WO2016202998A1 - Capteur de pression atmospherique par effet pirani, et procede de conception et fabrication - Google Patents

Capteur de pression atmospherique par effet pirani, et procede de conception et fabrication Download PDF

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WO2016202998A1
WO2016202998A1 PCT/EP2016/064047 EP2016064047W WO2016202998A1 WO 2016202998 A1 WO2016202998 A1 WO 2016202998A1 EP 2016064047 W EP2016064047 W EP 2016064047W WO 2016202998 A1 WO2016202998 A1 WO 2016202998A1
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WO
WIPO (PCT)
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pressure
environment
gauge
sensor
tested
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/064047
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English (en)
Inventor
Philippe LECOEUR
Elie Lefeuvre
Guillaume Agnus
Ruben GUERRERO
David LE BOURDAIS
Original Assignee
Universite Paris-Sud
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Paris-Sud, Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Universite Paris-Sud
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/002—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by thermal means, e.g. hypsometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection

Definitions

  • the invention provides a sensor based Pirani gauge for measuring the gas pressure.
  • a gastight enclosure whose outer surface is exposed to the test gas, encloses a gaseous interior environment surrounding the sensitive element of a Pirani gauge.
  • This enclosure has an elastically deformable structure by the pressure difference between internal and external pressure to the enclosure.
  • the behavior of the gauge depends on the internal pressure, which depends on the external pressure according to a transfer function, thus providing a measure of the external pressure.
  • This transfer function depends on the stiffness of the housing, the volume and the initial encapsulation pressure and the internal pressure.
  • This enclosure comprises for example a deformable bellows-shaped housing or a flexible membrane housing. It may include an additional element providing a reduction of the internal volume to modify this transfer function.
  • the invention further provides a method of producing such a sensor, called “composite” because combining a pressure measurement by mechanical deformation and a pressure measurement by Pirani effect.
  • Pirani gauge The principle of the Pirani gauge is well known to those skilled in the art. This principle is based on the variation of the thermal conductivity of a gas as a function of the pressure and therefore on the average free path of the molecules of this gas.
  • Sensors implementing the principle of the Pirani gauge include a part, also called “sensitive element", which is immersed in the medium whose temperature and / or pressure is measured.
  • This sensitive element can take for example the form of a wire or a bar or a thin ribbon. It consists of an electrical conductor whose resistivity changes according to the temperature. The measurement of the resistance of the sensitive element makes it possible to determine the temperature and / or the pressure of the medium.
  • the Pirani gauge is used to measure the temperature. By heating the sensitive element, for example directly by Joule effect, it allows to measure the pressure of the surrounding environment.
  • Pirani gauges are highly valued in the industry for their economical manufacturing, reliability, wide range of pressure response, ease of manufacture and integration at a reduced cost. Their principle is simple, their implementation requires very little electronics since based on a simple measure of resistance.
  • the materials constituting the son or film used in these sensors having low temperature coefficients, between 9.10 “4 K “ 1 and 3.10 “3 K “ 1 , the sensitivity of these sensors is thus very limited because proportional to this coefficient .
  • These sensors often use elements sensitive suspensions based on metal films, such as gold or platinum films, or even aluminum, nickel or chromium, or possibly semiconductor films.
  • the range of pressures measurable by these sensors is determined by the geometry of the sensitive element, and most often limited only to low pressures since it is technologically and / or economically complicated to industrially guarantee a gap of nanometric size. This range is thus usually limited to pressures of less than 100 mbar with good sensitivity, or at most up to 1000 mbar with low accuracy.
  • Pirani gauge Another limitation is inherent in the principle of the Pirani gauge, since it must be immersed in the gas to be tested.
  • FIG. 1 taken from this reference, illustrates a micro-gauge Pirani on a silicon support 18 carrying resistors 12 for measuring the temperature around its periphery.
  • the sensitive element 11 is made by a nickel filament coiled into several successive "S".
  • the sensitive element is disposed under a protective shell 19 in silicon open on the side, which limits the mechanical contacts and reduce disturbances due to gas flows for example by convection effect.
  • Pirani gauges are used almost exclusively in controlled environments such as laboratory or industrial vacuum chambers where the gas measured is often a neutral gas such as nitrogen or argon, or even in a few case of air.
  • the document EP 1 772 717 proposes to measure the external gas by measuring the temperature of an element which is in contact with this gas to be measured.
  • this element must necessarily be of a material whose thermal conductance varies with the pressure of the external gas, sufficiently significantly to evaluate the variations.
  • the document EP 2 637 007 proposes to measure the external pressure by detecting the deformation of a very thin elastic membrane which closes a cavity maintained at a very low pressure or even under empty. To facilitate calibration with respect to differences in manufacture, and stability especially with respect to degassing, this document proposes to combine this measurement of deformation with a measurement of the internal pressure. This internal pressure is detected independently by a different sensing element, and is then used to recalibrate the final value provided by the electronics.
  • An object of the invention is to provide a temperature and / or pressure sensor implementing the principle of the Pirani gauge that is improved in its performance, its range of use, robustness, reliability, and / or the environments and situations in which it is usable.
  • Another aim is to allow a better adaptation of the sensor and its performance to its conditions of use, to optimize its manufacture for example in terms of simplicity, cost, technical constraints and flexibility of industrialization.
  • the invention proposes a heat loss type sensor implementing the principle of the Pirani gauge for measuring the pressure, and / or the temperature consequently, of a gas in a tested environment.
  • this sensor comprises a gastight enclosure, or aneroid capsule, here also called housing, which is intended to be exposed to said environment tested by its outer surface, and which encloses a gaseous interior environment.
  • a resistive sensing element is disposed in this indoor environment so as to be exposed to said gaseous interior environment, and is arranged to measure its pressure.
  • This sealed enclosure has a deformable structure under the effect of a pressure difference between said indoor environment and said environment tested.
  • the resistive and / or thermal behavior of said resistive detection element thus depends on the so-called external gas pressure prevailing within said tested environment according to a specific transfer function, which is specific to the initial internal pressure and the deformation characteristics of the enclosure. By a calculation combining this transfer function with the internal pressure measured by the detection element, the invention then provides a measurement of said external pressure.
  • the invention provides an overall solution to many of these difficulties or limitations, typically by sealing the gauge in a capsule under a given pressure of inert gas.
  • the capsule used as a seal which can be called a package or "package”, is deformable to reproduce all or part of the pressure variations that it undergoes externally.
  • the internal Pirani gauge then remains sensitive to external pressure while operating in a controlled environment since it is fully protected, even when the entire sensor is used in harsher environments.
  • the inventors propose to use a sealed enclosure anyway, by proposing a different type and having deformability characteristics which allow the internal gauge to reflect the external pressure in an exploitable way, even improved on some points.
  • this active packaging makes it possible to develop a pressure sensor that is simple to manufacture and sensitive to higher pressures or even the atmospheric pressure.
  • the invention proposes to use the influence of this housing in a positive manner, for example to obtain a higher sensitivity in a specific range or even restricted, and / or to control the positioning of the range of better sensitivity .
  • the enclosure is resiliently deformable, even though its stiffness is low.
  • the invention also proposes to use a plastically deformable enclosure or without significant stiffness, for example a very flexible elastomer or plastomer.
  • the sensor is then designed to operate in equipressure between its indoor environment and the external environment tested. Although the sensitivity then undergoes no modification other than degradation, it becomes possible to use the sensor in more varied environments, for example unknown gases, possibly reactive and / or aggressive.
  • deformable enclosure here must be understood as meaning that this enclosure, under the effect of the pressure variations that one wishes to measure, deforms sufficiently to modify the "internal" pressure that reigns inside.
  • the invention proposes to use a Pirani gauge to detect the internal pressure of the enclosure, so as to evaluate directly or exclusively the variations of the external pressure.
  • the sensor and its internal Pirani gauge are configured so that the variation of the external pressure to be measured deforms the enclosure sufficiently to produce a variation of the internal pressure that can be measured by this Pirani gauge.
  • the invention does not systematically require a sensitive element for detecting the deformation of the enclosure, nor an electronics arranged for this purpose. It is here explicitly proposed a sensor that does not understand and / or does not measure the deformation of the deformable enclosure.
  • the invention proposes to detect the internal pressure by the principle of the Pirani Gauge, applied to a resistive element which is inside the enclosure, and which bathes in a gaseous environment different from the one to be measured. This allows a wider choice in the materials, and provides a transfer function totally different from the operation implemented in this document.
  • the invention proposes a method of debugging or adjusting or adapting such a sensor, for example from an existing sensor model, as a function of the measurement conditions concerned, by example of gas pressure conditions to be measured possibly combined with the temperature of said gas.
  • This method comprises the following steps.
  • One step consists in choosing at least two pressure (and / or temperature) values forming a target measurement range for the tested environment for which said sensor is intended.
  • a virtual gap value representing the fictitious distance between a mechanically released sensing element and the closest thermalized surface, which is adapted to perform at least one measurement within this desired measurement range, is determined.
  • a standard Pirani gauge that is to say without waterproof enclosure and bathing directly in the environment that one wishes to test.
  • This value can be determined or optimized according to one or more criteria determined by example according to a known model of operation of a gauge Pirani in free environment.
  • a determined value is chosen representing a real gap, that is to say the actual value of the gap that is to be achieved physically for the gauge that will be made inside the housing.
  • this real gap value will be chosen to allow a performance determined according to at least one criterion other than the target measurement range, for example ease of realization, resistance, reliability, cost, etc.
  • a transfer function representing a behavior transformation from a gauge made with the said element is determined or chosen.
  • real gap to a gauge made with said virtual gap That is to say, the function that represents the influence of encapsulation on a gauge with the real gap, and that makes the set behave like a gauge that would present the virtual gap when placed directly in the environment tested.
  • This transfer function thus makes it possible to manufacture and use a real gauge, having said real gap, to achieve at least one measurement within said target range of measurement.
  • This transfer function is for example determined by inversion of a mechanical behavior model of encapsulation, or chosen from a list of known or tested transfer functions for different structures.
  • the sealed enclosure is determined to provide a maximum sensitivity to a pressure value of the tested environment that is shifted to high pressures with respect to the pressure value that would provide maximum sensitivity if the same sensing element was exposed directly to the tested environment (ie without enclosure waterproof).
  • the virtual gap is always less than or equal to the real gap since it is inversely proportional, according to the models mentioned, to the position of the maximum sensitivity.
  • this deformable sealed enclosure makes it possible in particular to move the sensitivity range of the sensor relative to the gauge alone, even in pressure levels where the gauge alone is little or not sensitive, and thus to improve the absolute performance. in certain pressure ranges. It also allows a local modification of the sensitivity, for example an amplification in a restricted range, or a stabilization or linearization of its values.
  • this architecture makes it possible to use such a sensor based on Pirani gauge in an environment that would not allow the use of a bare gauge, for example in an aggressive or reactive environment, such as an atmosphere containing oxygen. or different flammable gases or substances, inter alia due to filament temperature and / or risks of corrosion and / or other unwanted chemical reactions.
  • the sealed enclosure also contains at least one volume element called reducing element occupying part of the interior space of said sealed enclosure, thereby reducing the volume occupied by the internal gaseous environment.
  • Such a reducing element is for example rigid, or is compressible with a stiffness combining with the stiffness of the enclosure.
  • the characteristics of this reducing element make it possible to adjust the characteristics of the overall transfer function, leaving more freedom in the definition of the housing and the gauge, and therefore in the constraints and technical conditions for producing the complete sensor.
  • Such an element makes it possible for example to modify the effects of an existing box, and thus to adjust the characteristics of a sensor from an existing box and an existing gauge without the need to design and manufacture a gauge and / or a different housing. It can thus provide flexibility of design and / or a fineness of adjustment or additional adaptation.
  • the sensitive element of the Pirani gauge is made at least partially of a perovskite oxide, preferably crystalline, corresponding to the formulation:
  • M 1 is a lanthanide
  • M 2 is strontium or barium
  • M 3 is selected from titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), chromium (Cr) and cobalt (Co);
  • the element M 3 is selected from titanium (Ti) or manganese (Mn).
  • perovskite oxides suitable for the sensing element are the following:
  • such a perovskite oxide is (La, Sr) Ti0 3-5 (LSTO), or SrTiO 3 (STO) with doping, for example with Nobium in the form Nb: SrTiO 3 .
  • this aspect of the invention proposes to produce the sensitive element in a film of such a perovskite oxide forming a bridge connected at its two ends and released on the majority or all of its periphery (seen according to a section). transverse to the measurement current), so that it can be immersed in the medium to be measured.
  • This sensitive element may for example take the form of a plate or a ribbon or a wire extending between two electrical connection terminals. It can be connected to terminals made of different materials. It can itself itself constitute a narrow part between two wider regions of the same layer of perovskite oxide, these wider parts then forming said electrical connection terminals or forming an integral part of an integrated circuit.
  • the gauge comprises one or more sensitive elements according to this aspect, which can each be released from their support or not, possibly by combining the two within the same sensor.
  • Each has for example a length between 100 nm and 2 cm, or even between 10 pm and 100 pm, and / or a width between 50 nm and 1 mm, or even between 2 pm and 15 pm, and / or a thickness between 1 nm and 10 pm, or even between 10 nm and 200 nm. .
  • the sensing element has a "ribbon" section of 100 nm ⁇ 50 nm, or a "wire” section of 3 cm ⁇ 2 mm for a general purpose commercial sensor, or a “ribbon” section of 5pm x 2pm x 160nm for other types of intermediate uses.
  • a sensitive element is made for example by depositing on a support a perovskite oxide layer including the sensitive element, followed by a release of the sensitive element of this support, in whole or in part, by sub- etching of the support by at least one chemical attack, for example by XeF 2 .
  • the support is advantageously a monocrystalline silicon substrate, for example treated by epitaxial growth of at least one intermediate layer, chosen to make it possible to obtain good quality for the perovskite oxide layer, and if possible chosen so as not to be attacked. by the release etch step.
  • the perovskite oxide layer is deposited as a crystalline coating on the entire sensing element.
  • Perovskite oxides have been known for a very long time, but some of them under certain conditions have a temperature coefficient of between 20 ⁇ 10 -3 K -1 and 500 ⁇ 10 -3 K -1 , that is to say 10 to 1000. times greater than the thermal coefficients of the metallic films used to produce the sensitive elements of the current sensors.
  • Sensitivity In a Pirani type sensor, the evolution of the resistance of the sensing element as a function of temperature and / or pressure shows a significant variation within a certain range of temperature or pressure, determining a measurement range . This can be determined by sensor realization parameters, in particular geometric parameters, such as the gap between the sensitive element and the support.
  • Pressure range In addition, this better sensitivity makes the ends of the electrical resistance variation area more exploitable, which slightly extends the usable measuring range compared to current sensors. In certain configurations, the pressure measuring range can thus extend above the Ombar or even 100 mbar. A pulse type measurement will also be more sensitive.
  • the sensitive element according to the invention also requires a lower supply current than the known sensitive elements, which makes it possible to obtain a less energy-hungry sensor. It becomes possible to obtain a consumption less than 10 pW, a gain of about a factor of 1000.
  • the oxides are deposited in ultrathin layers, but their high structural stiffness makes them easier to handle than other materials of the same dimensions, which facilitates the manufacture of miniature devices. It is thus possible thanks to the sensor element according to the invention to design temperature and / or pressure sensors which are more compact and of smaller dimensions than the current sensors, which enables them to be even more sensitive to pressures. higher and especially less energy hungry.
  • the senor in the same chip as some electronic circuits, including correction circuits that serve to correct its non-linearity, thus greatly limiting the variations and interferences between them.
  • the temperature compensation can be obtained in-situ by integrated circuits in the same chip as the sensor. The non-linearity of this type of measurement thus becomes much more acceptable and less troublesome for the final measurement, which further increases the accessible measurement range.
  • such a sensor can be implemented with voltages lower than 5V, and for example with an output voltage in the range of 3.3V amplifiers, which allows great flexibility, simplicity and economy in the device using or integrating the sensor.
  • the perovskite oxides corresponding to the given formulation are more stable and more robust than metal films and can be used in hostile environments and in particular in an oxidizing atmosphere, contrary to the current sensitive elements. They are also more temperature resistant, and can withstand higher temperatures than electrical contacts of a conventional type, that is to say for example of the order of 400 ° C or more.
  • the sensitive element is very strong mechanically, because of the rigidity of the material but also because of its small dimensions. It has no creep and is less sensitive to aging. It also has a better structural behavior because the oxides have a Young's modulus higher than that of metals and a lower coefficient of thermal expansion, which makes them less sensitive structurally to temperature variations and mechanical shocks.
