WO2021130280A1 - Autonomous membrane sensor - Google Patents

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WO2021130280A1
WO2021130280A1 PCT/EP2020/087714 EP2020087714W WO2021130280A1 WO 2021130280 A1 WO2021130280 A1 WO 2021130280A1 EP 2020087714 W EP2020087714 W EP 2020087714W WO 2021130280 A1 WO2021130280 A1 WO 2021130280A1
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WO
WIPO (PCT)
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membrane
zone
sensor
sensor according
detector
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/087714
Other languages
French (fr)
Inventor
Jean-Philippe Polizzi
Philippe Robert
Sara LOI
Alberto Pagani
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Publication of WO2021130280A1 publication Critical patent/WO2021130280A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details 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
    • G01L19/08Means for indicating or recording, e.g. for remote indication
    • G01L19/086Means for indicating or recording, e.g. for remote indication for remote indication
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60CVEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245Housings for sensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details 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
    • G01L19/14Housings
    • G01L19/142Multiple part housings
    • G01L19/143Two part housings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00Details 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
    • G01L19/14Housings
    • G01L19/148Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation

Definitions

  • the present invention relates to the field of microelectronic sensors, for example those manufactured by silicon micromachining technologies widely known by the English acronym MEMS (Microelectromechanical Systems, or microelectromechanical systems in French).
  • MEMS Microelectromechanical Systems, or microelectromechanical systems in French.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the production of autonomous membrane sensors.
  • Such wireless sensors typically include a box without a wired connection. Therefore, the energy supply of these autonomous sensors can be done directly from their environment, by energy recovery for example, or by a radio link. Communication with these autonomous sensors can be done via an antenna integrated into the box.
  • These autonomous sensors are developed for various uses. They can in particular make it possible to measure one or more physical parameters (temperature, pressure, vibration, C02, etc.) and transmit them by radio waves for analysis.
  • FIG. 1 illustrates an example of a stand-alone sensor configured to measure the pressure outside the housing.
  • This sensor typically comprises a housing 10 closed vis-à-vis the outside, comprising a support 11, a cover 12 and a deformable membrane 13 assembled hermetically.
  • the housing 10 typically houses a detector 20 and an antenna 30.
  • the detector 20 is configured to detect a deformation of the membrane 13, and the antenna 30 is configured to transmit data relating to this measurement of deformation. It is also preferably configured to receive energy in the form of radio waves.
  • the support 11 is pierced so as to leave a passage towards the membrane 13.
  • the membrane 13 is attached directly or indirectly to the support 11, typically by gluing. This membrane 13 may in particular be formed on a chip 130 which is itself bonded to the support 11.
  • Autonomous pressure sensors can in fact be used in the automotive field, for example to measure the pressure of the tires or of the brake fluid in a braking phase. They can also be used in the building industry, for example to measure the deformation of an infrastructure. Such uses generally involve the integration of the stand-alone pressure sensor in a hostile environment. Such a sensor can thus be subjected to high temperatures and / or pressure, for example of the order of 200 ° C and / or 200 atmospheres (atm) respectively. It can also be embedded in a matrix, for example a building material, which can form a corrosive medium. There is therefore also a need to provide a robust independent pressure sensor, exhibiting improved reliability.
  • An object of the present invention is to at least partially overcome some of the drawbacks mentioned above.
  • an object of the present invention is to provide an autonomous sensor with a deformable membrane limiting the cost and / or the complexity of manufacture.
  • a first aspect of the invention relates to a self-contained sensor with a deformable membrane comprising at least one deformable membrane, a housing comprising at least a first part and a second part assembled together and configured to form a closed cavity, a detector configured to detect a deformation of the deformable membrane, at least one antenna and a wireless communication system associated with said at least one antenna, said wireless communication system being configured to communicate at least one data of deformation of the membrane in outside the housing, and a power supply system configured to power at least one of the detector and the communication system.
  • At least one of the first and second parts comprises a first zone having a thickness e1 and a second zone, also called thinned zone, having a thickness e2 such that e2 ⁇ e1, said second zone forming the at least one sensor membrane.
  • the waterproof case comprises a limited number of parts, in this case the first and second parts.
  • the membrane is formed directly by thinning an area of at least one of said first and second parts. This avoids having to resort to the supply of a separately formed membrane, then to the mounting of this membrane on one or the other of said parts. This limits the number of parts to be assembled. The cost associated with the assembly of the housing is thus reduced. Assembly is also simplified. Such a simplified architecture also makes it possible to improve the reliability of the sensor, since the number of parts and / or assembly areas susceptible to failure decreases. Furthermore, when the sensor is subjected to severe conditions, for example high pressures, the risk of the membrane becoming detached from the housing is considerably limited compared to existing solutions, or even eliminated.
  • Such a sensor in which the membrane is made directly in and in continuity with one of the parts of the housing, is particularly suitable for detecting pressure or deformation in a hostile environment.
  • the membrane according to the invention is a thinned zone of one and the same part.
  • the thinned area means that it is thinner than the remaining portions of said part.
  • the thinned zone has the thickness e2 while the remaining portions have the thickness e1.
  • the first zone z1 and the second zone z2 have continuity of material. Thus, they do not belong to two separate parts fixed or attached to one another.
  • the part taken from the first and second parts is free of physical interface or material discontinuity between the first zone z1 and the second zone z2.
