelques dizaines de millimètres.

Pour des applications de détection standard par exemple, le capot 12 peut être en un matériau plastique chargé en fibres de silice ou de carbone. Cela permet d’obtenir à la fois une bonne capacité de déformation de la membrane 13 selon z et une résistance mécanique suffisante pour protéger les composants 20, 21, 30 dans la cavité 100. Un tel capot 12 et sa membrane 13 en plastique composite peut être facilement mis en forme par moulage ou extrusion. Son coût de fabrication est relativement réduit.

Pour des applications de détection en environnement hostile, d’autres boitiers 10 hermétiques à base de métal/verre ou de céramiques peuvent être utilisés. De tels boitiers supportent avantageusement des conditions de température et de pression élevées, et/ou des environnements corrosifs. Les techniques d’assemblage de ces boitiers, mettant par exemple en œuvre des alliages de type Kovar ou des pâtes vitreuses, sont connues de l’homme du métier. De tels boitiers sont généralement usinés. Un usinage du capot 12 peut notamment être effectué pour amincir la partie du capot 12 formant la membrane 13.

De façon générale, le capot 12 est de préférence configuré pour présenter une déformabilité suffisante au niveau de la membrane 13, et une faible déformabilité en dehors de la membrane, par exemple inférieure d’un facteur 10 à celle de la membrane 13.

Dans ce mode de réalisation, la membrane 13 est directement formée dans le capot 12. Le matériau de la membrane 13 est donc identique à celui du capot 12. Elle se présente sous forme d’une zone z2 définie par une partie amincie du capot 12, d’épaisseur e2. Ainsi, la partie de boitier 10 intégrant la membrane 13, le capot 12 dans ce mode de réalisation, présente au moins une première zone z1 présentant une épaisseur e1 et une deuxième zone z2 présentant une épaisseur e2 inférieure à z1.

Le rapport d’épaisseurs e1/e2 peut être supérieur à 3, de préférence supérieur ou égal à 5. Cela permet d’augmenter la déformabilité de la membrane 13 vis-à-vis de celle du capot 12.

La membrane 13 peut présenter une épaisseur e2 uniforme. La variation d’épaisseur entre la membrane 13 et le reste du capot 12 se fait dès lors de façon brusque. Cela permet de bien délimiter la zone de déformation. Cela permet par exemple d’optimiser la détection piézoélectrique des contraintes appliquées à la membrane. Selon une possibilité alternative, cette variation d’épaisseur se fait de façon plus ou moins continue. La face externe 132 de la membrane 13 présente typiquement, en projection dans le plan xy, une surface S2 inférieure à la surface S1 (en projection dans le plan xy) des parties non amincies du capot 12.

De préférence le capot 12 présente une épaisseur sensiblement uniforme dans toute la première zone z1 à l’exception de la deuxième zone z2 formant la membrane 13. L’épaisseur e1 ou e2 en un point de la surface du boîtier 10 est mesurée selon une direction perpendiculaire à la tangente au point considéré.

La membrane 13 peut être en partie recouverte par une couche fonctionnelle. Dans l’exemple illustré à la figure 2, la membrane 13 est revêtue sur sa face interne 130 par une couche métallique 131 (non visible). En disposant le détecteur 20 en regard de la membrane 13, celui-ci peut notamment détecter une variation de capacité induite par la déformation de la membrane 13.

Dans cet exemple, le détecteur 20 est configuré pour détecter une variation de capacité entre la face 130 de la membrane et une face supérieure 201 du détecteur 20. La capacité varie notamment lorsque la distance entre lesdites faces 130, 201 varie. Cela permetin finede mesurer une pression exercée sur la membrane 13. Le détecteur 20 peut être associé à un module de traitement du signal (non illustré), un module d’alimentation (non illustré), un émetteur-récepteur 21.

Comme mentionné brièvement ci-dessus, le capteur autonome comprend de préférence, outre le détecteur 20, au moins un système d’alimentation 22 et un système de communication 21 sans fil (émetteur-récepteur et antenne 30). L’antenne 30 peut être réalisée par lithographie ou sérigraphie ou par impression jet d’encre métallique par exemple. Elle peut présenter différentes formes connues prises parmi un cercle, une spirale, une croix, une forme en H, etc.