  • the invention furthermore proposes a method for measuring a pressure and / or temperature within a tested gaseous environment, which method comprises using a sensor as set forth herein, within said gaseous environment.
  • the senor used comprises a deformable sealed enclosure which is adapted to transmit the external pressure to its internal environment in the same way.
  • the senor used comprises a deformable sealed enclosure which is adapted to transmit the external pressure to its interior environment according to a specific transfer function.
  • the senor comprises a temperature modification (typically by heating, for example substrate) of the interior environment of the sealed enclosure.
  • the sealed enclosure comprises at least one deformable bellows.
  • a bellows is typically formed by a thin wall and crimped or corrugated, surrounding wholly or partially the interior volume of said sealed enclosure, and which is deformable in a direction parallel to the average surface of this wall. The deformation in flexion of the folds thus allows a significant extension of the wall as if it
  • This enclosure is made for example by various known technologies, such as molding, machining, stamping, electrolytic deposition and / or numerical control additive manufacturing (for example by three-dimensional printing based on metal or polymer). It can be made of any material or combination of material that can be used in these types of process. It may be for example metal, in one or more layers, but also resins or elastomers of different types.
  • this bellows has a generally cylindrical shape, preferably of revolution but not necessarily, constituting a wall carrying peripheral corrugations providing a deformation capacity in an axial direction.
  • the sealed enclosure comprises a rigid housing sealingly closed by at least one deformable membrane, or more than one. That is to say that this or these membranes form a generally two-dimensional wall, which is deformable in a direction normal to the average surface of this wall.
  • This is for example a flat surface of an elastically deformable material, or a flat surface in which are formed one or more corrugations, for example concentric, allowing such deformation by bending.
  • this type of membrane may be for example a metal sheet or a sheet of resin or elastomer; or a plastomer having a certain elasticity, for example by molding, machining and / or stamping; or a crystalline material such as silicon; or a low residual stress material such as silicon nitride or silicon oxide or a complex oxide of yttria-type zirconia or strontium titanate; or any known technique. It can be made of any material or combination of material that can be used in these types of process.
  • the membrane has a thickness less than one millimeter, preferably less than one hundred micrometers, or even less than ten micrometers.
  • This type of membrane can be produced for example by various known technologies, such as those in the fields of integrated circuit electronics or electromechanical microsystems or "MEMS" (for MicroElectroMechanical Systems), or those used to produce capacitive membrane sensors. . This may be for example a combination of micro-deposition techniques, micromachining, and / or various forms of etching or etching or by plasma or radiation.
  • FIGURE 1 is a diagram which illustrates according to the prior art a micro-gauge Pirani provided with an open protection
  • FIGURE 2 is a side sectional diagram which illustrates a mechanical modeling of a sensor according to the invention, according to a first embodiment with a housing made by a deformable bellows;
  • FIGS. 3a and b are graphs of analytical curves derived from modeling calculations which illustrate the behavior of the housing according to the external pressure P ext , for different encapsulation pressures P 0 and for a case constant P g equal to 1170mbar:
  • FIGS. 4a and b are graphs similar to FIG. 3a and b, for a value different from the case constant P g, which is here 170mbar;
  • FIGURE 5 is a flowchart illustrating the architecture of the operating models of the sensor according to the invention and the identified transfer functions involved;
  • FIGS. 6a and b are graphs of analytical curves derived from modeling calculations which illustrate in output voltage and in sensitivity the response of the sensor according to the invention, compared to a Pirani gauge identical to that of the sensor but without a housing (FIG. that is, non-packaged), which has been manufactured and measured according to different case pressures and for a case constant equal to:
  • FIG. 7 is a graph which illustrates the dependence of the center of the sensitive pressure range of the sensor according to the invention as a function of the case constant, for different packaging pressure values;
  • FIGS. 8a to b are graphs of analytical curves derived from modeling calculations which illustrate the evolution of the maximum sensitivity and the sensitive pressure range as a function of the case constant P g and for different encapsulation pressures P 0 in relation to a Pirani gauge without casing:
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the manufacture of the bellows by electrolytic deposition of copper on an aluminum male mold
  • FIG. 10 is a perspective view of the deformable bellows, after chemical dissolution of the male mold
  • FIGURE 11 is a photograph of the sensor once assembled and sealed
  • FIGURE 12a and FIGURE 12b are schematic side sectional views of the collated and sealed sensor, in the idle state and respectively compressed under the effect of FIG. an external pressure
  • FIGURES 13a and b are graphs which illustrate, in comparison with the same box-less Pirani gauge, for the sensor of FIGURE 12 provided with an internal volume reducer;
  • FIGURE 14 is a side sectional diagram which illustrates a sensor according to the invention, according to a second embodiment with a rigid housing closed by a deformable membrane;
  • FIGURE 15 is a schematic perspective view which illustrates a sensor according to the invention comprising a plurality of Pirani bridges encapsulated in a housing sealed by a micromembrane on silicon by a method of substrate transfer and welding.
  • the inventors have carried out tests, by numerical modeling as well as by prototyping, which show that the deformable waterproof capsule solution proposed by the invention does not necessarily bring the disadvantages and insufficiencies that might be expected, while allowing advantages. new and unexpected a priori.
  • This modeling makes it possible to evaluate and quantify the transfer function provided by the sealed capsule that can deform under the effect of external pressure.
  • Pirani is encapsulated can theoretically be limited and that the package allows to manipulate its performance with adequate control of the dimensions of the system.
  • FIGURE 2 More particularly for the first embodiment, we take as a model that of a deformable spring having a restoring force P, ia , tl c tending to oppose the deformation induced by a difference pressure according to the direction *.
  • the internal volume of the spring being hermetic, two distinct pressures can be separated: the external pressure p "x and the pressure of the sealed cavity p tmt.
  • the spring has a transverse section s , a characteristic height d o where Added to this is a deformation 3 ⁇ 4 ⁇ that appears when ⁇ p mt.
  • the spring being supposed perfect, the deformations in directions other than x are neglected.
  • the first step is to determine the balance of forces by the fundamental principle of the static.
  • the forces involved are the strength of
  • this error is corrected by modifying the sealing temperature so that it approaches the average temperature of use: for example by controlling the ambient temperature during sealing and / or by using a sealing method producing or allowing a specific temperature. Alternatively or in combination, it is intended to use a substrate heating system during the measurement to artificially increase this average temperature of use.
  • the analysis can be continued by determining the internal volume Vint inside the capsule:
  • V int dx x S + V B (4)
  • This quantity 3 ⁇ 4 is a characteristic digital constant of the transfer function, called the case constant.
  • 3 ⁇ 4 is expressed in units of pressure (Pa) and is given here for a capsule of cylindrical form.
  • This expression makes it possible to establish the useful transfer function in pressure of the capsule, that is to say the function expressing the internal pressure p it with respect to the external pressure.
  • This expression being quadratic, it is necessary to select only the solutions presenting a physical reality being those giving Pir.t and P, x positive only and verifying the following packaging condition: p , xt.
  • a set of analytical solutions can be obtained with the dimensions taken into account hereinafter in this analysis: with a bellows having a diameter of 4 mm, a height of 7 mm and a constant of stiffness k of 840 N / m.
  • FIGS. 3a and b illustrate the behavior of such a casing according to the external pressure P ext , for different initial encapsulation pressures 3 ⁇ 4 and for a casing constant P g equal to 1170mbar: in FIG. 3a, for the internal pressure P int , and in FIGURE 3b, for the deformation in height ⁇ .
  • the transfer function for example the relation (9), is used to plot the dependence of the internal pressure as a function of the external pressure, for different packaging pressures 3 ⁇ 4, here illustrated in FIG. 3a.
  • the Sx height deformation of the capsule is extracted (from the relationship (5)), always according to the external pressure and for different encapsulation pressures 3 ⁇ 4, as illustrated here in FIG. 3b.
  • the pressure gain is therefore more advantageous for low packaging pressures.
  • the operating limit of the system in linear mode at low external pressures is determined by P g , the value around which a deflection of the curve is created. Depending on the values of P 0 , this deflection will be more or less pronounced, even negligible at high encapsulation pressure values.
  • the offset D in pressure which constantly modifies the response P int at the pressure P ext , is positive in the first case (at P 0 high), and negative in the second case where the packaging pressure P 0 is very low. especially when it is much lower than P g .
  • This example illustrates the need to find compromises in performance when designing the active package.
  • the values of the deformation of the spring with these dimensions remain less than 5% of the initial height, that is to say less than 0.35 mm in the present case. This value allows us to ensure that the capsule will remain in the limit of the elastic regime for a large number of materials.
  • the system is linear over a larger external pressure range than in the previous case and the coefficient A is about 1 for most packaging pressures.
  • This type of range is for example targeted in many embedded applications and / or outdoors, for example in aeronautics and / or meteorology. It is for example ranges of the order of a few hundred mbar around or below the pressure at sea level, for example a range from 350 mbar to 1070 mbar.
  • the housing allows a constant offset of the internal pressure value with respect to the external pressure and that the pressure gain is less than or equal to unity in the so-called linear regime, with a limited deformation in the operating mode. elastic ; while it demonstrates a gain greater than unity in the nonlinear regime, with a behavior of the housing at the limit of the operating conditions.
  • the senor according to the invention comprises a sealed case or "package" which encloses a Pirani gauge.
  • the pressure of the tested environment P ext acts on the package. This one deforms what makes vary its internal pressure P in t according to P ext .
  • the internal pressure thus results from the external pressure through a transformation which constitutes the transfer function of the housing.
  • this active package can provide a complete transformation of the information, for example with a full shift of the sensitivity range or even a local increase in sensitivity.
  • the Pirani gauge is influenced by the internal pressure: it receives a transformed version of the external pressure,
  • the resistance of its sensitive element varies according to the internal pressure, in a way that depends on the characteristics of the gauge.
  • This gauge returns an ohmic resistance information reflecting the internal pressure, in a way that can be evaluated for example according to one of the known mathematical models.
  • T the temperature coefficient of the material constituting the Pirani gauge, varying according to the temperature considered (in K "1 ).
  • the sensor according to the invention thus forms a "composite" pressure sensor which contains two distinct but interconnected sensitive elements.
  • a first sensing element is formed by the active housing, which is modified by the variation of the external pressure to be tested, which thus forms the first measurand.
  • a second sensitive or intermediate element is formed by the Pirani gauge, which is modified by the internal pressure variation, which thus forms an intermediate measurand.
  • the Pirani gauge can thus be connected to a signal conditioner which produces and converts an electrical signal to measure the variation of the resistance of the sensitive element, and thus provide a readable value representing the initial measurand P ext
  • These conditioners may for example be of the Wheatstone bridge type in DC voltage as shown in FIG. 5, or constant current, or heating or resistance or constant power, which allows for example to annihilate possible temperature drift generated by the term TCR (T), or by other types of conditioners adapted to the type of signal that is desired.
  • the signal conditioner comprises a constant voltage Wheatstone bridge, which outputs an electrical signal representing the dependence V 0Ut (Pext) of an output voltage V out as a function of the external pressure P ext , according to the relation:
  • the invention makes it possible to modify and adapt the response of the Pirani gauge by choosing the parameters of the case to obtain a transfer function which allows the Pirani gauge to behave in a determined manner while using the composite sensor in a different environment and potentially incompatible with the gauge and / or behavior chosen for it.
  • a Pirani gauge of this type is proposed by the inventors in patent application FR 14 55623, not yet published.
  • the present invention is however applicable to all types of Pirani gauges, made in a known manner and from different materials, for example based on silicon only, or a metal such as platinum or tungsten, and for all dimensions. This study has been applied to the case studied above, in its two versions of bellows height, are:
  • FIGURE 6a and b illustrate the calculated behavior of the system in output voltage (top) and sensitivity (bottom), compared to a non-case and measured (thick curve) Pirani gauge, with different analytical result curves (curves). fine) according to different packaging P 0 pressures, at a fixed temperature.
  • the case constant is 170mbar in FIGURE 6a, and 1170mbar in FIGURE 6b.
  • FIGU RE 7 is a graph which illustrates the evolution of the external pressure of the maximum sensitivity of the sensor according to the invention as a function of the case constant 3 ⁇ 4 and the initial internal pressure 3 ⁇ 4.
  • FIGU RE 7 shows the evolution of the pressure p s of maximum sensitivity as a function of the case constant P g , for the same packaged gauge with different packaging pressures P 0 , that is to say - say internal pressure during encapsulation.
  • the parameters of the package are for example determined directly according to the value of the pressure P ext to be measured, typically by choosing a maximum sensitivity pressure p s equal to or close to this pressure to be measured. This choice is made for example by inversion of mathematical models, or by selection in a range of casings already studied and / or tested and whose effects are known.
  • FIGURE 8 analytical curves of the dependence of the maximum sensitivity and the sensitive pressure range are presented. function of P g and P 0 .
  • the curve sets of FIGU RE 8a and FIGU RE 8b generally evolve each in opposite manner - a gain in maximum sensitivity is produced by decreasing P 0 and / or P g , a gain in sensitivity range of width is obtained by increasing P 0 and / or P g - illustrating the need to find a compromise between the two sensitivity parameters.
  • the relative sensitivity range is the variation of the half-height width of the sensitivity peak indicated on the curves in the lower part of FIGURE 6.
  • the reference is the unpackaged gauge: if one goes up to more than 100% increase the width of the range and conversely to less than 100%, it decreases the same range compared to the unpackaged gauge.
  • FIG. 8b shows the maximum sensitivity, that is to say the amplitude of the sensitivity peak of the curves in the lower part of the FIGU RE 6, again relative to the non-packaged gauge for reference. It can be seen that the behavior with respect to P 0 and P g is opposite to that of the FIGU RE 8a curves, which makes it necessary to choose a compromise between these two performances: sensitivity and sensitivity range.
  • the curves of lower internal pressure P int have regions of steeply steeper slope, for example for 1 mbar and 10 mbar, it is seen that the sensitivity is increased in these regions, compared to the values of P int higher but also compared to the unpackaged gauge.
  • the package can also be chosen and adapted to improve the sensitivity, in specific or even narrow regions, to values of the packaging pressure P 0 which are extremely low, for which the coefficient A of pressure gain (in the relationship (10)) will be greater than unity.
  • the packaging can degrade the sensitivity and this coefficient ⁇ becomes less than 1, but the range of pressures covered by the sensor is then much greater.
  • a low packaging pressure P 0 makes it possible to increase both the range of the sensible pressures and the maximum voltage sensitivity when the value of 3 ⁇ 4 is sufficiently high. For example, one can be very sensitive on 100 mbar only around a pressure of 1000 mbar, or in a wider way using a gauge that already has a very wide range of sensitive pressures when it is not packaged.
  • the combination of the deformable waterproof casing with the Pirani gauge makes it possible (by the different geometrical and material characteristics) to choose and regulate a balance between the different objectives, including the manufacturing costs, the range of sensitivity covered and sensitivity sought.
  • the total signal variation will also be impacted and will decrease, that is to say the voltage variation for p ⁇ [- ⁇ , + ⁇ ], especially at low packaging pressures.
  • This element can also be an advantage because a lower total variation can facilitate the downstream acquisition, reducing the risk of voltage saturation of the amplification stage.
  • FIG. 9, FIGURE 10 and FIGURE 12 illustrate an example of manufacture of a sensor according to the first embodiment, provided with a housing having the shape of a bellows of micrometric and millimetric dimensions, more particularly according to the dimensions of the example previously studied in its version with a height of 7 mm.
  • the bellows of this experimental sensor was made with the shape and dimensions of a bellows designed as a main element forming a recovery of mechanical energy, as described in the thesis "Toward an energy harvester for leadless pacemakers", M. Déterre, 2013, University Paris-Sud 11.
  • This bellows has an active part, that is to say deformable, consisting of a thin layer of nickel protected on both sides by two micrometric layers of copper.
  • This structure is interesting for the realization of the sensor according to the invention, in particular, because it has sufficient elasticity, a very good gas tightness and is compatible with TO-8 type supports often used for commercial pressure sensors . Its nickel structure also provides good protection against electromagnetic radiation, which is an additional advantage.
  • the manufacturing is carried out by successive deposition of material on the outer surface of a male mold, which is then destroyed by etching.
  • etching Such a method is described for example in the thesis M. Ground cited above.
  • the manufacture of the bellows illustrated in FIGURE 2 and FIGURE 10 comprises the following three steps: the design and production of the male mold by the formation of an aluminum cylinder and the etching of corrugations or corrugations, several substeps of metallic deposits which will constitute the final bellows, and the complete engraving of the underlying aluminum mold.