  • a second aspect of the invention relates to a system comprising a matrix and at least one sensor according to the first aspect of the invention.
  • at least one sensor is embedded in the matrix.
  • the system is a vehicle tire comprising at least one sensor as described above.
  • the system forms one of: a vehicle tire, a deformable polymer structure, for example rubber, a brake pad.
  • the invention relates to a method of manufacturing an autonomous sensor with a deformable membrane, comprising:
  • a thinning of only a portion of one of the first and the second part so that said first part or said second part has a first zone z1 of thickness e1 and a second thinned zone z2 of thickness e2, with e2 ⁇ e1, said second zone z2 forming at least one membrane of the sensor,
  • a supply of a detector configured to detect a deformation of the deformable membrane
  • An assembly of the first and second parts so as to form a housing having a closed cavity accommodating said detector, said at least one antenna and the wireless communication system, and the power supply system.
  • the difference in the thicknesses e1 and e2 of the first zone z1 and second zone z2 is obtained by thinning of one of the first and the second part.
  • This difference is not obtained by assembling two parts with thicknesses different.
  • the thinning can be carried out mechanically, by trimming for example, from a cover of constant thickness. Thinning can also be carried out directly during molding of the cover, for example.
  • the thinned area of the cover has in all cases a continuity of material with the other areas of the cover, not thinned.
  • FIG. 1 illustrates in section a known architecture of an autonomous membrane sensor.
  • FIG. 2 illustrates in section a self-contained membrane sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B illustrates in perspective the autonomous membrane sensor illustrated in FIG. 4A.
  • FIG. 5A illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B illustrates in perspective an autonomous membrane sensor of the type illustrated in FIG. 5A, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5C illustrates in wire view an autonomous membrane sensor of the type illustrated in FIG. 5B, according to an embodiment of the present invention.
  • the thickness e2 of the second zone is at least five times less than the thickness e1 of the first zone.
  • the first zone is adjacent to the second zone. According to one example, the first zone surrounds, preferably entirely, the second zone. According to one example, the first zone extends around the entire periphery of the second zone.
  • Said second zone alone forms at least one membrane.
  • the case is entirely formed by the first part and the second part.
  • the power system and the detector are located in the cavity, outside the second zone.
  • these elements are not in contact with the membrane. More precisely, they are not in contact with the internal face of the membrane.
  • the senor includes the antenna.
  • the antenna is located inside or outside the cavity.
  • the detector is located opposite the second zone.
  • the detector is located on a straight line passing through the membrane and perpendicular to the plane in which mainly extends the internal face of the membrane.
  • At least one antenna is located outside the second zone.
  • the first and second zones respectively have first and second surfaces S1, S2 such as S2 £ 0.5 S1.
  • the second zone comprises an element projecting from a side opposite the cavity, directed towards a zone external to the housing.
  • the second zone supports at least one of a capacitive, piezo-resistive, or piezoelectric element.
  • the capacitive, piezo-resistive or piezoelectric element is attached to the second zone.
  • the detector is configured to cooperate with said at least one capacitive, piezo-resistive or piezoelectric element.
  • the senor comprises a plurality of membranes arranged on one of the first and the second parts.
  • the sensor comprises a detector configured to detect a deformation of each of the membranes.
  • the detector can be common to all or more of the membranes.
  • the sensor can comprise a single detector per membrane. According to a first mode of realization, this makes it possible to capture several parameters. According to another embodiment, this plurality of membranes makes it possible to introduce redundancy in the detection, which improves the general reliability of the sensor.
  • the first and second parts each comprise at least one second zone forming a deformable membrane.
  • the membrane of the first part is located opposite the membrane of the second part.
  • the cavity is located between the membrane of the first part and the membrane of the second part.
  • the cavity is empty except for the components.
  • a vacuum is created inside the cavity before it is sealed. This allows for example a better resistance of the sensor in an environment where the temperature is high.
  • the cavity is filled with gas before being sealed. This gas is preferably a neutral gas.
  • At least one of the first and second parts is silicon.
  • the matrix is made of a material taken from a polymer, a geopolymer, a composite material, a metal alloy, a ceramic.
  • the device, the manufacturing process, and the system may include, mutatis mutandis, all of the above optional characteristics.
  • the term “sealed” cavity is understood to mean a closed cavity preventing or limiting the exchange of fluid with the environment outside said cavity.
  • the term “hermetic” can be used synonymously. These qualifiers applied to a sensor housing including a cavity are understood under normal conditions of use and / or within manufacturing tolerances.
  • a closed cavity is not necessarily waterproof.
  • a closed cavity at least prevents the introduction of small objects or particles.
  • deformable membrane is meant a membrane capable of being elastically deformed.
  • the part of the housing forming a support or a frame supporting the membrane is rigid.
  • This support or this frame has an ability to deform much lower than that of the membrane.
  • the flexibility of the membrane is obtained mainly by its low thickness. We thus have a ratio greater than 20 or even 50 and even 100 between the thickness of the membrane (typically of the order of a micron) and the thickness of the frame (typically of the order of the thickness of a silicon wafer or of the order of 500 or 750 microns).
  • a "deformable” element is understood to mean an ability of this element to deform elastically under the action of pressure. This property is in particular characterized by its Young modulus.
  • a silicon-based membrane has, for example, a Young's modulus of between 130 and 185 GPa (Gigapascals). Such a membrane can deform when subjected to pressures in the range of a few atmospheres to a few hundred atmospheres.