D’autres modes de réalisation du capteur selon l’invention peuvent être envisagés. Seules les caractéristiques distinctes du premier mode de réalisation sont décrites ci-après, les autres caractéristiques non décrites étant réputées identiques à celles du premier mode de réalisation.

Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3, la membrane 13 est formée directement dans le support 11. Les composants 20, 21, 30 sont dans ce cas disposés dans la zone z1 de plus forte épaisseur, c’est-à-dire en dehors de la zone z2 formant la membrane 13. Cela permet d’éviter par exemple une perturbation dans le comportement de la membrane lors d’une déformation, ou une fatigue du composant lors de déformations répétées de la membrane. Dans cet exemple, la membrane 13 est en silicium, et la détection de la déformation de la membrane 13 se fait par l’intermédiaire de jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 sont de préférence disposées sur un pourtour de la face 130 de la membrane 13. L’effet piézo-électrique ou piézo-résistif induit par la déformation de la membrane 13 est en effet maximisé au niveau de ce pourtour. La détection par les jauges 131 est ainsi optimisée. La face externe 132 de la membrane 13 présente typiquement, en projection dans le plan xy, une surface S2 inférieure à la surface S1 (en projection dans le plan xy) des parties non amincies du support 11.

De manière plus générale, la deuxième zone z2 du capteur 20 supporte au moins l’un parmi un élément capacitif, piezorésistif, ou piézoélectrique.

De préférence dans ce mode de réalisation, la face interne 130 de la membrane 13 est située dans le même plan qu’une face interne 111 du support 11 sur laquelle repose des composants. En revanche, la face externe 132 de la membrane 13 n’est pas située dans le même plan qu’une face externe 112 du support 11. Typiquement, l’amincissement de la zone z2 formant la membrane 13 est obtenu par retrait de matière depuis la face externe 112 du support 11.

Selon un troisième mode de réalisation illustré aux figures 4A, 4B, le capteur comprend au moins deux membranes 13a, 13b déformables. Dans cet exemple, le capteur est plus particulièrement configuré pour détecter une déformation résultant d’au moins une traction exercée selon au moins une direction parallèle au plan dans lequel s’étend au moins l’une des deux membranes 13a, 13b, plus précisément leurs faces internes 130. Dans cet exemple, les deux membranes 13a, 13b, plus précisément leurs faces internes 130, s’étendent selon des plans parallèles. Ces plans sont parallèles au plan xy du repère xyz.

Sur cet exemple, les membranes présentent, dans ce plan xy une dimension principale selon l’axe x.

Tel qu’illustré sur la figure 4A l’effort de traction est exercé suivant l’axe x et est représenté par les forces de traction F_T, -F_T. Les membranes 13a, 13b sont respectivement formées directement dans le support 11 et le capot 12 du boitier 10. Elles présentent respectivement des épaisseurs e2’, e2’’ qui peuvent être sensiblement égales entre elles. Ces épaisseurs e2’, e2’’ peuvent être déterminées en fonction des propriétés mécaniques des membranes correspondantes. Ainsi, si le support 11 et le capot 12 sont formés dans des matériaux différents, les épaisseurs e2’, e2’’ des membranes peuvent être choisies de façon à ce que l’une et l’autre des membranes 13a, 13b présentent des résistances à la traction équivalentes. Cela permet de calibrer le comportement en traction du capteur. Les membranes 13a, 13b sont disposées dans cet exemple en regard l’une de l’autre. Elles peuvent présenter des dimensions en largeur et/ou en longueur identiques.

Dans cet exemple, la déformation lors de la traction est mesurée sur la face interne 130 de la membrane 13a en silicium, par l’intermédiaire des jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 peuvent être placées en pourtour et au centre de la membrane 13a, comme illustré sur la figure 4A. Naturellement ces jauges 131 peuvent être réparties différemment sur la membrane. Les composants sous forme de puce, par exemple le détecteur 20, sont situés de préférence dans la zone z1 et donc en dehors de la zone z2 délimitant la membrane 13a. L’antenne 30 peut être formée ou déposée directement sur la face interne 130 de la membrane 13a. L’antenne peut alternativement être formée sur une partie non amincie du boitier, par exemple pour éviter qu’elle soit soumise à des déformations trop importantes.