  • the male mold is made in the form of a cylindrical hollow aluminum piece on the turn of which corrugations are cut, for example by turning. These corrugations will allow the deformation of the bellows and give it a significant elasticity, according to its height and only in this direction. Different numbers and dimensions of corrugations are usable according to the mechanical characteristics concerned. This example is made according to the preferred dimensions described in Martin Deterre's thesis, which are reported in the following table:
  • the electrolysis device comprises two electrodes, the anode (counter-electrode) and the cathode (working electrode), immersed in the same electrolyte solution and connected to a current source. More elaborate arrangements include a third electrode (reference electrode) to measure the potential of the working electrode.
  • the cathode is the seat of the reduction of the metallic species in solution: M sâ + ne ⁇ ⁇ M
  • the deposits are made in galvanostatic mode, that is to say that a current density is imposed on the working electrode, the potential being free to evolve.
  • the mold has a gripping base that protrudes from the region to form the bellows.
  • This base is non-conductive, for example covered with a layer of resin, here of the type AZ5214 with annealing at 110 ° C for 3 minutes.
  • the insulating resin thus limits the metal growth to areas in conductive contact with the electrolyte.
  • the mold is kept in rotation to homogenize the deposit obtained and to standardize its thickness.
  • the electrical contact on the mold is taken at the periphery of the mold where a conductive zone is systematically released outside the electrolyte.
  • the experimental device used includes three electrodes connected to a potentiostat that can deliver up to 2 A of current, controlled by a computer.
  • the conductive mold is the cathode and a large ultra-pure plate (10x15 cm 2 ) of copper (or nickel depending on the stage) forms the anode.
  • the distance between the anode and the cathode is 16 cm.
  • a third electrode, placed near the cathode, is a saturated calomel reference electrode (SCE), contacted with the electrolytic bath by means of a salt bridge of potassium chloride (saturated KCl).
  • SCE saturated calomel reference electrode
  • the solution is kept at room temperature (20 ° C +/- 1 ° C).
  • Stirring is provided by means of a magnet bar (5 cm) and a magnetic stirrer whose rotation is maintained at 100 revolutions / min.
  • the two layers of copper covering the nickel layer on both sides protect the nickel layer during the etching of the aluminum mold. This etching is sufficiently inert with respect to the copper so that a thickness of 1 ⁇ m of copper is sufficient to protect the central layer of nickel in the time taken by the etching of the mold.
  • the aluminum forming the bellows mold is dissolved by chemical etching, here in a solution of HNO 3 (1% to 5% for the etching of aluminum), H 3 PO 4 (65 to 75% for the etching of the native oxide present on the surface) and CH 3 COOH (5% to 10% for wetting and better homogeneity of etching) diluted in deionized water.
  • the etching is carried out by simple immersion in the solution for a period of 30 minutes to 1 hour at room temperature.
  • the photos in FIGURE 10 illustrate the bellows once released from its male mold.
  • the mechanical behavior of the bellows is measured using a mechanical characterization bench including a piezoelectric force measuring module and a distance laser measurement which indicates its stiffness constant k and provides linear measurements, indicating that the bellows has a good elastic deformation over the entire range of deformation probed.
  • the mechanical behavior of the bellows thus obtained was characterized experimentally to determine its stiffness constant k, three bellows of different thicknesses of nickel, 12 pm for B1, 8.5 pm for B2, and 9 pm for B3.
  • This measurement carried out using a mechanical characterization bench including a piezoelectric force measuring module and a distance laser measurement, indicates that the structures have a linear deformation; which indicates that the bellows indeed has elastic deformation over the entire range of deformation probed.
  • the sensor Pirani gauge is performed by a sensitive element 31 formed of a 60 nm layer of perovskite oxide La 0 .80Ba 0 . 2 mnO3, previously deposited on a layer of about 20 nm of another oxide, the SrTi0 3 , itself epitaxially grown on a monocrystalline silicon substrate.
  • 16 bridges in parallel of 10 ⁇ m long by 2 ⁇ m wide each, and having a distance sensitive element to substrate controlled to remain in a range of 500 nm to 1 ⁇ m, are manufactured according to standard methods, from optical lithography, combined with direct ion beam physical etching and so-called release etching by a known chemical process such as reactive plasma etching or gaseous xenon difluoride.
  • the method of manufacturing a Pirani gauge is that proposed by the inventors in the patent application FR 14 55623 not yet published.
  • the sensitive element that is to say the Pirani gauge combined with a Wheatstone bridge, and its silicon substrate, is mounted on a support 41, preferably of a standard type, here of the TO-8 type.
  • this support 41 On its face which carries the Pirani gauge, this support 41 is then assembled with the housing forming, the sealing cap 21. This operation is carried out or finalized inside a frame where the pressure of an inert gas, here the nitrogen, can be maintained at a given value, which pressure forms or determines the parameter 3 ⁇ 4 calculations presented above.
  • an inert gas here the nitrogen
  • the contacts of the sensing element 31 are electrically connected with the pins 42 of the carrier, thereby enabling electrical measurement.
  • the pins of the TO-8 support are isolated from the rest of the support by glass 43 allowing excellent electrical insulation and waterproofing the assembly to gas leaks.
  • FIGURE 11 is a photograph showing the sensor once assembled and sealed.
  • the capsule is assembled on the support, for example by embedding their diameters.
  • a seal 49 then made at the base of the bellows and under the support 41, remaining in a zone separated from the corrugations 22 or the deformable part, here with a gas-tight polymerizing glue, for example based on an epoxy resin, or by any known method.
  • the whole is placed under vacuum and then heated at 80 ° C for 12h, here at a pressure of 300 mbar, for solidification of the sealing resin, and to maintain the internal pressure of the housing at the pressure P 0 referred to.
  • FIGURE 12b if the sealed sensor is disposed in a tested environment with a higher pressure than its encapsulation pressure, the housing compresses and decreases in height.
  • the gauge included in the composite sensor thus obtained when used alone, gives a maximum sensitivity P. of about 100 mbar, a maximum observable in FIG. 13b for the so-called "only" gauge, that is to say not packaged.
  • P. sensitivity
  • FIG. 13b a maximum observable in FIG. 13b for the so-called "only" gauge, that is to say not packaged.
  • the value of the constant 3 ⁇ 4 is equal to 1170 mbar
  • the maximum sensitivity of the gauge alone is shifted at least by the constant value 3 ⁇ 4, which gives a value of 1270 mbar.
  • the aim is a lower maximum sensitivity, for example around 700 mbar, ie at the center of the range from 350 mbar to 1070 mbar, it may be desirable to modify the characteristics of the packaging.
  • a possibility is to reduce the internal volume of the bellows by placing there an element of which one chooses the dimensions, possibly at the time of the assembly for example a solid element of small volume such as a piece of plastic or metal or other solid solid.
  • This reducing element is here fixed only at the top of the housing and does not touch corrugations or the base of the housing, it does not change the mechanical response of the housing.
  • the complete sensor will have a better sensitivity than the gauge Piran i at high pressures, thanks to the slight offset of P * of nearly 200 mbar to high pressures, while ensuring that the range of 300 mbar-1070 mbar will be fully covered by the enlargement of the range of sensitive pressures.
  • a packaging pressure 3 ⁇ 4 chosen is then used so as not to excessively reduce the sensitivity, such as 100 mbar, for example from data such as FIGU RE 6a or FIGU RE 6b, and / or as a function of manufacturing conditions.
  • FIGU RE 13a and b then illustrate the pressure response and sensitivity respectively, from measurements made with this composite sensor called “packaged gauge”, compared with the same gauge Piran i without a box called “gauge alone”.
  • the ordinate AV is the total variation obtained in voltage with respect to a reference, formed here by the voltage recorded at 1000 mbar. This makes it possible to appreciate the relative voltage variations of the system which are in fact correlated with the Piran i response.
  • the sinusoidal curve represents the calculated sensitivity (curve) and raised (points) for the gauge alone.
  • the lower bell-shaped curve represents the calculated sensitivity (curve) and raised (points) for the sensor made above, from the same gauge.
  • the gauge alone thus has a sensitivity which is the lowest in the target range of 300-1070 mbar, and a much better sensitivity at low pressures around 100 mbar.
  • the complete sensor has a sensitivity which is more stable over a very wide range, and a maximum sensitivity increased by 130 mbar.
  • the maximum sensitivity of the composite sensor is significantly lower than that of the dipstick alone.
  • the sensitivity of the composite sensor compared to the gauge alone is even increased by nearly 100% to 1000 mbar, pressure to which the Pirani gauge alone is no longer sensitive to gas pressure. This results in both an enlargement of the sensitive pressure range and a sensitive pressure maximum offset.
  • the combination of the gauge with the deformable sealed enclosure has made it possible to move and adjust the maximum sensitivity obtained, while improving it in areas hitherto difficult to reach. technologically, and while effectively protecting the sensitive element from all the aggressions of the environment tested.
  • These attacks include the spurious ventilation effects, as seen in the curves of FIGURE 13b, for which the measured data are much less dispersed compared to the model in the case of the so-called packaged gauge than in the case of the gauge. only, despite the rapid pressure cycling represented by the arrows of FIGURE 13a.
  • the invention makes it possible, for example, to obtain a sensor that is sensitive to the Earth's atmosphere without having to further reduce the gap of the Pirani gauge, with the advantages of the Pirani gauge and by eliminating many of its disadvantages, in particular its inherent fragility. against external parasitic phenomena. It is therefore an improvement in the manufacture of low cost pressure sensors based Pirani gauges robust and ultra-sensitive in the range of atmospheric pressure.
  • FIGURE 14 and FIGURE 15 illustrate a second exemplary embodiment of the invention, which will only be described in its differences.
  • the chamber is formed by a cavity of fixed volume which surrounds the Pirani gauge, for example a cylinder of revolution, one end of which is closed by a deformable membrane.
  • R the radius of the circular membrane (m).
  • the housing, or capsule By defining the housing, or capsule, as consisting of a membrane suspended over a sealed cavity as illustrated in FIG.
  • a membrane thanks to its stiffness coefficient flexional D can be likened to a deformable spring constant k such as that used to model a bellows above, and its transfer function should be identical since based on the same relations.
  • the mathematical analysis of the system is also identical and the expected effects on the sensitivity of an encapsulated Pirani gauge similar to the case of the bellows.
  • the rigid box structure with deformable membrane is particularly suitable for miniaturization, including micrometric or even smaller dimensions. It is thus possible to produce such a composite sensor by encapsulating one or more micro or nanometric Pirani gauges, for example by a known method of substrate transfer.
  • such a sensor comprises a plurality of multi-Pirani son 61 bridges the .8oBa 0 0. 2 oMn0 3 (or LBMO) deposited on SrTi0 3 (or STO) and tracks 62 formed on a substrate 60 made of silicon or SiO 2 , for example by a known lithography process.
  • the sealed enclosure is here produced by an elastic micromembrane 69, formed separately on a silicon substrate, for example in a manner similar to the capacitive sensor membranes. The membrane is then assembled on the main substrate 60 by substrate transfer.
  • this micromembrane 69 is then welded to the substrate 60 by a gold / indium bead of a thickness of about 500 ⁇ m which seals the volume surrounding the bridges 61.
  • the substrate 60 here also carries two multi bridges. son-68 temperature measurement, each formed between two gold contact pads outside the sealed enclosure.

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Abstract

L'invention propose un capteur à base de jauge Pirani pour mesurer la pression gazeuse. Une enceinte étanche aux gaz, dont la surface extérieure est exposée au gaz testé, renferme un environnement intérieur gazeux entourant l'élément sensible 31 d'une jauge Pirani. Cette enceinte présente une structure élastiquement déformable par la différence de pression entre pression intérieure et extérieure. Le comportement de la jauge dépend de la pression intérieure, laquelle dépend de la pression extérieure selon une fonction de transfert, fournissant ainsi une mesure de la pression extérieure. Cette fonction de transfert dépend de la raideur du boîtier, du volume et de la pression intérieure. Cette enceinte comprend par exemple un boîtier en forme de soufflet déformable 21 ou un boîtier à membrane souple. Elle peut inclure un élément supplémentaire fournissant une réduction du volume intérieur pour modifier cette fonction de transfert. L'invention propose en outre un procédé de réalisation d'un tel capteur.

Description

« Capteur de pression atmosphérique par effet Pirani, et procédé de
conception et fabrication »
L'invention propose un capteur à base de jauge Pirani pour mesurer la pression gazeuse. Une enceinte étanche aux gaz, dont la surface extérieure est exposée au gaz testé, renferme un environnement intérieur gazeux entourant l'élément sensible d'une jauge Pirani.
Cette enceinte présente une structure élastiquement déformable par la différence de pression entre pression intérieure et extérieure à l'enceinte. Le comportement de la jauge dépend de la pression intérieure, laquelle dépend de la pression extérieure selon une fonction de transfert, fournissant ainsi une mesure de la pression extérieure. Cette fonction de transfert dépend de la raideur du boîtier, du volume et de la pression initiale d'encapsulation et de la pression intérieure.
Cette enceinte comprend par exemple un boîtier en forme de soufflet déformable ou un boîtier à membrane souple. Elle peut inclure un élément supplémentaire fournissant une réduction du volume intérieur pour modifier cette fonction de transfert.
L'invention propose en outre un procédé de réalisation d'un tel capteur, appelé "composite" car associant une mesure de pression par déformation mécanique et une mesure de pression par effet Pirani.
Etat de la technique
Le principe de la jauge Pirani est bien connu de l'homme du métier. Ce principe repose sur la variation de la conductivité thermique d'un gaz en fonction de la pression et donc sur le libre parcours moyen des molécules de ce gaz.
Les capteurs mettant en œuvre le principe de la jauge Pirani comprennent une partie, aussi appelée « élément sensible », qui est immergée dans le milieu dont la température et/ou la pression est mesurée. Cet élément sensible peut prendre par exemple la forme d'un fil ou d'un barreau ou d'un ruban mince. Il est composé d'un conducteur électrique dont la résistivité change en fonction de la température. La mesure de la résistance de l'élément sensible permet de déterminer la température et/ou la pression du milieu.
Utilisée de façon passive, la jauge Pirani permet de mesurer la température. En chauffant l'élément sensible, par exemple directement par effet Joule, elle permet de mesurer la pression du milieu environnant.
Les jauges Pirani sont très appréciées dans l'industrie pour leur fabrication économique, leur fiabilité, leur large gamme de réponse en pression, leur facilité de fabrication et d'intégration pour un coût réduit. Leur principe est simple, leur mise en œuvre nécessite très peu d'électronique puisque basée sur une simple mesure de résistance.
Cependant, ce type de capteur présente aussi un certain nombre d'inconvénients et de limites.
Une limitation importante porte sur les gammes de pression pouvant être mesurée par ce type de capteur.
Des modèles mathématiques de comportement d'une telle jauge ont été proposés par exemple par Mastrangelo et al., Microfabricated thermal absolute-pressure sensor with on-chip digital front-end processor. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 1991. 26(12) : p. 1998-2007, puis par Santagata et al., An analytical model and vérification for MEMS Pirani gauges. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011. 21(11) : p. 115007. Lorsque le fil est chauffé, une partie de son énergie est transférée au substrat le plus proche. Ces travaux nous indiquent qu'une baisse de la distance (ou "gap") séparant le pont ou fil chaud du substrat ainsi thermalisé (ou "bain thermique") permet de déplacer la gamme des pressions sensibles vers des valeurs plus élevées. Des recherches sont menées depuis les années 1980 pour réduire le gap à des dimensions micro-voire nanométriques par des techniques issues des domaines de l'électronique. Ces tentatives ressortent par exemple du document US6860153 ou des publications suivantes :
- Kourosh, K. and M . L. Albert, The nanogap Pirani— a pressure sensor with superior linearity in an atmospheric pressure range. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009. 19(4) : p. 045007.
- Brun, T., et al., Silicon nanowire based Pirani sensor for vacuum measurements. Applied Physics Letters, 2012. 101(18) : p.183506-1-4.
- Masanori, K., M . Yoshio, and S. Masakazu, Silicon sub-micron-gap deep trench Pirani vacuum gauge for opération at atmospheric pressure. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011. 21(4) : p. 045034.
Cependant, les matériaux constituant les fils ou films utilisés dans ces capteurs présentant des coefficients de température faibles, compris entre 9.10"4 K"1 et 3.10"3 K"1, la sensibilité de ces capteurs est ainsi très limitée car proportionnelle à ce coefficient. Ces capteurs utilisent souvent des éléments sensibles suspendus à base de films métalliques, tels que des films en or ou en platine, voire en aluminium, en nickel ou en chrome, ou possiblement des films en semi-conducteurs.