  • a deformable membrane can optionally have other properties or functionalities, in addition to its deformation capacities.
  • the membrane is not limited to a silicon-based membrane. It may for example be based on ceramic or stainless steel.
  • pressure values are mentioned.
  • the pressure unit (s) associated with these values are not necessarily the pascal (symbol Pa) of the international system of units.
  • the pressure values can be expressed, in a manner known and customary to those skilled in the art, in bars or in atmospheres.
  • a substrate By a substrate, a film, a membrane or a cover “based" on a material M is meant a substrate, a film, a membrane or a cover comprising this material M only or this material M and possibly other materials. , for example alloying elements, impurities or doping elements.
  • a membrane made of a silicon-based material can for example be a thin part of a silicon substrate or a more complex structure incorporating a silicon part associated with one or more other thin layers.
  • the material M can exhibit different stoichiometries and / or crystallographic structures.
  • the first, second and third directions correspond respectively to the directions carried by the x, y, z axes of a preferably orthonormal coordinate system. This mark is shown in the appended figures.
  • the length is taken in the first direction x
  • the width is taken in the second direction y
  • the thickness is taken in the third direction z.
  • a “thinned” part of an element is meant a part of this element having a thickness less than the thicknesses of the parts of this element surrounding said thinned part.
  • a part can be thinned a posteriori, by a thinning or machining step for example, or a priori, that is to say directly during the formation, by molding for example.
  • a silicon-based membrane can typically be formed by localized thinning of a silicon substrate. This localized thinning can be carried out by plasma, which typically forms vertical walls around the membrane, as illustrated in FIG. 2. Alternatively, this localized thinning can be carried out by wet etching, for example based on a solution. of KOH (potassium hydroxide) or TMAH (tetramethylammonium hydroxide), which typically forms sloping walls around the membrane, as shown in Figure 3.
  • KOH potassium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • the membrane has an internal face turned towards the inside of the case and an external face, opposite to the internal face and turned towards the outside of the case.
  • the internal face extends mainly along a first plane parallel to the xy plane.
  • the outer face extends mainly along a second plane, also parallel to the xy plane.
  • the thickness of the membrane is measured in a z direction perpendicular to the first and second planes.
  • the thickness e1 of the first zone Zi and the thickness e2 of the second zone z 2 are measured in the direction z.
  • the thickness e2 of the membrane is preferably substantially constant over the entire zone z2. According to one possibility, this thickness can vary over the membrane zone z2.
  • the membrane may for example be thinner at its center and thicker at its periphery.
  • the thickness e2 is an average thickness, if the variation in thickness does not exceed a factor 2.
  • the thickness e2 is the minimum thickness of the membrane .
  • the thickness e1 is an average thickness, if the variation in thickness of the zone z1 does not exceed a factor 2. Alternatively, for greater variations in thickness, the thickness e1 is the minimum thickness of zone 1
  • a direction substantially normal to a plane means a direction having an angle of 90 ⁇ 10 ° with respect to the plane.
  • the housing typically comprises two parts assembled together. These two parts are more precisely designated “support” and “cover” in the following.
  • the membrane of the sensor according to the invention is formed in at least one of these parts and is delimited by a zone of thickness e2 thinner than the rest of the part considered, that is to say the support or the hood, as appropriate. This thinned area is marked “z 2 " in the accompanying figures. In the following, for the sake of brevity, reference will be made more simply to the “membrane”.
  • a first embodiment of a membrane sensor comprises a housing 10 formed by at least two parts.
  • the 10 is formed by a support 11 and a cover 12 assembled together.
  • This housing 10 forms a cavity 100 comprising detection and / or communication and / or power supply means.
  • the detection means typically a detector 20, are configured to cooperate with a membrane 13 formed directly in the cover 12.
  • the communication means for example a communication module or system 21 comprising a transceiver associated with an antenna 30, are configured to emit and / or receive signals to or from an element external to the sensor, i.e. outside the housing 10.
  • the means for supplying energy to the sensor are configured to supply the sensor directly from its environment, by energy recovery for example, or by a radio link.
  • the sensor is preferably an energy independent sensor.
  • Housing 10 is closed. It is preferably waterproof. According to one example, a vacuum is created in the cavity 10. This allows for example better resistance of the sensor in an environment where the temperature is high. This also makes it possible, for a pressure sensor, to measure the pressure in an absolute or quasi-absolute manner, with respect to the vacuum created in the cavity.
  • the cavity 100 is filled with a gas before being sealed. This gas is preferably a neutral gas.
  • the assembly of the housing 10 can be done by gluing, sintering, thermocompression or sealing by thermocompression or soldering of the cover 12 on the support 11 at the level of the interfaces 121.
  • the interfaces 121 can therefore be in the form of a weld, of a solder, an adhesive or a sintered part, intermediate between the support
  • This assembly can be done by respecting standards or directives associated with the level of sensitivity to humidity MSL (acronym for Moisture Sensitive Level) of the components (for example detector 20, transceiver 21) located in the cavity 100.
  • MSL acronym for Moisture Sensitive Level
  • the dimensions of the housing are preferably less than 10 cm, and more preferably less than 5 cm, in length, width and height, respectively according to x, y and z.