La figure 4B illustre en perspective un tel capteur. La forme générale du boitier 10 peut s’apparenter à celle d’une éprouvette de traction, bien connue de l’homme du métier du domaine de la résistance des matériaux. La forme du boitier 10 reflète ainsi la fonction du capteur. Les faces externes 132a, 132b des membranes 13a, 13b peuvent en particulier s’étendre dans des plans xy parallèles entre eux. Les faces externes 132a, 132b présentent respectivement, en projection dans le plan xy, des surfaces S2’, S2’’ typiquement supérieures aux surfaces S1’, S1’’ (en projection dans le plan xy) des parties non amincies respectives du support et du capot du boitier 10. Il n’est cependant pas nécessaire que les surfaces amincies présentent des surfaces S2’, S2’’ supérieures aux surfaces S1’, S1’’ en projection dans le plan xy.

Selon un quatrième mode de réalisation illustré aux figures 5A à 5C, le capteur comprend une membrane 13 déformable comprenant sur sa face externe 132 un élément 133 en saillie. Cet élément 133 forme une saillie par rapport à la face externe 112 du support 11. Dans cet exemple, le capteur est plus particulièrement configuré pour détecter une déformation résultant d’un flux dirigé par exemple selon l’axe x, tel qu’illustré sur la figure 5A par la force F. Alternativement, l’élément en saillie 133 peut constituer un capteur multiaxes, associé à des jauges de déformations réparties de sorte à détecter chacune un mouvement de l’élément en saillie 133 selon une direction ou autour d’un axe de rotation spécifique.

L’élément 133 en saillie présente de préférence une hauteur h supérieure à l’épaisseur e1 des parties non amincies du support 11. L’élément 133 est ainsi plus sensible au flux extérieur au boitier 10. Cela permet d’augmenter la sensibilité du capteur.

La figure 5B illustre en perspective un tel capteur. La forme générale de l’élément 133 en saillie sur la membrane 13 peut s’apparenter à celle d’un joystick. En particulier, l’élément 133 peut être centré sur la membrane 13 et présenter une liberté de mouvement dans un cône de révolution dont le sommet se trouve sensiblement à la base de l’élément 133, et dont l’axe est sensiblement perpendiculaire à la membrane 13. La membrane 13 peut présenter une forme circulaire. Cela permet d’avoir un comportement en déformation de la membrane reproductible quelle que soit la direction du flux F dans le plan xy, pour une membrane dont les propriétés mécaniques sont isotropes dans un tel plan xy. D’autres formes de membranes sont également envisageables. L’élément 133 peut présenter une forme cylindrique et une symétrie de révolution. Cela permet d’offrir une même surface d’appui quelle que soit la direction du flux F dans le plan xy. Alternativement, l’élément 133 peut présenter une forme aplatie dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui de la membrane. Cela permet de privilégier une direction de détection particulière du flux F dans le plan xy.

Dans cet exemple, la déformation de la membrane 13 en silicium induite par le flux F extérieur au boitier 10 est mesurée sur la face 130, par l’intermédiaire des jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 peuvent être placées en pourtour de la membrane 13, comme illustré sur la figure 5C. Les jauges 131 sont de préférence réparties uniformément sur le pourtour de la membrane 13, à intervalles réguliers. Elles peuvent être au nombre de quatre, tel qu’illustré sur la figure 5C, ou huit par exemple. Elles peuvent être dimensionnées en jauges principales et en jauges secondaires, avec différents degrés de sensibilité par exemple.

Les composants sous forme de puce, par exemple le détecteur 20, l’émetteur-récepteur 21, le système d’alimentation 22 sont situés de préférence en dehors de la zone z2 délimitée par la membrane 13. L’antenne 30 peut être formée autour de la face 130 de la membrane 13, par exemple sous forme d’anneau.