De plus, le domaine des pressions mesurables par ces capteurs est déterminé par la géométrie de l'élément sensible, et limité le plus souvent seulement aux basses pressions puisqu'il est technologiquement et/ou économiquement compliqué de garantir industriellement un gap de taille nanométrique. Ce domaine est ainsi usuellement limité à des pressions inférieures à 100 mbar avec une bonne sensibilité, ou tout au plus jusqu'à 1000 mbar avec une précision faible.
Une autre limitation est inhérente au principe même de la jauge Pirani, puisqu'elle doit être immergée dans le gaz à tester.
Il en résulte donc une fragilité aux chocs mécaniques et aux poussières, une sensibilité aux perturbations de l'environnement telles que des flux anémométriques ou les variations de composition du gaz testé. Elles présentent aussi une fragilité à l'agressivité de l'environnement gazeux, par exemple l'humidité et la corrosion.
Certains types de "packaging" ont été proposés, qui entourent partiellement l'élément sensible pour le protéger de certaines influences, par exemple pour limiter les influences anémométriques ou fournir une protection mécanique ou limiter les effets non-linéaires de convection thermique, comme par exemple le package décrit dans Dozoretz, P., C. Stone, and O. Wenzel, « Shrinking the Pirani Vacuum Gauge », Sensors (Magazine), 2005.
Ainsi, la FIGURE 1, tirée de cette référence, illustre une micro-jauge Pirani sur un support 18 en silicium portant des résistances 12 de mesure de la température sur son pourtour. L'élément sensible 11 est réalisé par un filament en nickel lové en plusieurs "S" successifs. L'élément sensible est disposé sous une coque de protection 19 en silicium ouverte sur le côté, qui permet de limiter les contacts mécaniques et de diminuer les perturbations dues aux flux de gaz par exemple par effet de convection.
Il a aussi été proposé d'utiliser une micro-grille de filtrage pour protéger l'élément sensible des poussières environnantes tout en conservant la communication de la jauge avec le gaz à tester.
Ces protections restent cependant incomplètes, et en général ne permettent pas une utilisation dans un environnement quelconque, par exemple en extérieur ou dans des milieux agressifs au sein de réacteurs chimiques.
C'est pourquoi les jauges Pirani sont utilisée quasi-exclusivement en environnements contrôlés tels que les bâtis sous vide de laboratoire ou d'industrie où le gaz mesuré est souvent un gaz neutre tel que l'azote ou l'argon, voire dans quelques rares cas de l'air.
Dans le domaine général des capteurs de pression, le document EP 1 772 717 propose de mesurer le gaz extérieur en mesurant la température d'un élément qui est en contact avec ce gaz à mesurer. En outre cet élément doit nécessairement être d'un matériau dont la conductance thermique varie avec la pression du gaz extérieur, de façon suffisamment significative pour en évaluer les variations.
Dans le domaine des capteurs de pression fonctionnant par mesure d'une déformation, le document EP 2 637 007 propose de mesurer la pression extérieure en détectant la déformation d'une membrane élastique très fine qui ferme une cavité maintenue à une très faible pression voire sous vide. Pour faciliter l'étalonnage vis-à-vis des différences à la fabrication, et la stabilité en particulier vis-à-vis du dégazage, ce document propose de combiner cette mesure de déformation avec une mesure de la pression interne. Cette pression interne est détectée de façon indépendante par un élément sensible différent, et est alors utilisée pour recalibrer la valeur finale fournie par l'électronique.
Un but de l'invention est de proposer un capteur de température et/ou de pression mettant en œuvre le principe de la jauge de Pirani qui soit amélioré dans ses performances, ses plages d'utilisation, sa robustesse, sa fiabilité, et/ou les environnements et situations dans lesquels il est utilisable.
Un autre but est de permettre une meilleure adaptation du capteur et des ses performances à ses conditions d'emploi, d'optimiser sa fabrication par exemple en matière de simplicité, de coût, de contraintes techniques et de souplesse d'industrialisation.
Exposé de l'invention
L'invention propose un capteur du type à perte de chaleur mettant en œuvre le principe de la jauge de Pirani pour mesurer la pression, et/ou la température par voie de conséquence, d'un gaz dans un environnement testé.
Selon l'invention, ce capteur comprend une enceinte étanche aux gaz, ou capsule anéroïde, ici aussi appelée boîtier, qui est destinée à être exposée audit environnement testé par sa surface extérieure, et qui renferme un environnement intérieur gazeux. Un élément de détection résistif est disposé dans cet environnement intérieur de façon à être exposé audit environnement intérieur gazeux, et est agencé de façon à mesurer sa pression.
Cette enceinte étanche présente une structure déformable sous l'effet d'une différence de pression entre ledit environnement intérieur et ledit environnement testé. Selon le principe de la jauge Pirani, le comportement résistif et/ou thermique dudit élément de détection résistif dépend ainsi de la pression gazeuse dite extérieure régnant au sein dudit environnement testé selon une fonction de transfert spécifique, qui est propre à la pression interne initiale et aux caractéristiques de déformation de l'enceinte. Par un calcul combinant cette fonction de transfert avec la pression intérieure mesurée par l'élément de détection, l'invention fournit alors une mesure de ladite pression extérieure.
Ainsi, par rapport à l'art antérieur illustré en FIGURE 1, l'invention apporte une solution globale à nombre de ces difficultés ou limites, typiquement en scellant la jauge dans une capsule sous une pression donnée de gaz inerte. La capsule servant de scellé, pouvant être appelé boîtier ou "package", est déformable pour reproduire en interne tout ou partie des variations de pressions qu'elle subit en externe. La jauge Pirani interne reste alors sensible à la pression externe tout en fonctionnant sous environnement contrôlé puisque qu'elle est complètement protégée, même lorsque l'ensemble du capteur est utilisé dans des environnements plus sévères.
Bien que le fait de protéger la jauge Pirani de façon étanche puisse apparaître un principe simple, ce type de package n'a encore jamais été proposé. En effet, contrairement à des protections partielles telles que des microgrilles ou des protections ouvertes telles que celle de la FIGURE 1, il apparaît clairement qu'une étanchéification des enceintes existantes empêcherait la jauge interne de détecter la pression extérieure, en tout cas avec une sensibilité significative.
A l'encontre de cette notion naturelle, les inventeurs proposent d'utiliser tout de même une enceinte étanche, en proposant un type différent et présentant des caractéristiques de déformabilité qui permettent à la jauge interne de refléter la pression externe d'une façon exploitable, voire même améliorée sur certains points.
Même si la sensibilité "brute" de la jauge est réduite par le boîtier, comme on pouvait s'y attendre, il apparaît que cette diminution peut être limitée pour rester exploitable. Son étanchéité permet de régler la pression interne indépendamment de la pression externe. La pression interne est par exemple réglée à une valeur plus faible que l'extérieur, déterminé pour que la jauge Pirani interne présente une sensibilité significative sans avoir besoin de réduire le gap autant qu'il le faudrait pour mesurer la pression externe. Ce packaging apporte ainsi un effet spécifique et configurable, que l'on peut ainsi qualifier de "actif".
Ainsi, en adaptant ses paramètres de pression interne et de raideur (en particulier par sa géométrie, sa construction et les matériaux utilisés), ce packaging actif permet d'élaborer un capteur de pression simple à fabriquer et sensible à des pressions plus élevées voire à la pression atmosphérique.
Cette simplicité est apportée en particulier par la p, par exemple sans aucune dimension extérieures en dessous du micromètre, voire sans aucune dimension au dessous du micromètre. Cela constitue un avantage important, par exemple en coût et fiabilité, alors que les capteurs Pirani traditionnels ne peuvent arriver à ces plages de pression sans utiliser un gap nanométrique facteur de coût, complexité voire fragilité.
En outre, l'invention propose d'utiliser l'influence de ce boîtier d'une façon positive, par exemple pour obtenir une sensibilité plus forte dans une plage spécifique voire restreinte, et/ou pour contrôler le positionnement de la plage de meilleure sensibilité.
Dans les modes de réalisation préférés, tels que ceux présentés ici, l'enceinte est déformable de façon élastique, même si sa raideur est faible.
Cependant, l'invention propose aussi d'utiliser une enceinte déformable plastiquement ou sans raideur significative, par exemple un élastomère ou un plastomère très souple. Le capteur est alors conçu pour fonctionner en équipression entre son environnement intérieur et l'environnement extérieur testé. Bien que la sensibilité ne subisse alors pas d'autre modification qu'une dégradation, il devient possible d'utiliser le capteur dans des environnements plus variés, par exemple de gaz inconnus, possiblement réactifs et/ou agressifs.
La notion d'enceinte déformable doit ici être comprise comme signifiant que cette enceinte, sous l'effet des variations de pression que l'on souhaite mesurer, se déforme suffisamment pour modifier la pression "interne" qui règne à l'intérieur.
On notera que, à la différence de ce que propose le document
EP 2 637 007, l'invention propose d'utiliser une jauge Pirani pour détecter la pression interne de l'enceinte, de façon à évaluer directement voire exclusivement les variations de la pression externe. Dans l'invention, on configure le capteur et sa jauge Pirani interne pour que la variation de pression externe à mesurer déforme l'enceinte suffisamment pour produire une variation de la pression interne qui soit mesurable par cette jauge Pirani.
Par rapport à ce document, cela implique des contraintes différentes voire supplémentaires. Cependant, cela donne d'autres possibilités en matière de compacité, d'ajustement des gammes de mesures et possiblement de sensibilité et de gamme de mesures.
En outre, pour mesurer la pression externe ou ses variations, l'invention ne nécessite pas systématiquement d'élément sensible de détection de la déformation de l'enceinte, ni d'électronique agencée pour cela. Il est ici explicitement proposé un capteur qui ne comprend pas et/ou n'utilise pas de mesure de la déformation de l'enceinte déformable.
Par rapport au document EP 1 772 717, on notera que l'invention propose de détecter la pression interne par le principe de la Jauge Pirani, appliquée à un élément résistif qui est à l'intérieur de l'enceinte, et qui baigne dans un environnement gazeux différent de celui à mesurer. Cela permet un choix plus large dans les matériaux, et fournit une fonction de transfert totalement différente du fonctionnement mis en œuvre dans ce document.
Procédé de mise au point ou d'ajustement
Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de mise au point ou d'ajustement ou d'adaptation d'un tel capteur, par exemple à partir d'un modèle de capteur existant, en fonction de conditions de mesure visées, par exemple de conditions de pression de gaz à mesurer possiblement combinée avec la température dudit gaz.. Ce procédé comprend les étapes suivantes.
Une étape consiste à choisir au moins deux valeurs de pression (et/ou de température) formant une plage de mesure visée pour l'environnement testé auquel est destiné ledit capteur.
A partir de cette plage visée, on détermine une valeur de gap virtuel, représentant la distance fictive entre un élément sensible libéré mécaniquement et la surface thermalisée la plus proche, qui serait adaptée pour réaliser au moins une mesure au sein de cette plage de mesure visée avec une jauge Pirani classique, c'est-à-dire sans enceinte étanche et baignant directement dans l'environnement que l'on souhaite tester. Cette valeur peut être déterminée ou optimisée selon un ou plusieurs critères déterminés, par exemple selon un modèle connu de fonctionnement d'une jauge Pirani en environnement libre.
Par ailleurs, on choisit une valeur déterminée représentant un gap dit réel, c'est à dire la valeur réelle du gap que l'on souhaite réaliser matériellement pour la jauge qui sera réalisée à l'intérieur du boîtier. Typiquement, cette valeur de gap réel sera choisie pour permettre une performance déterminée selon au moins un critère autre que la plage de mesure visée, par exemple facilité de réalisation, résistance, fiabilité, coût, etc.
A partir de la valeur de gap virtuel que l'on souhaite simuler, et de la valeur de gap réel que l'on prévoit de réaliser, on détermine ou on choisit une fonction de transfert représentant une transformation de comportement depuis une jauge réalisée avec ledit gap réel vers une jauge réalisée avec ledit gap virtuel. C'est-à-dire la fonction qui représente l'influence de l'encapsulation sur une jauge avec le gap réel, et qui fait que l'ensemble se comporte comme une jauge qui présenterait le gap virtuel lorsque disposée directement dans l'environnement testé.
Cette fonction de transfert permet ainsi de fabriquer et d'utiliser une jauge réelle, présentant ledit gap réel, pour réaliser au moins une mesure au sein de ladite plage de mesure visée. Cette fonction de transfert est par exemple déterminée par inversion d'un modèle de comportement mécanique d'encapsulation, ou choisie au sein d'une liste de fonctions de transfert connues ou testées pour différentes structures.
On peut alors déterminer ou choisir, par exemple au sein d'une liste de structures et/ou de modèles calculés et/ou testés, les caractéristiques d'une d'enceinte étanche dont la structure, ou la pression intérieure, ou un couple de ces deux caractéristiques, fournit ladite fonction de transfert.
On dispose alors des caractéristiques de réalisation permettant de fabriquer un capteur "composite" fonctionnant de façon optimisée pour ladite plage de mesures visée, tout en comportant une jauge présentant ledit gap réel.
Selon une particularité, l'enceinte étanche est déterminée pour fournir une sensibilité maximale à une valeur de pression de l'environnement testé qui est décalée vers les hautes pressions par rapport à la valeur de pression qui fournirait la sensibilité maximale si le même élément de détection était exposé directement audit environnement testé (c'est à dire sans enceinte étanche). Ainsi, le gap virtuel est toujours inférieur ou égal au gap réel puisqu'il est inversement proportionnel, d'après les modèles cités, à la position du maximum de sensibilité.
Grâce à l'invention, on obtient ainsi un choix et un contrôle plus large et plus aisé de la plage de sensibilité, en position, largeur et/ou sensibilité, en agissant sur les paramètres principaux de ce capteur composite : choix de la raideur de l'enceinte, pression interne, pression d'encapsulation (c'est-à-dire la pression interne au moment où l'enceinte est scellée, appelée aussi pression de packaging) et/ou valeur du gap réel.
La présence de cette enceinte étanche déformable permet en particulier de déplacer la plage de sensibilité du capteur par rapport à la jauge seule, y compris dans des niveaux de pression où la jauge seule est peu ou pas sensible, et ainsi d'améliorer les performances absolues dans certaines gammes de pression. Elle permet aussi une modification locale de la sensibilité, par exemple une amplification dans une plage restreinte, ou une stabilisation ou une linéarisation de ses valeurs.
Ces possibilités permettent de relâcher les contraintes imposées par la gamme de pression sur les dimensions de la jauge, notamment celle du gap réel, et permettent ainsi d'optimiser la fabrication et de la rendre plus simple, fiable et économique. Elles permettent par exemple une translation de la plage de sensibilité, autorisant ainsi l'utilisation pour les hautes pressions d'un gap micrométrique au lieu d'un gap nanométrique, ce qui est bien plus simple à réaliser.
En outre, cette architecture permet d'utiliser un tel capteur à base de jauge Pirani dans un environnement qui ne permettrait pas l'utilisation d'une jauge nue, par exemple dans un environnement agressif ou réactif, comme une atmosphère contenant de l'oxygène ou différents gaz ou substances inflammables, entre autres en raison de la température du filament et/ou des risques de corrosion et/ou d'autres réactions chimiques non souhaitées.
Une telle résistance au milieu extérieur dans des conditions de pression atmosphérique est ainsi susceptible de permettre de nouvelles applications, en particulier des applications embarquées telles que pour une mesure barométrique ou d'altitude ou de vitesse aérienne.
Les modes de fabrication permettent d'obtenir des capteurs d'une bonne miniaturisation, possiblement intégrables dans des circuits électroniques miniaturisés ou intégrés ou des mécanismes micrométriques. Selon une particularité optionnelle, l'enceinte étanche renferme en outre au moins un élément volumique dit réducteur occupant une partie de l'espace intérieur de ladite enceinte étanche, réduisant ainsi le volume occupé par l'environnement gazeux intérieur.
Un tel élément réducteur est par exemple rigide, ou est compressible avec une raideur se combinant avec la raideur de l'enceinte. Les caractéristiques de cet élément réducteur permettent d'ajuster les caractéristiques de la fonction de transfert globale, en laissant plus de liberté dans la définition du boîtier et de la jauge, et donc dans les contraintes et conditions techniques de réalisation du capteur complet.
Un tel élément permet par exemple de modifier les effets d'un boîtier existant, et donc d'ajuster les caractéristiques d'un capteur à partir d'un boîtier existant et d'une jauge existante sans avoir besoin de concevoir et fabriquer une jauge et/ou un boîtier différents. Il peut ainsi apporter une souplesse de conception et/ou une finesse d'ajustement ou d'adaptation supplémentaires.
Il permet ainsi une meilleure adaptation du capteur et de ses performances à ses conditions d'emploi, par exemple en donnant plus de souplesse de choix de la plage de sensibilité optimale.