  • the case may for example have a length along x of the order of 2 cm, a width along y of the order of 1.5 cm and a height along z of the order of 1 mm to 2 mm, for example approximately 1.5 mm - which corresponds to the sealing of two wafers or silicon substrates, cover and support, 750 ⁇ m thick.
  • the housing 10 can have different shapes, for example in the form of a polyhedron or a cylinder.
  • the housing 10 makes it possible to protect the components 20, 21, 30 located inside the cavity 100. It essentially comprises two parts 11, 12 assembled together at the level of the interfaces 121. The number of interfaces is thus limited. This makes it possible to minimize the areas of weakness linked to the assembly.
  • the housing 10 therefore has improved mechanical strength and / or corrosion resistance. The cost of assembly is thus further reduced.
  • the support 11 can typically be a silicon-based substrate. This makes it possible to easily integrate on this support 11 detection and / or communication means in the form of a chip by microelectronic technologies. Alternatively, the support 11 can be based on a material taken from: a metal, a ceramic, or glass.
  • the housing, preferably the support 11 has a face 110 facing the cavity 100.
  • the different detection (detector 20) and / or communication (transceiver 21, antenna 30) and / or supply (antenna) means 30) are preferably in the form of components 20, 21, 22, 30 transferred to this face 110.
  • the face 110 preferably comprises electrically conductive regions so as to electrically connect several components together.
  • the antenna 30 can be electrically connected to the connection wire B2 through the face 110 of the support 11.
  • the electrical connection of the various components 20, 21, 30 between them can be made by the 'intermediate connection son B1, B2, or conductive tracks directly deposited on the face 110, or a combination of son and tracks.
  • the components 20, 21, 22, 30 are arranged on the support 11 which improves the robustness of the sensor and facilitates the manufacturing and assembly steps.
  • all the electronic connections can be made on the same part of the housing 10.
  • all or some of the components 20, 21, 22, 30 can be arranged on the cover 12 rather than on the support 11.
  • the cover 12 can typically be based on a material taken from: a metal or a metal alloy, a plastic, a ceramic, a glass.
  • the cover 12 comprises the deformable membrane 13.
  • the cover 12 directly integrates a sensor detection element.
  • the cover 12 therefore makes it possible to protect the sensor while contributing to the detection function of the sensor.
  • the cover 12 is thus functionalized.
  • the material of the cover 12 is preferably chosen as a function of its mechanical properties.
  • the cover 12 may have a thickness e1 of a few hundred microns to a few tens of millimeters.
  • the cover 12 can be made of a plastic material loaded with silica or carbon fibers. This makes it possible to obtain both a good deformation capacity of the membrane 13 along z and a sufficient mechanical strength to protect the components 20, 21, 30 in the cavity 100.
  • a cover 12 and its membrane 13 made of composite plastic can be obtained. be easily shaped by molding or extrusion. Its manufacturing cost is relatively low.
  • housings made from metal / glass or ceramics can be used. Such housings advantageously withstand high temperature and pressure conditions, and / or corrosive environments.
  • the techniques for assembling these housings, for example using Kovar type alloys or vitreous pastes, are known to those skilled in the art.
  • Such housings are generally machined. Machining of the cover 12 can in particular be carried out to thin the part of the cover 12 forming the membrane 13.
  • the cover 12 is preferably configured to have sufficient deformability at the level of the membrane 13, and low deformability outside the membrane, for example less by a factor of 10 than that of the membrane 13.
  • the membrane 13 is directly formed in the cover 12.
  • the material of the membrane 13 is therefore identical to that of the cover 12. It is in the form of a zone z2 defined by a thinned part of the cover 12. , of thickness e2.
  • the housing part 10 integrating the membrane 13, the cover 12 in this embodiment has at least a first zone z1 having a thickness e1 and a second zone z2 having a thickness e2 less than z1.
  • the thickness ratio e1 / e2 can be greater than 3, preferably greater than or equal to 5. This increases the deformability of the membrane 13 with respect to that of the cover 12.
  • the membrane 13 can have a uniform thickness e2.
  • the variation in thickness between the membrane 13 and the rest of the cover 12 therefore takes place abruptly. This makes it possible to clearly delimit the deformation zone. This makes it possible, for example, to optimize the piezoelectric detection of the stresses applied to the membrane. According to an alternative possibility, this variation in thickness takes place more or less keep on going.
  • the external face 132 of the membrane 13 typically has, in projection in the xy plane, a surface S2 less than the surface S1 (in projection in the xy plane) of the unthinned parts of the cover 12.
  • the cover 12 has a substantially uniform thickness throughout the first zone z1 with the exception of the second zone z2 forming the membrane 13.
  • the thickness e1 or e2 at a point on the surface of the housing 10 is measured in one direction. perpendicular to the tangent at the point considered.
  • the membrane 13 can be partly covered by a functional layer.
  • the membrane 13 is coated on its inner face 130 with a metal layer 131 (not visible).
  • the detector 20 By placing the detector 20 facing the membrane 13, the latter can in particular detect a variation in capacitance induced by the deformation of the membrane 13.
  • the detector 20 is configured to detect a variation in capacitance between the face 130 of the membrane and an upper face 201 of the detector 20.
  • the capacitance varies in particular when the distance between said faces 130, 201 varies. This ultimately makes it possible to measure a pressure exerted on the membrane 13.
  • the detector 20 can be associated with a signal processing module (not illustrated), a power supply module (not illustrated), a transceiver 21.