Un principe commun aux modes de réalisation du capteur selon l’invention est qu’une partie du boitier forme la membrane, de façon à ce que le boitier soit «fonctionnalisé».

Un tel capteur autonome à membrane peut avantageusement être noyé dans différents matériaux, par exemple des matériaux de construction tel que le béton selon un exemple non limitatif. Par exemple, ce capteur peut être abandonné dans une matrice de béton, au sein d’une infrastructure de bâtiment. Il peut ainsi permettre de suivre les variations de contraintes appliquées à ladite infrastructure. Ce capteur peut également être noyé dans du caoutchouc utilisé pour la fabrication de pneu, afin de mesurer une pression du pneu lors de son utilisation. Ce capteur peut également être noyé dans une matrice de plaquette de frein, de manière à mesurer la force appliquée à ladite plaquette par un système de freinage. D’autres utilisations du capteur selon l’invention sont naturellement possibles.

L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. En particulier, le nombre de membranes du capteur peut être supérieur à deux. La forme de la ou des membranes peut être adaptée en fonction de l’usage du capteur.

Claims (17)

1. Capteur autonome à membrane déformable comprenant au moins une membrane (13, 13a, 13b) déformable, un boitier (10) comprenant au moins une première partie et une deuxième partie (11, 12) assemblées entre elles et configurées pour former une cavité (100) fermée, un détecteur (20) configuré pour détecter une déformation de la membrane (13, 13a, 13b), au moins une antenne (30) et un système de communication (21) sans fil associé à ladite au moins une antenne (30), ledit système de communication sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane (13, 13a, 13b) en dehors du boitier (10), et un système d’alimentation électrique (22) configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur (20) et le système de communication (21), le capteur étant caractérisé en ce que l’une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) comprend une première zone (z₁) présentant une épaisseur e₁et une deuxième zone (z₂) présentant une épaisseur e₂telle que e₂< e₁, ladite deuxième zone formant l’au moins une membrane (13, 13a, 13b) du capteur.
2. Capteur selon la revendication précédente dans lequel l’épaisseur e2 de la deuxième zone (z₂) est au moins cinq fois inférieure à l’épaisseur e1 de la première zone (z₁).
3. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première zone (z₁) entoure, de préférence entoure entièrement, la deuxième zone (z₂).
4. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le système d’alimentation et le détecteur (22, 20) sont situés dans la cavité (100), en dehors de la deuxième zone (z₂).
5. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le détecteur (20) est situé en regard de la deuxième zone (z₂).
6. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins une antenne (30) est située en dehors de la deuxième zone (z₂).
7. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième zones (z₁, z₂) présentent respectivement des première et deuxième surfaces S1, S2 telles que S2≤0,5S1.
8. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième zone (z₂) comprend un élément (133) en saillie d’un côté opposé à la cavité (100), dirigé vers une zone extérieure au boitier (10) .
9. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième zone (z₂) supporte au moins l’un parmi un élément (131) capacitif, piezorésistif, ou piézoélectrique, et dans lequel le détecteur (20) est configuré pour coopérer avec ledit au moins un élément (131).
10. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le boitier (10) est étanche.
11. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de membranes (10, 13a, 13b) disposées sur l’une parmi la première et la deuxième parties (11, 12).
12. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième parties (11, 12) comprennent chacune au moins une deuxième zone (z₂) formant une membrane (13a, 13b) déformable.
13. Capteur selon la revendication précédente dans lequel la membrane (13a) de la première partie (11) est située en regard de la membrane (13b) de la deuxième partie (12), la cavité (100) étant située entre la membrane (13a) de la première partie (11) et la membrane (13b) de la deuxième partie (12).
14. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) est en silicium.
15. Système comprenant une matrice et au moins un capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un capteur est noyé dans la matrice.
16. Système selon la revendication précédente dans lequel la matrice est en un matériau pris parmi un polymère, un géopolymère, un matériau composite, un alliage métallique, une céramique.
17. Système selon la revendication 15, formant l’un parmi: un pneu de véhicule, une structure en polymère déformable, une plaquette de frein.