Type de jauge et d'élément sensible
Selon un autre aspect de l'invention, avantageusement combinable avec les autres aspects et particularités, il est proposé un type particulier de capteur de pression et/ou de température sur le principe de la jauge Pirani, en particulier à travers son ou ses éléments sensibles et les matériaux qui le ou les composent. Il est à noter que cet aspect peut aussi être mis en œuvre indépendamment des autres aspects et particularités exposés et décrits ici, par exemple sans inclure de packaging actif ou de packaging du tout.
Selon cet aspect, l'élément sensible de la jauge Pirani est réalisé au moins partiellement en un oxyde pérovskite, de préférence cristallin, répondant à la formulation :
Figure imgf000012_0001
avec x compris entre 0 et 1 en incluant les cas x=0 et cas x= l, et où :
M1 est un lanthanide,
M2 est du strontium ou du baryum,
M3 est choisi parmi le Titane (Ti), Manganèse (Mn), le Fer (Fe), le Chrome (Cr) et le Cobalt (Co) ;
en excluant le titanate de baryum et le titanate de strontium. Optionnellement, on exclut le SrMn03 , voire le cas où x= l .
Selon une particularité de cet aspect, l'élément M3 est choisi parmi le titane (Ti) ou le manganèse (Mn).
Des exemples particulièrement intéressants d'oxydes pérovskites convenant pour l'élément sensible sont les suivants :
- manganite de type Lai-xSrxMn03-5 (ou LSMO),
- manganite de type Lai-xBaxMn03-5 (ou LBMO).
Optionnellement, un tel oxyde pérovskite est du (La,Sr)Ti03-5 (LSTO), ou du SrTi03 (STO) avec dopage, par exemple avec du Nobium sous la forme Nb : SrTi03 .
Ces matériaux permettent de meilleures performances notamment en matière de sensibilité et/ou de stabilité, qui sont particulièrement intéressantes dans le cadre de gammes de pression plus élevées ou optimisées et adaptées par l'encapsulation proposée par l'invention.
En particulier, cet aspect de l'invention propose de réaliser l'élément sensible en un film d'un tel oxyde de pérovskite formant un pont connecté à ses deux extrémités et libéré sur la majorité ou la totalité de sa périphérie (vue selon une section transversale au courant de mesure), de façon à pouvoir être immergé dans le milieu à mesurer.
Cet élément sensible peut prendre par exemple la forme d'une plaque ou d'un ruban ou d'un fil s'étendant entre deux bornes de connexion électrique. Il peut être connecté à des bornes constituées de matériaux différents. Il peut aussi constituer lui-même une partie étroite entre deux régions plus larges d'une même couche d'oxyde de pérovskite, ces parties plus larges formant alors lesdites bornes de connexion électrique ou faisant partie intégrante d'un circuit intégré.
La jauge comprend un ou plusieurs éléments sensibles selon cet aspect, qui peuvent chacun être libérés ou non de leur support, possiblement en combinant les deux au sein d'un même capteur. Chacun présente par exemple une longueur entre lOOnm et 2cm, voire entre 10 pm et 100 pm, et/ou une largeur entre 50nm et 1mm, voire entre 2pm et 15pm, et/ou une épaisseur entre lnm et lOpm, voire entre lOnm et 200nm. Par exemple, pour un capteur de laboratoire, l'élément sensible a une section "ruban" de lOOnm x 50nm, ou une section "fil" de 3cm x 2mm pour un capteur commercial d'usage général, ou une section "ruban" de 5pm x 2pm x 160nm pour d'autres types d'usages intermédiaires. Un tel élément sensible est réalisé par exemple par dépôt sur un support d'une couche d'oxyde de pérovskite incluant l'élément sensible, suivi d'une libération de l'élément sensible de ce support, en tout ou partie, par sous-gravure du support par au moins une attaque chimique, par exemple par du XeF2.
Le support est avantageusement un substrat de silicium monocristallin, par exemple traité par croissance épitaxiale d'au moins une couche intermédiaire, choisie pour permettre d'obtenir une bonne qualité pour la couche d'oxyde pérovskite, et si possible choisie pour ne pas être attaquée par l'étape de gravure de libération.
De préférence, la couche d'oxyde de pérovskite est déposée sous la forme d'un revêtement cristallin sur la totalité de l'élément sensible.
Exemples d'avantages
Les oxydes de pérovskite sont connus depuis très longtemps, mais certains d'entre eux sous certaines conditions présentent un coefficient de température compris entre 20.10"3 K"1 et 500.10"3 K"1, c'est-à-dire 10 à 1000 fois plus grand que les coefficients thermiques des films métalliques utilisés pour réaliser les éléments sensibles des capteurs actuels.
Avec ce type de matériau, les inventeurs ont déterminé que l'on obtient un certain nombre d'avantages intéressants et inattendus.
Sensibilité : Dans un capteur de type Pirani, l'évolution de la résistance de l'élément sensible en fonction de la température et/ou de la pression présente une variation significative dans une certaine plage de température ou de pression, déterminant une plage de mesure. Celle-ci peut être déterminée par des paramètres de réalisation du capteur, en particulier géométriques, comme le gap entre élément sensible et support.
L'ampleur de la variation dR de la résistance électrique R sur la totalité de cette plage de mesure, relativement à la valeur de R, détermine la sensibilité qui peut être obtenue par cet élément sensible.
Sur cette plage de mesure, le capteur selon l'invention peut permettre une mesure de R, et donc directement de T sous champ magnétique négligeable, avec une plus grande sensibilité. Du fait de l'augmentation de la variation de la résistivité selon la température par rapport aux matériaux de l'état de la technique, c'est-à-dire la valeur importante de TCR= l/p.dp/dT, on obtient une augmentation de la sensibilité du capteur. Il est ainsi possible d'obtenir une valeur de dR/R largement supérieure à 10%, et par exemple une valeur dR/R de l'ordre de 80% dans certaines configurations. Un tel élément sensible permet ainsi d'obtenir un capteur plus sensible que les capteurs actuels.
Domaine de pression : En outre, cette meilleure sensibilité rend plus exploitable les extrémités de la zone de variation de la résistance électrique, ce qui étend légèrement le domaine de mesure utilisable par rapport aux capteurs actuels. Dans certaines configurations, le domaine de mesure de pression peut ainsi s'étendre au-dessus de lOmbar voire 100 mbar. Une mesure de type impulsionnel sera également plus sensible.
Consommation : Pour la mesure en pression, l'élément sensible selon l'invention nécessite aussi un courant d'alimentation plus faible que les éléments sensibles connus, ce qui permet d'obtenir un capteur moins gourmand en énergie. Il devient possible d'obtenir une consommation inférieure à 10 pW, soit un gain d'un facteur 1000 environ.
Bruit en 1/f : De plus, il apparaît que la nature même des oxydes pérovskites fournit un bruit en 1/f inférieur à celui obtenu par les éléments sensibles métalliques ou en semiconducteur.
Encombrement et coût : En outre, les oxydes sont déposés en couches ultraminces, mais leur grande rigidité structurelle permet de les manipuler plus facilement que d'autres matériaux de mêmes dimensions, ce qui facilite la fabrication de dispositifs miniatures. Il est ainsi possible grâce à l'élément capteur selon l'invention de concevoir des capteurs de température et/ou de pression plus compacts et de dimensions plus petites que les capteurs actuels, ce qui leur permet d'être encore plus sensibles à des pressions plus élevées et surtout moins gourmands en énergie.
Ces avantages peuvent ainsi être obtenus avec un encombrement réduit, par exemple d'un facteur 1000 environ. Il devient ainsi possible de réaliser des capteurs dont l'élément sensible est de dimensions de l'ordre du micromètre voire de quelques dizaines de nanomètres, et peut être intégré au sein d'un circuit intégré de type électronique ou électro-optique. Un tel capteur peut alors être réalisé de façon très économique et reproductible par des technologies utilisées par exemple pour l'électronique ou les MEMS ou NEMS, et être agencé et positionné de façon extrêmement souple vis à vis des autres circuits ou du milieu à mesurer.
En outre, il devient possible d'intégrer le capteur dans la même puce que certains circuits électroniques, y compris les circuits de correction qui servent à corriger sa non-linéarité, donc de limiter grandement les variations et interférences entre eux. Par exemple, la compensation en température peut être obtenue de manière in-situ par des circuits intégrés dans la même puce que le capteur. La non-linéarité de ce type de mesure devient ainsi beaucoup plus acceptable et moins gênante pour la mesure finale, ce qui augmente encore le domaine de mesure accessible.
Par ailleurs, un tel capteur peut être mis en œuvre avec des tensions inférieures à 5V, et par exemple avec une tension de sortie dans la gamme des amplificateurs en 3,3V, ce qui permet une grande souplesse, simplicité et économie dans le dispositif utilisant ou intégrant le capteur.
Environnement et température : De plus, les oxydes pérovskites répondant à la formulation donnée sont plus stables et plus robustes que les films métalliques et peuvent être utilisés dans des environnements hostiles et notamment dans une atmosphère oxydante, contrairement aux éléments sensibles actuels. Ils sont aussi plus résistants en température, et peuvent supporter des températures plus élevées que celle des contacts électriques d'un type classique, c'est-à-dire par exemple de l'ordre de 400°C ou plus.
En outre, l'élément sensible est très résistant mécaniquement, du fait de la rigidité du matériau mais aussi du fait de ses faibles dimensions. Il ne présente pas de fluage et est moins sensible au vieillissement. Il a également une meilleure tenue structurelle car les oxydes présentent un module d'Young supérieur à celui des métaux et un coefficient de dilatation thermique inférieur, ce qui les rend moins sensibles structurellement aux variations de température et aux chocs mécaniques.
Procédé de mesure
Selon encore un autre aspect, l'invention propose en outre un procédé de mesure d'une pression et/ou température au sein d'un environnement gazeux testé, lequel procédé comprend une utilisation d'un capteur tel qu'exposé ici, au sein dudit environnement gazeux.
Selon une particularité, le capteur utilisé comprend une enceinte étanche déformable qui est adaptée pour transmettre la pression extérieure à son environnement intérieur à l'identique.
Selon une autre particularité, le capteur utilisé comprend une enceinte étanche déformable qui est adaptée pour transmettre la pression extérieure à son environnement intérieur selon une fonction de transfert déterminée.
Selon encore une autre particularité, le capteur comprend une modification de température (typiquement par chauffage, par exemple du substrat) de l'environnement intérieur de l'enceinte étanche.
Premier mode de réalisation
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'enceinte étanche comprend au moins un soufflet déformable. Un tel soufflet est typiquement formé par une paroi mince et plissée ou ondulée, entourant en tout ou partie le volume intérieur de ladite enceinte étanche, et qui est déformable selon une direction parallèle à la surface moyenne de cette paroi. La déformation en flexion des plis permet ainsi une extension significative de la paroi comme si elle
Cette enceinte est réalisée par exemple par différentes technologies connues, telles que moulage, usinage, emboutissage, dépôt électrolytique et/ou fabrication additive à commande numérique (par exemple par impression tridimensionnelle à base de métal ou de polymère). Elle peut être réalisée en tout matériau ou combinaison de matériau susceptible d'être utilisé dans ces types de procédé. Il peut s'agir par exemple de métal, en une ou plusieurs couches, mais aussi de résines ou d'élastomères de différents types.
Selon une particularité, ce soufflet présente une forme globalement cylindrique, de préférence de révolution mais non obligatoirement, constituant une paroi portant des ondulations périphériques fournissant une capacité de déformation selon une direction axiale.
Deuxième mode de réalisation
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'enceinte étanche comprend un boîtier rigide fermé de façon étanche par au moins une membrane déformable, voire plusieurs. C'est-à-dire que cette ou ces membranes forment une paroi globalement bidimensionnelle, qui est déformable selon une direction normale à la surface moyenne de cette paroi. Il s'agit par exemple d'une surface plane d'un matériau déformable de façon élastique, ou d'une surface plane dans laquelle sont formées une ou plusieurs ondulations, par exemple concentriques, permettant une telle déformation par flexion.
Différents types de technologies peuvent être employées pour réaliser ce type de membrane : selon l'échelle de dimensions visées, cela peut être par exemple une feuille métallique ou une feuille de résine ou d'élastomère ; ou un plastomère présentant une certaine élasticité, par exemple par moulage, usinage et/ou emboutissage ; ou un matériau cristallin tel que le silicium ; ou un matériau à faible contrainte résiduelle tel que le nitrure de silicium ou l'oxyde de silicium ou encore un oxyde complexe de type zircone yttriée ou titanate de strontium ; ou toute technique connue. Elle peut être réalisée en tout matériau ou combinaison de matériau susceptible d'être utilisé dans ces types de procédé.
Selon une particularité, intéressante pour de nombreux domaines, en particulier pour des circuits miniaturisés et/ou intégrés, la membrane présente une épaisseur inférieure au millimètre, de préférence inférieure à cent micromètres, voire inférieure à dix micromètres. Ce type de membrane peut être réalisé par exemple par différentes technologies connues, telles que celles des domaines de l'électronique des circuits intégrés ou des Microsystèmes Electromécaniques ou "MEMS" (pour MicroElectroMechanical Systems), ou celles utilisées pour réaliser des capteurs capacitifs à membrane. Il peut s'agir par exemple d'une combinaison de techniques de micro-dépôt, micro-usinage, et/ou différentes formes de gravure ou attaque chimique ou par plasma ou rayonnement.
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
Liste des figures
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- la FIGURE 1 est un schéma qui illustre selon l'art antérieur une micro-jauge Pirani munie d'une protection ouverte ;
- la FIGURE 2 est un schéma en coupe de côté qui illustre une modélisation mécanique d'un capteur selon l'invention, selon un premier mode de réalisation avec un boîtier réalisé par un soufflet déformable ;
- les FIGURE 3a et b sont des graphiques de courbes analytiques issues de calculs de modélisation qui illustrent le comportement du boîtier selon la pression extérieure Pext , pour différentes pressions d'encapsulation P0 et pour une constante de boîtier Pg valant 1170mbar :
o en FIGURE 3a, pour la pression intérieure Pint, et
o en FIGURE 3b, pour la déformation en hauteur δχ ;
- les FIGURE 4a et b sont des graphiques similaires aux FIGURE 3a et b, pour une valeur différente de la constante de boîtier Pg valant ici 170mbar ; - la FIGURE 5 est un organigramme qui illustre l'architecture des modèles de fonctionnement du capteur selon l'invention et les fonctions de transfert identifiées entrant en jeu ;
- les FIGURE 6a et b sont des graphiques de courbes analytiques issues de calculs de modélisation qui illustrent en tension de sortie et en sensibilité la réponse du capteur selon l'invention, comparée à une jauge Pirani identique à celle du capteur mais sans boîtier (c'est-à-dire non packagée), qui a été fabriquée et mesurée selon différentes pressions de boîtier et pour une constante de boîtier valant :
o en FIGURE 6a : 170mbar, et
o en FIGURE 6b : 1170mbar ;
- la FIGURE 7 est un graphique qui illustre la dépendance du centre de la gamme de pression sensible du capteur selon l'invention en fonction de la constante de boîtier, pour différentes valeurs de pression de packaging ; - les FIGURE 8a à b sont des graphiques de courbes analytiques issues de calculs de modélisation qui illustrent l'évolution de la sensibilité maximum et de la gamme de pression sensible en fonction de la constante de boîtier Pg et pour différentes pressions d'encapsulation P0 relativement à une jauge Pirani sans boîtier :
o en FIGURE 8a, par la gamme de sensibilité relative,
o en FIGURE 8b, par la valeur du maximum de sensibilité relatif;
- illustrant un exemple de fabrication d'un capteur selon le premier mode de réalisation :
o la FIGURE 9 est un schéma de principe qui illustre la fabrication du soufflet par dépôt électrolytique de cuivre sur un moule mâle en aluminium,
o la FIGURE 10 est une vue en perspective du soufflet déformable, après dissolution chimique du moule mâle,
o la FIGURE 11 est une photo du capteur une fois assemblé et scellé, o les FIGURE 12a et FIGURE 12b sont des vues schématiques en coupe de côté du capteur assemblé et scellé, à l'état au repos et respectivement comprimé sous l'effet d'une pression extérieure ;
- les FIGURE 13a et b sont des graphiques qui illustrent, en comparaison avec la même jauge Pirani sans boîtier, pour le capteur de la FIGURE 12 muni d'un réducteur de volume intérieur ;
o en FIGURE 13a, les réponses unitaires en pression de la jauge Pirani seule (trait léger) et du capteur complet (trait fort) relevées expérimentalement, et
o en FIGURE 13b, la réponse en sensibilité respectivement relevée et calculée pour ces mêmes capteurs ;
- la FIGURE 14 est un schéma en coupe de côté qui illustre un capteur selon l'invention, selon un deuxième mode de réalisation avec un boîtier rigide fermé par une membrane déformable ;
- la FIGURE 15 est une vue schématique en perspective qui illustre un capteur selon l'invention comprenant une pluralité de ponts Pirani encapsulés dans un boîtier scellé par une micromembrane sur silicium par une méthode de report de substrat et soudure.