  • the autonomous sensor preferably comprises, in addition to the detector 20, at least one power system 22 and a wireless communication system 21 (transceiver and antenna 30).
  • the antenna 30 can be produced by lithography or screen printing or by metallic inkjet printing, for example. It can have different known shapes taken from a circle, a spiral, a cross, an H shape, etc.
  • the membrane 13 is formed directly in the support 11.
  • the components 20, 21, 30 are in this case arranged in the zone z1 of greater thickness, that is to say. ie outside the zone z2 forming the membrane 13.
  • the membrane 13 is made of silicon, and the deformation of the membrane 13 is detected by means of piezoelectric or piezo-resistive gauges 131. These gauges 131 are preferably arranged on a perimeter of the face 130 of the membrane 13.
  • the piezoelectric or piezo-resistive effect induced by the deformation of the membrane 13 is in fact maximized at this perimeter.
  • the detection by the gauges 131 is thus optimized.
  • the external face 132 of the membrane 13 typically has, in projection in the xy plane, a surface S2 less than the surface S1 (in projection in the xy plane) of the non-thinned parts of the support 11.
  • the second zone z2 of the sensor 20 supports at least one of a capacitive, piezo-resistive, or piezoelectric element.
  • the internal face 130 of the membrane 13 is located in the same plane as an internal face 111 of the support 11 on which the components rest.
  • the external face 132 of the membrane 13 is not located in the same plane as an external face 112 of the support 11.
  • the thinning of the zone z2 forming the membrane 13 is obtained by removing material from it. the outer face 112 of the support 11.
  • the senor comprises at least two deformable membranes 13a, 13b.
  • the sensor is more particularly configured to detect a deformation resulting from at least one traction exerted in at least one direction parallel to the plane in which extends at least one of the two membranes 13a, 13b, more precisely their internal faces 130.
  • the two membranes 13a, 13b, more precisely their internal faces 130 extend in parallel planes. These planes are parallel to the xy plane of the xyz coordinate system.
  • the membranes have, in this xy plane, a main dimension along the x axis.
  • the tensile force is exerted along the x axis and is represented by the tensile forces F T , -F T.
  • the membranes 13a, 13b are respectively formed directly in the support 11 and the cover 12 of the housing 10. They respectively have thicknesses e2 ′, e2 ′′ which may be substantially equal to each other. These thicknesses e2 ', e2 ”can be determined as a function of the mechanical properties of the corresponding membranes. Thus, if the support 11 and the cover 12 are formed from different materials, the thicknesses e2 ', e2 ”of the membranes can be chosen so that one and the other of the membranes 13a, 13b exhibit resistance to the equivalent traction. This makes it possible to calibrate the tensile behavior of the sensor.
  • the membranes 13a, 13b are arranged in this example opposite one from the other. They may have identical width and / or length dimensions.
  • the deformation during traction is measured on the inner face 130 of the silicon membrane 13a, through the piezoelectric or piezo-resistive gauges 131.
  • These gauges 131 can be placed around and in the center of the membrane 13a, as illustrated in FIG. 4A. Of course, these gauges 131 can be distributed differently on the membrane.
  • the components in chip form, for example the detector 20, are preferably located in the zone z1 and therefore outside the zone z2 delimiting the membrane 13a.
  • the antenna 30 can be formed or deposited directly on the internal face 130 of the membrane 13a.
  • the antenna can alternatively be formed on an unthinned part of the case, for example to prevent it from being subjected to too great deformation.
  • FIG. 4B illustrates in perspective such a sensor.
  • the general shape of the housing 10 may resemble that of a tensile test specimen, well known to those skilled in the art in the field of the resistance of materials.
  • the shape of the housing 10 thus reflects the function of the sensor.
  • the outer faces 132a, 132b of the membranes 13a, 13b can in particular extend in xy planes parallel to each other.
  • the external faces 132a, 132b have respectively, in projection in the xy plane, surfaces S2 ', S2 ”typically greater than the surfaces S1', S1” (in projection in the xy plane) of the respective non-thinned parts of the support and of the cover of the box 10.
  • it is not necessary for the thinned surfaces to have surfaces S2 ', S2 ”greater than the surfaces S1', S1” in projection in the xy plane.
  • the senor comprises a deformable membrane 13 comprising on its external face 132 a projecting element 133.
  • This element 133 forms a projection with respect to the external face 112 of the support 11.
  • the sensor is more particularly configured to detect a deformation resulting from a flow directed for example along the x axis, as illustrated on FIG. 5A by force F.
  • the projecting element 133 can constitute a multi-axis sensor, associated with strain gauges distributed so as to each detect a movement of the projecting element 133 in a direction or around it. a specific axis of rotation.
  • the projecting element 133 preferably has a height h greater than the thickness e1 of the non-thinned parts of the support 11.
  • the element 133 is thus more sensitive to the flow outside the housing 10. This makes it possible to increase the sensitivity of the sensor. .
  • FIG. 5B illustrates in perspective such a sensor.
  • the general shape of the element 133 projecting from the membrane 13 may be similar to that of a joystick.
  • the element 133 may be centered on the membrane 13 and have freedom of movement in a cone of revolution, the apex of which is located substantially at the base of the element 133, and the axis of which is substantially perpendicular to the membrane 13.
  • the membrane 13 may have a circular shape.