Exemples de modes de réalisation de l'invention
Les inventeurs ont réalisé des essais, par modélisation numérique ainsi que par prototypage, qui montrent que la solution de capsule étanche déformable proposée par l'invention n'apporte pas nécessairement les inconvénients et insuffisances auxquels on pourrait s'attendre, tout en permettant des avantages nouveaux et inattendus a priori.
Il a été réalisé, présentée ici de façon synthétique, une modélisation du fonctionnement mécanique du package scellé ainsi proposé, c'est-à-dire un package dont la pression interne est assurée et conservée par l'étanchéité du système.
Cette modélisation permet d'évaluer et de quantifier la fonction de transfert apportée par la capsule étanche pouvant se déformer sous l'effet d'une pression externe.
Nous verrons que la baisse redoutée de la sensibilité lorsqu'une jauge
Pirani est encapsulée peut en théorie être limitée et que le package permet de manipuler ses performances avec un contrôle adéquat des dimensions du système.
Premier mode de réalisation : modélisation et exemple
En référence à la FIGURE 2, plus particulièrement pour le premier mode de réalisation, nous prenons comme modèle celui d'un ressort déformable possédant une force de rappel P,i a_,tl c tendant à s'opposer à la déformation induite par une différence de pression selon la direction * . Le volume intérieur du ressort étant hermétique, on peut dissocier deux pressions distinctes : la pression extérieure p»x et la pression de la cavité scellée ptmt . Le ressort possède une section transverse s , une hauteur caractéristique do à laquelle s'ajoute une déformation ¾■ qui apparaît lorsque ≠ pmt . Le ressort étant supposé parfait, les déformations selon d'autres directions que x sont négligées.
La première étape consiste à déterminer l'équilibre des forces par le principe fondamental de la statique. Les forces mises en jeu sont la force de
F
rappel du ressort Feiesttc et la force a'comprunon exercée par la pression des atmosphères interne et externe au soufflet. Ces forces valent :
^ plastic fa ÙX
(1) compr asswn
Avec k : la constante de raideur du ressort représentant la rigidité du soufflet (N.m"1).
A l'équilibre on a :
FBlastis +" F smmWÎSSSim = 0 (2) On considère que le gaz contenu dans la capsule est un gaz parfait, ce qui est le cas de la plupart des gaz à basse pression. Nous verrons que dans notre cas cette condition est d'autant plus justifiée que l'invention permet voire justifie souvent de garder une pression interne faible, même pour des pressions externes plus importantes. Lors du scellement de la capsule, la pression interne vaut exactement la pression de packaging ¾ et l'égalité suivante est vérifiée :
Figure imgf000021_0001
Avec :
- ¾ : la pression dite de packaging (en Pa),
- V» : le volume de la capsule non déformée (m3) et ¾ = S x d, t
- R : la constante universelle des gaz parfaits (8,3144621 J-K^-mol"1),
- 7 : la température de packaging ou d'exploitation (K),
- : le nombre de moles que contient le gaz encapsulé (moles).
Dans le cas où l'on souhaite exploiter ce capteur dans une gamme de température large ou éloignée de la température de scellement, il faut prendre en compte l'erreur induite par l'augmentation de pression due aux variations de température du gaz.
Si besoin, cette erreur est corrigée en modifiant la température de scellement pour qu'elle se rapproche de la température moyenne d'utilisation : par exemple en contrôlant la température ambiante lors du scellement et/ou en utilisant une méthode de scellement produisant ou permettant une température spécifique. Alternativement ou en combinaison, il est prévu d'utiliser un système de chauffage du substrat pendant la mesure pour augmenter artificiellement cette température moyenne d'utilisation .
On peut continuer l'analyse en déterminant le volume intérieur Vint à l'intérieur de la capsule :
Vint = dx x S + VB (4)
On obtient alors - d'après l'égalité (3) :
Et (e
Figure imgf000022_0001
), (2) et (5) puis en développant le calcul) on obtient une première version de la fonction de transfert du package
Figure imgf000022_0002
Avec, pour sous forme d'un soufflet déformable :
Figure imgf000022_0003
Pression caractéristique Pa
Cette grandeur ¾ est une constante numérique caractéristique de la fonction de transfert, appelée constante de boîtier.
¾ s'exprime en unités de pressions (Pa) et est donnée ici pour une capsule de forme cylindrique.
On peut réécrire l'équation de la fonction de transfert (6) sous une forme polynomiale :
Figure imgf000022_0004
Dont toutes les solutions sont : p (P§xe ~
( p _ ¾ ) ± .>[(¾ - _ ¾xï) ! + **¾■¾ (9) rin,t rBxt ) ~ 2
Cette expression permet d'établir la fonction de transfert utile en pression de la capsule, c'est-à-dire la fonction exprimant la pression interne pi t par rapport à la pression externe Cette expression étant quadratique, il faut sélectionner uniquement les solutions présentant une réalité physique soit celles donnant Pir.t et P,xt positifs seulement et vérifiant la condition de packaging suivante : p,xt .
Un jeu de solutions analytiques peut être obtenu avec les dimensions prises en compte ci-après dans la suite de cette analyse : avec un soufflet présentant un diamètre de 4 mm, une hauteur de 7 mm et une constante de raideur k de 840 N/m.
On peut calculer la constante pa grâce à l'ensemble de ces dimensions (et par la relation (7)), ce qui nous donne une valeur de 1170 mbar.
Comportement du boîtier
Les FIGURE 3a et b illustrent le comportement d'un tel boîtier selon la pression extérieure Pext, pour différentes pressions initiales d'encapsulation ¾ et pour une constante de boîtier Pg valant 1170mbar : en FIGURE 3a, pour la pression intérieure Pint, et en FIGURE 3b, pour la déformation en hauteur δχ .
Constante de boîtier Ρα valant 1170mbar
Avec une telle valeur de ¾, on utilise la fonction de transfert par exemple la relation (9) pour tracer la dépendance de la pression interne en fonction de la pression externe, pour différentes pressions de packaging ¾, ici illustrée en FIGURE 3a.
On extrait (à partir de la relation (5)) selon les modèles analytiques la déformation en hauteur Sx de la capsule, toujours en fonction de la pression externe et pour différentes pressions d'encapsulation ¾, comme illustré ici en FIGURE 3b.
On peut remarquer sur la FIGURE 3a que la fonction de transfert est linéaire pour tout ¾ et pour des valeurs de pression externe suffisamment élevées et dépassant un certain seuil de pression.
En diminuant l'une des constantes Pg ou P0, par exemple en réduisant la hauteur initiale du ressort, on peut ainsi obtenir une telle linéarité de la réponse en pression intérieure Pint à des pressions extérieures Pext plus basses.
Coefficient A, ou Gain en pression
A l'intérieur de cette gamme de réponse linéaire, par exemple pour une pression externe Pext supérieure à 1400 mbar, la relation entre Pint et P.xt peut se modéliser sous la forme d'une équation linéaire :
PM(Pat) = AxPat +D (10) Avec A et D : deux coefficients dépendants de ¾ et ¾ (sans unité). On remarque de plus que des basses pressions de packaging, ici pour 1 mbar et les valeurs voisines, entraînent une meilleure sensibilité à la pression externe, qui se reflète ici par une pente plus importante de la courbe.
En effet, le coefficient A vaut 0,97 pour ¾ = 1 mbar et est égal à 0,59 pour ¾ = 1500 mbar, toujours dans le régime linéaire. Le gain en pression est donc plus avantageux pour des pressions de packaging faibles. La limite de fonctionnement du système en régime linéaire aux basses pressions externes est déterminé par Pg, valeur autour de laquelle un fléchissement de la courbe se créée. Suivant les valeurs de P0, cette déflexion sera plus ou moins prononcée, voire négligeable aux fortes valeurs de pression d'encapsulation. Le décalage D en pression, qui modifie de manière constante la réponse Pint à la pression Pext, est positif dans le premier cas (à P0 élevée), et négatif dans le deuxième cas où la pression de packaging P0 est très faible, en particulier lorsqu'elle est très inférieure à Pg.
On peut remarquer sur la courbe de déplacement du soufflet, en FIGURE 3b, que de faibles pressions de packaging entraînent une forte déformation à basses pressions à basses pressions Pext, soit dans la gamme de pression pour laquelle la fonction de transfert n'est plus linéaire. On notera que cette gamme des pressions inférieures à la valeur de Pg est exploitable aussi, bien que le comportement soit plus difficile à définir analytiquement à cause des fortes variations non linéaires de A .
Cet exemple illustre bien la nécessité de trouver des compromis en termes de performances lors de la conception du package actif.
En FIGURE 3b, on note en outre que les valeurs de la déformation du ressort avec ces dimensions restent inférieures à 5% de la hauteur initiale, c'est à dire inférieures à 0.35 mm dans le cas présent. Cette valeur nous permet de nous assurer que la capsule restera dans la limite du régime élastique pour un grand nombre de matériaux.
Constante de boîtier Pa valant 170mbar (FIGURE 41
Dans le cas d'un même soufflet dont la hauteur a été réduite à 1 mm au lieu de 7 mm, la constante ¾ vaut désormais 170 mbar. La dépendance à la pression extérieure de ce soufflet est illustrée en FIGURE 4a et b.
Dans ce cas, le système est linéaire sur une plus grande plage de pressions externe que dans le cas précédent et le coefficient A vaut environ 1 pour la plupart des pressions ¾ de packaging .
On note tout de même que la sensibilité est meilleure pour des faibles pressions d'encapsulation P0, et on retrouve un comportement pour le décalage en pression D identique à celui observé précédemment.
Les déformations maximum subies par le soufflet sont beaucoup plus importantes et atteignent 100% à 200% de la hauteur initiale. Néanmoins, l'utilisation dans des conditions restreintes de pressions est réalisable. Par exemple, pour un couple P0 = 500 mbar et Pg = 170 mbar, on peut tout à fait envisager l'exploitation du boîtier dans une gamme de pressions externes allant de 300 mbar à environ 1000 mbar, tout en assurant une déformation maximale du boîtier de 0,5 mm, et tout en assurant globalement que le gain de la fonction de transfert reste proche de l'unité.
Ce type de plage est par exemple visé dans de nombreuses applications embarquées et/ou en extérieur, par exemple dans l'aéronautique et/ou en météorologie. Il s'agit par exemple de plages de l'ordre de quelques centaines de mbar autour ou en dessous de la pression au niveau de la mer, par exemple une plage allant de 350 mbar à 1070 mbar.
Le jeu de valeurs testées pour le couple P0 et Pg, illustré à travers ces deux exemples analytiques, montre qu'il est possible d'adapter un tel boîtier de différentes façons pour fournir des performances nouvelles et variées, même dans des conditions où son architecture est soumise à des contraintes de conception, par exemple par l'espace maximal qu'il doit occuper dans une application embarquée, ou par exemple par le type de matériau acceptable pour sa fabrication, puisque Pg dépend du coefficient de rigidité du système, et donc du matériau le constituant ainsi que de la géométrie du système.
En effet, par l'analyse systématique de la fonction de transfert avec un Pg fixé, on peut jouer par exemple sur la pression de packaging P0 pour atteindre les performances visées, ou jouer simultanément sur ces deux valeurs pour déterminer une géométrie optimisée en réponse au besoin.
Globalement, on remarquera que le boîtier permet un décalage constant de la valeur de pression interne par rapport à la pression externe et que le gain en pression est inférieur ou égal à l'unité dans le régime dit linéaire, avec une déformation limité dans le régime élastique ; alors qu'il démontre un gain supérieur à l'unité dans le régime non-linéaire, avec un comportement du boîtier à la limite des conditions de fonctionnement.
Capteur composite
Comme illustré en FIGURE 2 et FIGURE 5, le capteur selon l'invention comprend un boîtier étanche ou "package" qui renferme une jauge Pirani.
La pression de l'environnement testé Pext agit sur le package. Celui-ci se déforme ce qui fait varier sa pression intérieure Pint en fonction de Pext. La pression intérieure résulte ainsi de la pression extérieure à travers une transformation qui constitue la fonction de transfert du boîtier.
Celui-ci peut ainsi être qualifié de "actif" : contrairement aux packages partiels connus qui atténuent certains effets parasites ou stabilisent les mesures au sein d'une même plage de sensibilité et pour une sensibilité inchangée, ce package actif peut fournir une transformation complète de l'information, par exemple avec un décalage complet de la plage de sensibilité voire une augmentation locale de la sensibilité.
Dans le cas du soufflet tel que modélisé ici, cette fonction de transfert peut être modélisée (par la relation (9)) :
Figure imgf000026_0001
A l'intérieur du boîtier, la jauge Pirani est influencée par la pression intérieure : elle reçoit donc une version transformée de la pression extérieure,
Figure imgf000026_0002
La résistance de son élément sensible varie selon la pression intérieure, d'une façon qui dépend des caractéristiques de la jauge. Cette jauge renvoie une information de résistance ohmique reflétant la pression intérieure, d'une façon qui peut être évaluée par exemple selon l'un des modèles mathématiques connus. En intégrant par exemple le modèle logarithmique d'une jauge Pirani, qui est un modèle analytique générique et empirique pour une jauge à réponse logarithmique, la dépendance Rp(Pext) de la résistance Rp en fonction de la pression extérieure Pext peut alors s'écrire :
Rp {Pext) = BxTCR{T)x kc Avec :
^ I int V
- B : un coefficient de calibration (sans unité),
- TCR(T) : le coefficient en température du matériau constituant la jauge Pirani, variant selon la température considérée (en K"1).
Le capteur selon l'invention forme ainsi un capteur de pression "composite" qui contient deux éléments sensibles distincts mais interconnectés
Un premier élément sensible est formé par le boîtier actif, qui est modifié par la variation de pression extérieure à tester, laquelle forme ainsi la première mesurande.
Un deuxième élément sensible, ou intermédiaire, est formé par la jauge Pirani, qui est modifiée par la variation de pression intérieure, laquelle forme ainsi une mesurande intermédiaire.
La jauge Pirani peut ainsi être connectée à un conditionneur de signal qui produit et convertit un signal électrique pour mesurer la variation de la résistance de l'élément sensible, et fournir ainsi une valeur lisible représentant la mesurande initiale Pext Ces conditionneurs peuvent par exemple être de type pont de Wheatstone en tension continue tel que représenté sur la FIGURE 5, ou à courant constant, ou à échauffement ou résistance ou puissance constante, qui permet par exemple d'annihiler d'éventuelles dérives en températures générées par le terme TCR(T), ou par d'autres types de conditionneurs adaptés au type de signal que l'on souhaite obtenir.
En combinant la fonction de transfert du package avec celle de la jauge de pression, on peut simuler la réponse VoutlPix i de la jauge Pirani encapsulée connectée à un conditionneur de signal.
Par exemple comme illustré en FIGURE 5, le conditionneur de signal comprend un pont de Wheatstone à tension constante, qui fournit en sortie un signal électrique représentant la dépendance V0Ut(Pext) d'une tension de sortie Vout en fonction de la pression extérieure Pext, selon la relation :
Figure imgf000027_0001
Ainsi, on voit que l'invention permet de modifier et d'adapter la réponse de la jauge Pirani en choisissant les paramètres du boîtier pour obtenir une fonction de transfert qui permette à la jauge Pirani un comportement déterminé tout en utilisant le capteur composite dans un environnement différent et potentiellement incompatible avec la jauge et/ou le comportement choisi pour elle.
Comportement combiné
La simulation numérique a été appliquée au comportement combiné d'un capteur composite complet, comprenant une jauge Pirani réelle et mesurée à base de Lao.8oBa0.2oMn03 (c'est-à-dire LBMO) une manganite de valence mixte de la classe des oxydes pérovskites, jauge formée de 16 ponts en parallèles de 10 pm de long par 2 pm de large chacun, et possédant une distance élément sensible vers substrat de l'ordre de 500 nm, fabriquée selon des procédés standards d'épitaxie par ablation laser, de lithographie optique, combinés à une gravure physique directe par faisceau d'ions et une gravure dite de libération par un procédé chimique connu tel qu'une gravure par plasma réactif ou par difluoride de xénon gazeux. A titre d'exemple non exclusif, une jauge Pirani de ce type est proposée par les inventeurs dans la demande de brevet FR 14 55623 non encore publiée. La présente invention est cependant applicable à tous les types de jauges Pirani, réalisées de façon connue et à partir de différents matériaux, par exemple à base de silicium uniquement, ou d'un métal tel que le platine ou le tungstène, et pour toutes les dimensions. Cette étude a été appliquée au boîtier étudié plus haut, dans ses deux versions de hauteur de soufflet, soient :
- ¾ = 1170 mbar pour un soufflet d'une hauteur de 7 mm, et
- ¾ = 170 mbar pour un soufflet d'une hauteur de 1 mm.