  • the element 133 may have a cylindrical shape and a symmetry of revolution. This makes it possible to offer the same bearing surface whatever the direction of the flow F in the xy plane.
  • the element 133 may have a flattened shape in a plane substantially perpendicular to that of the membrane. This makes it possible to favor a particular direction of detection of the flux F in the xy plane.
  • the deformation of the silicon membrane 13 induced by the flow F outside the housing 10 is measured on the face 130, by means of the piezoelectric or piezo-resistive gauges 131.
  • These gauges 131 can be placed around the periphery of the membrane 13, as illustrated in FIG. 5C.
  • the gauges 131 are preferably distributed uniformly around the periphery of the membrane 13, at regular intervals. They can be four in number, as illustrated in Figure 5C, or eight for example. They can be sized as main gauges and secondary gauges, with different degrees of sensitivity for example.
  • the components in chip form for example the detector 20, the transceiver 21, the power supply system 22 are preferably located outside the zone z2 delimited by the membrane 13.
  • the antenna 30 can be formed around of the face 130 of the membrane 13, for example in the form of a ring.
  • the autonomous sensor with a deformable membrane is typically manufactured by a process comprising the following steps:
  • first part 11 typically the support
  • second part 12 typically the cover
  • a principle common to the embodiments of the sensor according to the invention is that part of the housing forms the membrane, so that the housing is "functionalized".
  • Such an autonomous membrane sensor can advantageously be embedded in different materials, for example construction materials such as concrete according to a non-limiting example.
  • this sensor can be abandoned in a concrete matrix, within a building infrastructure. It can thus make it possible to follow the variations of constraints applied to said infrastructure.
  • This sensor can also be embedded in rubber used for tire manufacturing, in order to measure tire pressure during use.
  • This sensor can also be embedded in a brake pad matrix, so as to measure the force applied to said pad by a braking system.
  • Other uses of the sensor according to the invention are of course possible.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and extends to all the embodiments covered by the claims.
  • the number of membranes of the sensor can be greater than two.
  • the shape of the membrane (s) can be adapted depending on the use of the sensor.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to an autonomous sensor with a deformable membrane, comprising a housing (10) in two parts (11, 12) assembled together and configured to form a sealed cavity (100), a detector (20) configured to detect a deformation of the deformable membrane (13, 13a, 13b), a wireless communication system (21) configured to communicate an item of data of deformation of the membrane (13, 13a, 13b) outside of the housing (10), and an electrical supply system (22) configured to supply the detector (20) and/or the communication system (21), the sensor being characterised in that at least one of the first and second parts (11, 12) comprises a first zone (z1) having a thickness (e1) and a second zone (z2) having a thickness (e2) such that e2 < e1, the second zone forming the at least one membrane (13, 13a, 13b) of the sensor.

Description

Capteur autonome à membrane Autonomous membrane sensor
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne le domaine des capteurs microélectroniques, par exemple ceux fabriqués par des technologies de micro-usinage de silicium largement connus sous l'acronyme anglais MEMS (Microelectromechanical Systems, ou systèmes microélectromécaniques en français). L’invention trouve pour application particulièrement avantageuse la réalisation de capteurs autonomes à membrane. The present invention relates to the field of microelectronic sensors, for example those manufactured by silicon micromachining technologies widely known by the English acronym MEMS (Microelectromechanical Systems, or microelectromechanical systems in French). The invention finds a particularly advantageous application in the production of autonomous membrane sensors.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
Avec l’essor du concept d' « Internet des Objets » ou loT (acronyme anglais de « Internet of Things »), basé sur l'interconnexion entre Internet et des objets, des lieux et des environnements physiques, les réseaux de capteurs sans fil distribués dans notre environnement se sont considérablement développés. With the rise of the concept of “Internet of Things” or loT (acronym for “Internet of Things”), based on the interconnection between the Internet and objects, places and physical environments, wireless sensor networks distributed in our environment have developed considerably.
De tels capteurs sans fil, également appelés capteurs autonomes, comprennent typiquement un boîtier dépourvu de connexion filaire. Dès lors, l’alimentation en énergie de ces capteurs autonomes peut se faire directement à partir de leur environnement, par récupération d'énergie par exemple, ou par une liaison radio. La communication avec ces capteurs autonomes peut se faire par l’intermédiaire d’une antenne intégrée au boîtier. Ces capteurs autonomes sont développés dans le cadre d’usages variés. Ils peuvent notamment permettre de mesurer un ou plusieurs paramètres physiques (température, pression, vibration, C02, etc.) et les transmettre par ondes radio pour analyse. Such wireless sensors, also called stand-alone sensors, typically include a box without a wired connection. Therefore, the energy supply of these autonomous sensors can be done directly from their environment, by energy recovery for example, or by a radio link. Communication with these autonomous sensors can be done via an antenna integrated into the box. These autonomous sensors are developed for various uses. They can in particular make it possible to measure one or more physical parameters (temperature, pressure, vibration, C02, etc.) and transmit them by radio waves for analysis.