Les FIGURE 6a et b illustrent le comportement calculé du système en tension de sortie (en haut) et en sensibilité (en bas), comparé à une jauge Pirani sans boîtier et mesurée (courbe épaisse), avec des courbes de résultats analytiques différentes (courbes fines) selon différentes pressions de P0 de packaging, à température fixe. La constante de boîtier vaut 170mbar en FIGURE 6a, et 1170mbar en FIGURE 6b.
On remarque grâce à ces courbes que, lorsque la jauge est packagée, il se produit un décalage de la réponse du capteur en pression d'une valeur approximative de Pg + P0, notamment pour les basses pressions P0. Ainsi la pression du maximum de sensibilité se trouve décalée de près de 170 mbar en FIGURE 6a et d'environ 1070 mbar en FIGURE 6b, toujours à très basses valeurs de P0. Cela indique que le packaging permet de porter la plage de sensibilité de la jauge Pirani à des valeurs supérieures voire largement supérieures à la plage de sensibilité de la même jauge de Pirani non packagée. La valeur de ce décalage est de l'ordre de la valeur de la constante ¾ et peut être augmentée par l'augmentation de la pression de packaging P0.
Or, la constante de boîtier Pg est déterminée uniquement par des facteurs géométriques, lesquels peuvent être choisis et contrôlés indépendamment des valeurs de pression du milieu testé, ce qui confirme les avantages de ce capteur composite en termes de liberté d'adaptation.
On retrouve sur les courbes de sensibilité le gain en signal au niveau de la pression au centre de la plage sensibilité maximale Ps , avec un gain en signal de 900% en FIGURE 6a et de plus d'une décade en FIGURE 6b, pour ¾ = 1 mbar. Par contre, la largeur de gamme de sensibilité (obtenue en calculant la largeur à mi-hauteur du pic de sensibilité du capteur) avec les pressions ¾ les plus faibles apparaît ici réduite par rapport à celles obtenues à pressions ¾ plus élevées, pour lesquelles cette largeur de gamme de sensibilité est en revanche plus élevée comparativement à celle de la jauge Pirani sans boîtier.
La FIGU RE 7 est un graphique qui illustre l'évolution de la pression extérieure du maximum de la sensibilité du capteur selon l'invention en fonction de la constante de boîtier ¾ et de la pression intérieure initiale ¾ .
A partir des résultats précédents, la FIGU RE 7 montre l'évolution de la pression ps de sensibilité maximale en fonction de la constante de boîtier Pg, pour la même jauge packagée avec différentes pressions de packaging P0, c'est-à-dire de la pression interne lors de l'encapsulation .
On voit que ¾ et jouent toujours un rôle prépondérant dans le décalage de la pression du maximum de sensibilité Ps . Cet ensemble de courbes montre également qu'on ne peut qu'augmenter la valeur de Ps puisque les deux paramètres seront toujours positifs.
Ainsi, une jauge déjà performante à hautes pressions peut voir sa gamme de sensibilité décalée à des pressions encore plus élevées.
Cela représente un avantage important, puisqu'il est plus compliqué de concevoir une jauge haute pression avec une jauge Pirani seule (non packagée), à cause de la condition technologique qui impose un gap plus faible pour mesurer une pression plus élevée. Or les valeurs de pression proches de la pression atmosphérique nécessitent souvent de réaliser un gap nanométrique, ce qui représente une difficulté technologique limitante.
Au contraire, en concevant attentivement le package et de façon adaptée au besoin de la pression de sensibilité, on peut réaliser une jauge performante à hautes pressions grâce au décalage de gamme qu'il apporte tout en utilisant des jauges avec un gap grossier et/ou une précision plus faible, donc plus facile à développer et à fabriquer.
Il devient ainsi possible de contourner la nécessité d'avoir un gap nanométrique pour les jauges Pirani haute pression, par exemple sensibles aux pressions atmosphériques.
Pour une jauge donnée, les paramètres du package sont par exemple déterminés directement en fonction de la valeur de la pression Pext à mesurer, typiquement en choisissant une pression de sensibilité maximale ps égale ou proche de cette pression à mesurer. Ce choix est fait par exemple par inversion des modèles mathématiques, ou par sélection dans une gamme de boîtiers déjà étudiés et/ou testés et dont les effets sont connus.
En FIGURE 8, sont présentées des courbes analytiques de la dépendance de la sensibilité maximum et de la gamme de pression sensible en fonction de Pg et de P0. Les jeux de courbes des FIGU RE 8a et FIGU RE 8b évoluent en général chacun de manière opposée - un gain en sensibilité maximum est produit en diminuant P0 et/ou Pg, un gain en largeur de gamme de sensibilité est obtenu en augmentant P0 et/ou Pg - illustrant bien la nécessité de trouver un compromis entre les deux paramètres de sensibilité.
Toutes les valeurs sont données au pourcentage relatif à la sensibilité de la jauge originale, c'est-à-dire non packagée.
En FIGURE 8a, la gamme de sensibilité relative est la variation de la largeur à mi-hauteur du pic de sensibilité indiqué sur les courbes en partie inférieure de la FIGURE 6. La référence est la jauge non-packagée : si on monte à plus de 100% on augmente la largeur de la gamme et inversement à moins de 100%, on diminue cette même gamme par rapport à la jauge non packagée.
En FIGURE 8b, est illustrée la sensibilité maximale, c'est-à-dire l'amplitude du pic de sensibilité des courbes en partie inférieure de la FIGU RE 6, là encore en relatif avec la jauge non-packagée pour référence. On voit que le comportement par rapport à P0 et Pg est opposé à celui des courbes de la FIGU RE 8a ce qui rend nécessaire de choisir un compromis entre ces deux performances : sensibilité et gamme de sensibilité.
A partir des FIGU RE 8 et FIGU RE 6, nous pouvons aussi voir que la capsule va moduler à la fois l'amplitude en tension de la réponse et la largeur de la gamme de pressions sensibles, mais en sens opposé et tout en modifiant la pression de décalage.
Ainsi, du fait que les courbes de plus basse pression interne Pint présentent des régions d'une pente nettement plus raide, par exemple pour 1 mbar et 10 mbar, on voit que la sensibilité est augmentée dans ces régions, par rapport aux valeurs de Pint plus élevées mais aussi par rapport à la jauge non packagée. Ainsi, on comprend que le package peut aussi être choisi et adapté pour améliorer la sensibilité, dans des régions précises voire étroites, à des valeurs de la pression de packaging P0 extrêmement basses, pour lesquelles le coefficient A de gain en pression (dans la relation ( 10)) sera supérieur à l'unité.
Pour les pressions de packaging plus élevées, le packaging peut dégrader la sensibilité et ce coefficient Λ devient inférieur à 1 , mais la plage de pressions couvertes par le capteur est alors bien plus importante.
Ainsi, en modifiant la pression de packaging, on peut choisir quelle qualité, entre la sensibilité en tension et la sensibilité en pression, va être augmentée au détriment de l'autre et on peut complètement moduler la réponse finale du capteur au besoin de l'utilisateur, voire rattraper les irrégularités du design de la capsule définissant Pg en modifiant P0 lors de l'assemblage ou ajuster la réponse finale en fonction du besoin final sur le terrain .
Par exemple, une faible pression de packaging P0 permet de d'augmenter à la fois la gamme des pressions sensibles et la sensibilité maximum en tension lorsque la valeur de ¾ est suffisamment élevée. Par exemple, on peut être très sensible sur 100 mbar seulement autour d'une pression de 1000 mbar, ou de façon plus large en utilisant une jauge qui possède déjà une très large gamme de pressions sensibles lorsqu'elle n'est pas packagée.
Au contraire, en augmentant la pression de packaging P0, on gagne fortement en gamme de pressions sensibles, même si les variations totales de signal en sortie de capteur ainsi que la valeur de la sensibilité maximum peuvent être dégradées.
Ainsi, on comprend que la combinaison du boîtier étanche déformable avec la jauge Pirani, si elle peut présenter des inconvénients sur certains points, permet (par les différentes caractéristiques géométriques et de matériau) de choisir et régler un équilibre entre les différents objectifs, incluant les coûts de fabrication, la plage de sensibilité couverte et sensibilité recherchée.
En outre, la variation totale de signal sera impactée elle aussi et va décroître, c'est-à-dire la variation de tension pour p ε [—∞, +∞] , surtout aux faibles pressions de packaging. Cet élément peut constituer aussi un avantage car une variation totale plus faible peut faciliter l'acquisition en aval, en réduisant le risque de saturation en tension de l'étage d'amplification.
Exemple de fabrication
Les FIGURE 9, FIGURE 10 et FIGURE 12 illustrent un exemple de fabrication d'un capteur selon le premier mode de réalisation, muni d'un boîtier présentant la forme d'un soufflet de dimensions micrométriques et millimétriques, plus particulièrement selon les dimensions de l'exemple étudié précédemment dans sa version avec une hauteur de 7 mm.
Le soufflet de ce capteur expérimental a été réalisé avec la forme et les dimensions d'un soufflet conçu comme élément principal formant un récupérateur d'énergie mécanique, tel que décrit dans la thèse "Toward an energy harvester for leadless pacemakers", M . Déterre, 2013, Université Paris- Sud 11. Ce soufflet présente une partie active, c'est à dire déformable, constituée d'une fine couche de nickel protégée de part et d'autre par deux couches micrométriques de cuivre.
Cette structure est intéressante pour la réalisation du capteur selon l'invention, en particulier, car il présente une élasticité suffisante, une très bonne herméticité aux gaz et il est compatible avec les supports de type TO-8 souvent utilisés pour les capteurs de pression commerciaux. Sa structure en nickel permet en outre une bonne protection contre les rayonnements électromagnétiques, ce qui constitue un avantage supplémentaire.
Dans cet exemple, la fabrication est réalisée par dépôt successif de matière sur la surface extérieure d'un moule mâle, lequel est ensuite détruit par attaque chimique. Une telle méthode est décrite par exemple dans la thèse M . Déterre citée ci-dessus.
Selon les choix de matériaux, d'autres procédés peuvent être utilisés pour d'autres matériaux, par exemple une enduction d'un moule mâle par trempage ou pulvérisation dans le cas d'un élastomère ou d'un plastomère ou d'une résine quelconque, ou par d'autres procédés connus.
La fabrication du soufflet illustré en FIGURE 2 et FIGURE 10 comprend les trois étapes suivantes : la conception et réalisation du moule mâle par la formation d'un cylindre d'aluminium et la gravure de corrugations ou ondulations, plusieurs sous-étapes de dépôts métallique qui constitueront le soufflet final, et la gravure complète du moule sous-jacent d'aluminium.
On réalise le moule mâle, sous la forme d'une pièce cylindrique creuse en aluminium sur le tour de laquelle sont taillées des corrugations, par exemple par tournage. Ces corrugations vont permettre la déformation du soufflet et lui conférer une élasticité significative, selon sa hauteur et uniquement selon cette direction. Différents nombres et dimensions de corrugations sont utilisables selon les caractéristiques mécaniques visées. Le présent exemple est réalisé selon les dimensions préférées décrites dans la thèse de Martin Déterre, qui sont reportées au tableau suivant :
Paramètre Valeur
Type de corrugation carrées
Nombre de corrugations 7
Rayon externe 4 mm Rayon interne 3,5 mm
Hauteur totale du soufflet 7 mm
Pas des corrugations (pitch) 0,5 mm
Comme illustré en FIGURE 9 pour la couche de cuivre, l'ensemble de ces couches est déposé par électrolyse. Dans cet exemple, le dispositif d'électrolyse comporte deux électrodes, l'anode (contre-électrode) et la cathode (électrode de travail), plongeant dans une même solution électrolyte et reliées à une source de courant. Des montages plus élaborés comportent une troisième électrode (électrode de référence) afin de mesurer le potentiel de l'électrode de travail.
Dans le cas du dépôt électrolytique de métaux, la cathode est le siège de la réduction des espèces métalliques en solution : Msâ + ne~ → M
Dans le présent exemple, les dépôts sont effectués en mode galvanostatique, c'est-à dire qu'une densité de courant est imposée à l'électrode de travail, le potentiel étant libre d'évoluer. Le moule présente une base de préhension qui dépasse de la région devant former le soufflet. Cette base est non conductrice, par exemple recouverte d'une couche de résine, ici du type AZ5214 avec recuit à 110°C pendant 3 mn. La résine isolante limite ainsi la croissance métallique aux zones en contact conducteur avec l'électrolyte. Le moule est maintenu en rotation pour homogénéiser le dépôt obtenu et uniformiser son épaisseur.
Le contact électrique sur le moule est pris en périphérie du moule où une zone conductrice est systématiquement libérée en dehors de l'électrolyte.
Le dispositif expérimental utilisé comprend trois électrodes reliées à un potentiostat pouvant délivrer jusqu'à 2 A de courant, piloté par un ordinateur. Le moule conducteur constitue la cathode et une plaque ultra pure de grandes dimensions (10x15 cm2) de cuivre (ou de nickel selon l'étape) forme l'anode. La distance entre l'anode et la cathode est de 16 cm. Une troisième électrode, placée près de la cathode, est une électrode de référence au calomel saturé (ECS), mise en contact avec le bain électrolytique au moyen d'un pont salin de chlorure de potassium (KCI saturé). La solution est maintenue à la température ambiante (20°C +/-1°C). Une agitation est assurée au moyen d'un barreau aimanté (5 cm) et d'un agitateur magnétique dont la rotation est maintenue à 100 tours/min.
Les différentes couches de cuivre, puis de nickel, puis encore de cuivre sont déposées avec les épaisseurs suivantes :
Figure imgf000034_0001
Les deux couches de cuivres couvrant celle de nickel de part et d'autre permettent de protéger la couche de nickel lors de la gravure de l'aluminium du moule. Cette gravure est suffisamment inerte vis-à-vis du cuivre pour qu'une épaisseur de 1 pm de cuivre suffise à protéger la couche centrale de nickel dans le temps que prend la gravure du moule.
L'aluminium formant le moule du soufflet est dissout par gravure chimique, ici dans une solution de HN03 (1% à 5% pour la gravure de l'aluminium), de H3P04 (65 à 75% pour la gravure de l'oxyde natif présent en surface) et de CH3COOH (5% à 10% pour le mouillage et une meilleure homogénéité de la gravure) dilués dans de l'eau déionisée. La gravure est réalisée par simple immersion dans la solution pendant une durée de 30 minutes à 1 heure à température ambiante.
Les photos de la FIGURE 10 illustrent le soufflet une fois libéré de son moule mâle. Le comportement mécanique du soufflet est mesuré à l'aide d'un banc de caractérisation mécanique incluant un module piézoélectrique de mesure de force et une mesure laser de distance qui indique sa constante de raideur k et fournit des mesures linéaires, ce qui indique que le soufflet présente bien une déformation élastique sur toute la plage de déformation sondée.
Le comportement mécanique du soufflet ainsi obtenu a été caractérisé expérimentalement afin de déterminer sa constante de raideur k , trois soufflets de différentes épaisseurs de nickel, de 12 pm pour Bl, de 8.5 pm pour B2, et de 9 pm pour B3. Cette mesure, réalisée à l'aide d'un banc de caractérisation mécanique incluant un module piézoélectrique de mesure de force et une mesure laser de distance, indique que les structures ont une déformation linéaire ; ce qui indique que le soufflet présente bien une déformation élastique sur toute la plage de déformation sondée.
La jauge Pirani du capteur est réalisée par un élément sensible 31, formé d'une couche de 60 nm d'oxyde pérovskite de La0.8oBa0.2oMn03, préalablement déposé sur une couche d'environ 20 nm d'un autre oxyde, le SrTi03, lui-même épitaxié sur un substrat de silicium monocristallin. Pour former la jauge, 16 ponts en parallèles de 10 pm de long par 2 pm de large chacun, et possédant une distance élément sensible vers substrat contrôlée pour rester dans une gamme de 500 nm à 1 pm, sont fabriqués selon des procédés standards, de lithographie optique, combinés à une gravure physique directe par faisceau d'ions et une gravure dite de libération par un procédé chimique connu tel qu'une gravure par plasma réactif ou par difluoride de xénon gazeux. Trois autres jauges, identiques et interconnectés avec la précédente, mais non libérées du substrat qui les porte et donc insensibles à la pression gazeuse par effet Pirani, forment un ensemble en pont de Wheastone complet pour une mesure plus fine à tension constante. Dans cet exemple, le procédé de fabrication d'une jauge Pirani, est celui proposé par les inventeurs dans la demande de brevet FR 14 55623 non encore publiée.