La figure 1 illustre un exemple de capteur autonome configuré pour mesurer la pression extérieure au boîtier. Ce capteur comprend typiquement un boîtier 10 fermé vis- à-vis de l’extérieur, comprenant un support 11, un capot 12 et une membrane déformable 13 assemblés hermétiquement. Le boîtier 10 abrite typiquement un détecteur 20 et une antenne 30. Le détecteur 20 est configuré pour détecter une déformation de la membrane 13, et l’antenne 30 est configurée pour transmettre des données relatives à cette mesure de déformation. Elle est également de préférence configurée pour recevoir une énergie sous forme d’ondes radio. Le support 11 est percé de façon à laisser un passage vers la membrane 13. La membrane 13 est rapportée directement ou indirectement sur le support 11, typiquement par collage. Cette membrane 13 peut être notamment formée sur une puce 130 elle-même collée sur le support 11. FIG. 1 illustrates an example of a stand-alone sensor configured to measure the pressure outside the housing. This sensor typically comprises a housing 10 closed vis-à-vis the outside, comprising a support 11, a cover 12 and a deformable membrane 13 assembled hermetically. The housing 10 typically houses a detector 20 and an antenna 30. The detector 20 is configured to detect a deformation of the membrane 13, and the antenna 30 is configured to transmit data relating to this measurement of deformation. It is also preferably configured to receive energy in the form of radio waves. The support 11 is pierced so as to leave a passage towards the membrane 13. The membrane 13 is attached directly or indirectly to the support 11, typically by gluing. This membrane 13 may in particular be formed on a chip 130 which is itself bonded to the support 11.
Un tel capteur autonome de pression est néanmoins relativement cher et complexe à fabriquer. Ce type de capteur n’est en outre pas adapté pour certaines applications de mesure de pression. Such an autonomous pressure sensor is nevertheless relatively expensive and complex to manufacture. This type of sensor is also not suitable for certain pressure measurement applications.
Des capteurs autonomes de pression peuvent en effet être utilisés dans le domaine automobile, par exemple pour mesurer la pression des pneus ou du liquide de frein dans une phase de freinage. Ils peuvent également être utilisés dans le domaine du bâtiment, par exemple pour mesurer la déformation d’une infrastructure. De tels usages impliquent généralement l’intégration du capteur autonome de pression dans un environnement hostile. Un tel capteur peut ainsi être soumis à des températures et/ou pression élevées, par exemple respectivement de l’ordre de 200°C et/ou 200 atmosphères (atm). Il peut également être noyé dans une matrice, par exemple un matériau de construction, pouvant former un milieu corrosif. Il existe donc également un besoin consistant à réaliser un capteur autonome de pression robuste, présentant une fiabilité améliorée. Autonomous pressure sensors can in fact be used in the automotive field, for example to measure the pressure of the tires or of the brake fluid in a braking phase. They can also be used in the building industry, for example to measure the deformation of an infrastructure. Such uses generally involve the integration of the stand-alone pressure sensor in a hostile environment. Such a sensor can thus be subjected to high temperatures and / or pressure, for example of the order of 200 ° C and / or 200 atmospheres (atm) respectively. It can also be embedded in a matrix, for example a building material, which can form a corrosive medium. There is therefore also a need to provide a robust independent pressure sensor, exhibiting improved reliability.
Un objet de la présente invention est de pallier au moins en partie certains des inconvénients mentionnés ci-dessus. An object of the present invention is to at least partially overcome some of the drawbacks mentioned above.
En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un capteur autonome à membrane déformable limitant le coût et/ou la complexité de fabrication. In particular, an object of the present invention is to provide an autonomous sensor with a deformable membrane limiting the cost and / or the complexity of manufacture.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUMÉ DE L'INVENTION The other objects, features and advantages of the present invention will become apparent on examination of the following description and the accompanying drawings. It is understood that other advantages can be incorporated. SUMMARY OF THE INVENTION
Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l’invention concerne un capteur autonome à membrane déformable comprenant au moins une membrane déformable, un boîtier comprenant au moins une première partie et une deuxième partie assemblées entre elles et configurées pour former une cavité fermée, un détecteur configuré pour détecter une déformation de la membrane déformable, au moins une antenne et un système de communication sans fil associé à ladite au moins une antenne, ledit système de communication sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane en dehors du boîtier, et un système d’alimentation électrique configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur et le système de communication. To achieve this objective, a first aspect of the invention relates to a self-contained sensor with a deformable membrane comprising at least one deformable membrane, a housing comprising at least a first part and a second part assembled together and configured to form a closed cavity, a detector configured to detect a deformation of the deformable membrane, at least one antenna and a wireless communication system associated with said at least one antenna, said wireless communication system being configured to communicate at least one data of deformation of the membrane in outside the housing, and a power supply system configured to power at least one of the detector and the communication system.
Avantageusement, l’une au moins parmi les première et deuxième parties comprend une première zone présentant une épaisseur e1 et une deuxième zone, également appelée zone amincie, présentant une épaisseur e2 telle que e2 < e1, ladite deuxième zone formant l’au moins une membrane du capteur. Advantageously, at least one of the first and second parts comprises a first zone having a thickness e1 and a second zone, also called thinned zone, having a thickness e2 such that e2 <e1, said second zone forming the at least one sensor membrane.