L'élément sensible, c'est-à-dire la jauge Pirani combinée à un pont de Wheatstone, et son substrat silicium, est monté sur un support 41, de préférence d'un type standard, ici de type TO-8
Sur sa face qui porte la jauge Pirani, ce support 41 est alors assemblé avec le boîtier formant, la capsule de scellement 21. Cette opération est réalisée ou finalisée à l'intérieur d'un bâti où la pression d'un gaz inerte, ici l'azote, peut être maintenue à une valeur donnée, laquelle pression forme ou détermine le paramètre ¾ des calculs présentés ci-dessus.
Comme illustré en FIGURE 12a, les contacts de l'élément sensible 31 sont connectés électriquement avec les broches 42 du support, permettant ainsi la mesure électrique. Les broches du support TO-8 sont isolées du reste du support par du verre 43 permettant une excellente isolation électrique et imperméabilisant l'ensemble aux fuites de gaz.
La FIGURE 11 est une photo qui représente le capteur une fois assemblé et scellé.
La capsule est assemblée sur le support, par exemple par encastrement de leurs diamètres. Un scellement 49 alors réalisé à la base du soufflet et sous le support 41, en restant dans une zone séparée des corrugations 22 ou de la partie déformable, ici avec une colle polymérisante étanche aux gaz, par exemple à base de résine époxyde, ou par tout procédé connu. Le tout est placé un bâti sous vide puis chauffé à 80°C pendant 12h, ici à une pression de 300 mbar, pour solidification de la résine d'étanchéité, et pour maintenir la pression interne au boîtier à la pression P0 visée. Comme illustré en FIGURE 12b, si le capteur scellé est disposé dans un environnement testé d'une pression plus élevée que sa pression d'encapsulation, le boîtier se comprime et diminue de hauteur.
Ajustement par réducteur de volume
La jauge incluse dans le capteur composite ainsi obtenu, lorsqu'elle utilisée seule, donne un maximum de sensibilité P. de 100 mbar environ, un maximum observable sur la FIGURE 13b pour la jauge dite « seule », c'est-à- dire non packagée. Comme vu précédemment aux définitions analytiques (par exemple en référence à la relation (7)), avec les dimensions de la capsule utilisée ici et pour une raideur k étant égale à 840 N.m"1, on peut calculer que la valeur de la constante ¾ est égale à 1170 mbar. Pour ce capteur composite, la sensibilité maximale de la jauge seule est donc décalée au moins de la valeur de constante ¾ , ce qui donne une valeur de 1270 mbar.
Dans le cas où l'on vise une sensibilité maximale inférieure, par exemple autour de 700 mbar c'est à dire au centre de la gamme allant de 350 mbar à 1070 mbar, il peut être souhaitable de modifier les caractéristiques du packaging.
De plus, un tel décalage de Pg= 1170 mbar produit une dégradation de la sensibilité maximale, comme le montrent les courbes inférieures de la FIGURE 6b.
Plutôt que de modifier les caractéristiques de la jauge et/ou du boîtier, et donc de recommencer une fabrication, une possibilité est de réduire le volume interne du soufflet en y plaçant un élément dont on choisit les dimensions, possiblement au moment de l'assemblage, par exemple un élément solide de petit volume comme un morceau de plastique ou de métal ou tout autre solide plein. Cet élément réducteur est ici fixé uniquement en haut du boîtier et ne touche pas les corrugations ni la base du boîtier, il ne modifie donc pas la réponse mécanique du boîtier.
Par ce moyen et dans notre cas, en laissant une hauteur libre en interne de 1 mm au lieu des 7 mm du boîtier seul, on diminue ainsi la valeur de ¾ pour la ramener à 170 mbar et retomber sur les courbes de la FIGURE 6a.
Cette modification est ainsi obtenue sans modification de la valeur de fe et des autres dimensions du système, ni de la structure du boîtier ou de ses matériaux.
Le capteur complet aura ainsi une meilleure sensibilité que la jauge Piran i à hautes pressions, grâce au léger décalage de P* de près de 200 mbar vers les pressions hautes, tout en assurant que la gamme des 300 mbar- 1070 mbar sera entièrement couverte par l'agrand issement de la plage des pressions sensibles.
On util ise alors une pression de packaging ¾ choisie pour ne pas faire chuter de manière trop importante la sensibilité, telle que 100 mbar, par exemple à partir de données comme celles des FIGU RE 6a ou FIGU RE 6b, et/ou en fonction des cond itions de fabrication .
Le capteur composite ainsi obtenu comporte ainsi une enceinte présentant une constante ¾ = 170 mbar à pression interne de ¾ = 100 mbar.
Les FIGU RE 13a et b illustrent alors la réponse en pression et respectivement la sensibil ité, à partir de mesures réalisées avec ce capteur composite appelé « jauge packagée », en comparaison avec la même jauge Piran i sans boîtier appelée « jauge seule » . L'ordonnée AV est la variation totale obtenue en tension par rapport à une référence, formée ici par la tension enreg istrée à 1000 mbar. Cela permet d 'apprécier les variations relatives en tension du système qui sont d irectement corrélées à la réponse Piran i.
En FIGU RE 13b, la courbe en forme de sinusoïde représente la sensibilité calcu lée (courbe) et relevée (points) pou r la jauge seule . La courbe plus basse en forme de cloche représente la sensibilité calcu lée (courbe) et relevée (points) pour le capteur réal isé ci-dessus, à partir de la même jauge.
Comme on le voit, la jauge seule présente ainsi une sensibilité q ui est la plus faible dans la gamme visée de 300- 1070 mbar, et une sensibilité bien meil leure dans les basses pressions autour de 100 mbar.
Au contraire, le capteur complet présente une sensibilité q ui est plus stable sur une très grande plage, et une sensibil ité maximale augmentée de 130 mbar. Sur la plage g lobale d u g raphique, entre 100 et 1000 mbar, la sensibilité maximale du capteur composite est nettement plus faible q ue celle de la jauge seule. Cependant, sur une plage haute comme la plage de 400 à 1070 mbar représentée à d roite du g raphique, on voit q ue la sensibilité maximale d u capteur composite est stable, et nettement plus élevée q ue celle de la jauge seule sur la plus g rande partie de cette plage haute . Dans cette gamme en particul ier, la sensibilité d u capteur composite comparativement à la jauge seule est même augmentée de près de 100% à 1000 mbar, pression à laquelle la jauge Pirani seule n'est plus sensible à la pression gazeuse. On obtient donc à la fois un agrandissement de la gamme de pression sensible et un décalage de maximum de pression sensible. Ces mesures sur un prototype valident les modèles analytiques établis.
On note que cette amélioration n'est pas évidente en première instance, puisque la sensibilité maximum à la pression ps diminue de près de 70% par l'apport du packaging actif, en accord avec les modèles analytiques, et en accord avec les courbes en parties inférieures de la FIGURE 6a et de la FIGURE 6b.
Ainsi, malgré une baisse de sa sensibilité maximale, on voit que la combinaison de la jauge avec l'enceinte étanche déformable a permis de déplacer et d'ajuster la sensibilité maximale obtenue, tout en l'améliorant dans des plages jusque là difficiles à atteindre technologiquement, et tout en protégeant efficacement l'élément sensible de toutes les agressions de l'environnement testé. Ces agressions comprennent notamment les effets parasites de ventilation, comme on le voit sur les courbes de la FIGURE 13b, pour lesquelles les données mesurées sont bien moins dispersées par rapport au modèle dans le cas de la jauge dite packagée que dans le cas de la jauge seule, et ce malgré les cyclages rapides en pressions représentés par les flèches de la FIGURE 13a.
L'invention permet par exemple d'obtenir un capteur sensible à l'atmosphère terrestre sans avoir à réduire d'avantage le gap de la jauge Pirani, avec les avantages de la jauge Pirani et en supprimant nombre de ses inconvénients, notamment sa fragilité inhérente face aux phénomènes parasites externes. Il s'agit donc bien d'une amélioration pour ce qui est de fabriquer à bas coût des capteurs de pression à base de jauges Pirani robustes, et ultra-sensibles dans la gamme des pressions atmosphériques.
Mode de réalisation 2
Les FIGURE 14 et FIGURE 15 illustrent un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention, qui ne sera décrit que dans ses différences.
Dans ce mode de réalisation, l'enceinte est formée par une cavité de volume fixe qui entoure la jauge Pirani, par exemple un cylindre de révolution, dont une extrémité est fermée par une membrane déformable.
Pour de très faibles déflections, le déplacement »' le long de la coupe transverse de la membrane, quelle soit la direction si elle est circulaire, a été décrit dans la publication "Factors affecting silicon membrane burst strength", Henning A.K., et al., 2004. Ce déplacement s'exprime par la relation :
d*wQx, ) , 9*w[x, y) d*wQx, y) P
die* + dx*dy* + dy* = D
Avec : P= n,t-Pext : la différence de pression s'exerçant sur la membrane (en Pa).
En utilisant les théories développées pour les membranes suspendues utilisées dans les technologies de capteurs de pressions membranaires, on peut extraire la valeur du coefficient de rigidité D qui vaut :
Figure imgf000039_0001
Et on sait de plus que la déflection d'une membrane circulaire s'exprime en tout point par :
PR*\ ,r λ 2ι
Cr)=— h -(-) (13)
64DL RJ i
Avec : R : le rayon de la membrane circulaire (m).
En définissant le boîtier, ou capsule, comme étant composé d'une membrane suspendue au-dessus d'une cavité scellée comme illustré en
FIGURE 14, on en déduit par intégration de la nouvelle valeur de Vint : vi nt = JJ" w &"3d d Θ -1- ¾ (14)
Avec ¾ = nR*h si la cavité est cylindrique avec * la hauteur initiale de la cavité fixe.
En considérant que la relation (4) est toujours valable, on obtient :
Figure imgf000039_0002
Sachant que p = pmt ~ ¾it , on retombe en développant sur l'expression (6) de la fonction de transfert :
p
p p _ p ' P i p
rext ~ rmr ¾ n ■ ¾
Avec cette fois une nouvelle expression de ¾
4ShD kEft®
Figure imgf000039_0003
La suite des calculs est identique à ceux présentés plus haut pour le cas d'un soufflet.
On remarque ainsi qu'une membrane, grâce à son coefficient de rigidité flexionnelle D peut être assimilée à un ressort déformable de constante k tel que celui qui a servi à modéliser un soufflet ci-dessus, et sa fonction de transfert devrait être identique puisque basée sur les mêmes relations. L'analyse mathématique du système en est également identique et les effets attendus sur la sensibilité d'une jauge Pirani encapsulée similaires au cas du soufflet.
En particulier, la structure en boîtier rigide avec membrane déformable se prête particulièrement bien à la miniaturisation, y compris à des dimensions micrométriques voire inférieures. Il est ainsi possible de réaliser un tel capteur composite en encapsulant une ou plusieurs jauges Pirani micro- voire nanométriques, par exemple par une méthode connue de report de substrat.
Comme illustré par exemple en FIGURE 15, un tel capteur comprend une pluralité de ponts Pirani multi-fils 61 en La0.8oBa0.2oMn03 (ou LBMO) déposés sur SrTi03 (ou STO) et de pistes 62 formés sur un substrat 60 en silicium ou Si02, par exemple par un procédé connu de lithographie. L'enceinte étanche est ici réalisée par une micromembrane élastique 69, formée de manière séparée sur un substrat silicium, par exemple d'une façon similaire aux membranes de capteurs capacitifs. La membrane est ensuite assemblée sur le substrat principal 60 par report de substrat. Sur sa périphérie, cette micromembrane 69 est alors soudée sur le substrat 60 par un cordon d'or/indium d'une épaisseur d'environ 500 pm qui scelle le volume entourant les ponts 61. Le substrat 60 porte ici en outre deux ponts multi-fils 68 de mesure de température, formé chacun entre deux pavés de contact en or à l'extérieur de l'enceinte étanche.
D'autres types de structures étanches élastiques sont prévues, de formes différentes, pour lesquelles il est aussi possible de déterminer une constante de boîtier ¾ .
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur du type à perte de chaleur mettant en œuvre le principe de la jauge de Pirani pour mesurer la pression et/ou la température d'un gaz dans un environnement testé, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte étanche aux gaz, ou boîtier, qui est destinée à être exposée audit environnement testé, et qui renferme un environnement intérieur gazeux dans lequel est disposé un élément de détection résistif de façon à être exposé audit environnement intérieur gazeux, ledit élément de détection étant agencé pour fournir une mesure de la pression dudit environnement intérieur ;
en ce que ladite enceinte étanche présente une structure déformable sous l'effet d'une différence de pression entre ledit environnement intérieur et ledit environnement testé ; produisant ainsi un comportement résistif et/ou thermique dudit élément de détection résistif qui dépend selon une fonction de transfert, de manière synergique, d'une combinaison de facteurs incluant la pression régnant au sein dudit environnement testé, la rigidité de la structure déformable et la distance entre l'élément résistif et le bain thermique gérant les pertes de chaleur, permettant ainsi de fournir une mesure de ladite pression extérieure par combinaison de ladite fonction de transfert avec ladite pression intérieure.
2. Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enceinte étanche comprend un boîtier rigide fermé de façon étanche par au moins une membrane déformable.
3. Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la membrane présente une épaisseur inférieure au millimètre, et de préférence inférieure à cent micromètres.
4. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche comprend au moins un soufflet déformable.
5. Capteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le soufflet présente une forme globalement cylindrique, de révolution ou non, constituant une paroi portant des ondulations périphériques fournissant une capacité de déformation selon une direction axiale.
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte étanche renferme en outre au moins un élément volumique dit réducteur occupant une partie de l'espace intérieur de ladite enceinte étanche, réduisant ainsi le volume gazeux occupé par l'environnement gazeux intérieur.
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte étanche est déterminée pour fournir une sensibilité maximale à une valeur de pression de l'environnement testé qui est décalée vers les hautes pressions par rapport à la valeur de pression qui fournirait la sensibilité maximale si le même élément de détection était exposé directement audit environnement testé.
8. Procédé de mise au point ou d'adaptation ou d'ajustement d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- choix d'au moins deux valeurs de pression formant une plage de mesure visée pour l'environnement testé auquel est destiné ledit capteur ;
- détermination d'une valeur de gap dit virtuel, adaptée pour réaliser au moins une mesure au sein de cette plage de mesure visée par une jauge Pirani qui baignerait directement dans ledit environnement testé ;
- à partir de ladite valeur de gap virtuel, détermination ou choix :
o d'une part d'une valeur de gap dit réel, et
o d'autre part d'une fonction de transfert représentant une transformation de comportement depuis une jauge présentant ledit gap réel vers une jauge présentant ledit gap virtuel,
o permettant d'utiliser une jauge de Pirani présentant ledit gap réel pour réaliser au moins une mesure au sein de ladite plage de mesure visée ;
- détermination ou choix d'une d'enceinte étanche dont la structure, ou la pression intérieure, ou un couple de ces deux caractéristiques, fournit ladite fonction de transfert.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enceinte étanche est déterminée pour fournir une sensibilité maximale à une valeur de pression de l'environnement testé qui est décalée vers les hautes pressions par rapport à la valeur de pression qui fournirait la sensibilité maximale si le même élément de détection était exposé directement audit environnement testé, d'une valeur de décalage contrôlée par un choix de la raideur de l'enceinte et/ou de la pression intérieure initiale.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que l'enceinte étanche est déterminée pour fournir une sensibilité plus forte que si le même élément de détection était exposé directement audit environnement testé, par choix d'une valeur de la raideur de l'enceinte et/ou de la pression intérieure initiale.
11. Procédé de fabrication d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une fabrication en tout ou partie de l'enceinte étanche par un procédé de dépôt et/ou gravure de résolution inférieure à cinq micromètres, voire inférieure à un micromètre.
12. Procédé de mesure d'une pression et/ou température au sein d'un environnement gazeux testé, caractérisé en ce qu'il comprend une utilisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 au sein dudit environnement gazeux.
13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur utilisé comprend une enceinte étanche déformable qui est adaptée pour transmettre la pression extérieure à son environnement intérieur à l'identique.
14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le capteur utilisé comprend une enceinte étanche déformable qui est adaptée pour transmettre la pression extérieure à son environnement intérieur selon une fonction de transfert déterminée.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une modification de la température de l'environnement intérieur de l'enceinte étanche.
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