Ainsi, le boîtier étanche comprend un nombre limité d’éléments, en l’espèce les première et deuxième parties. La membrane est formée directement par amincissement d’une zone de l’une au moins parmi lesdites première et deuxième parties. Cela évite de recourir à la fourniture d’une membrane formée à part, puis au montage de cette membrane sur l’une ou l’autre desdites parties. Cela limite le nombre de pièces à assembler. Le coût lié à l’assemblage du boîtier est ainsi diminué. L’assemblage est également simplifié. Une telle architecture simplifiée permet également d’améliorer la fiabilité du capteur, dans la mesure où le nombre de pièces et/ou de zones d’assemblage susceptibles de défaillance diminue. Par ailleurs, lorsque le capteur est soumis à des conditions sévères, par exemple des pressions élevées, le risque de désolidarisation de la membrane par rapport au boîtier est considérablement limité par rapport aux solutions existantes, voire est supprimé. Thus, the waterproof case comprises a limited number of parts, in this case the first and second parts. The membrane is formed directly by thinning an area of at least one of said first and second parts. This avoids having to resort to the supply of a separately formed membrane, then to the mounting of this membrane on one or the other of said parts. This limits the number of parts to be assembled. The cost associated with the assembly of the housing is thus reduced. Assembly is also simplified. Such a simplified architecture also makes it possible to improve the reliability of the sensor, since the number of parts and / or assembly areas susceptible to failure decreases. Furthermore, when the sensor is subjected to severe conditions, for example high pressures, the risk of the membrane becoming detached from the housing is considerably limited compared to existing solutions, or even eliminated.
Un tel capteur, dans lequel la membrane est réalisée directement dans et en continuité avec l’une des parties du boîtier, est particulièrement adapté à la détection de pression ou de déformation en environnement hostile. Such a sensor, in which the membrane is made directly in and in continuity with one of the parts of the housing, is particularly suitable for detecting pressure or deformation in a hostile environment.
La membrane selon l’invention est une zone amincie d’une seule et même partie. La zone amincie signifie qu’elle est plus mince que les portions restantes de ladite partie. La zone amincie présente l’épaisseur e2 tandis que les portions restantes présentent l’épaisseur e1. Ainsi, comme il ressort clairement de la description et des figures, la première zone z1 et la deuxième zone z2 présentent une continuité de matière. Ainsi, elles n'appartiennent pas à deux pièces distinctes fixées ou rapportées l'une sur l'autre. The membrane according to the invention is a thinned zone of one and the same part. The thinned area means that it is thinner than the remaining portions of said part. The thinned zone has the thickness e2 while the remaining portions have the thickness e1. Thus, as is clear from the description and the figures, the first zone z1 and the second zone z2 have continuity of material. Thus, they do not belong to two separate parts fixed or attached to one another.
Ainsi, la partie prise parmi les première et deuxième parties, est exempte d'interface physique ou de discontinuité de matière entre la première zone z1 et la deuxième zone z2. Thus, the part taken from the first and second parts is free of physical interface or material discontinuity between the first zone z1 and the second zone z2.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un système comprenant une matrice et au moins un capteur selon le premier aspect de l’invention. Avantageusement, l’au moins un capteur est noyé dans la matrice. A second aspect of the invention relates to a system comprising a matrix and at least one sensor according to the first aspect of the invention. Advantageously, at least one sensor is embedded in the matrix.
Selon un exemple, le système est un pneu de véhicule comprenant au moins un capteur tel que décrit ci-dessus. Selon un autre exemple, le système forme l’un parmi : un pneu de véhicule, une structure en polymère déformable, par exemple en caoutchouc, une plaquette de frein. According to one example, the system is a vehicle tire comprising at least one sensor as described above. According to another example, the system forms one of: a vehicle tire, a deformable polymer structure, for example rubber, a brake pad.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un capteur autonome à membrane déformable, comprenant : According to another aspect, the invention relates to a method of manufacturing an autonomous sensor with a deformable membrane, comprising:
Une fourniture d’une première partie et d’une deuxième partie, A supply of a first part and a second part,
Un amincissement d’une portion seulement de l’une parmi la première et la deuxième partie, de sorte que ladite première partie ou ladite deuxième partie présente une première zone z1 d’épaisseur e1 et une deuxième zone z2 amincie d’épaisseur e2, avec e2 < e1, ladite deuxième zone z2 formant l’au moins une membrane du capteur, A thinning of only a portion of one of the first and the second part, so that said first part or said second part has a first zone z1 of thickness e1 and a second thinned zone z2 of thickness e2, with e2 <e1, said second zone z2 forming at least one membrane of the sensor,
Une fourniture d’un détecteur configuré pour détecter une déformation de la membrane déformable, A supply of a detector configured to detect a deformation of the deformable membrane,
Une fourniture d’au moins une antenne et d’un système de communication sans fil associé à ladite au moins une antenne, ledit système de communication sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane, et un système d’alimentation électrique configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur et le système de communication, A provision of at least one antenna and a wireless communication system associated with said at least one antenna, said wireless communication system being configured to communicate at least one piece of membrane deformation data, and a system of power supply configured to power at least one of the detector and the communication system,
Un assemblage des première et deuxième parties de façon à former un boîtier présentant une cavité fermée accueillant ledit détecteur, ladite au moins une antenne et le système de communication sans fil, et le système d’alimentation électrique. An assembly of the first and second parts so as to form a housing having a closed cavity accommodating said detector, said at least one antenna and the wireless communication system, and the power supply system.
Ainsi, la différence des épaisseurs e1 et e2 des première zone z1 et deuxième zone z2 est obtenue par amincissement de l’une parmi la première et la deuxième partie. Cette différence n’est pas obtenue par assemblage de deux pièces présentant des épaisseurs différentes. L’amincissement peut être effectué mécaniquement, par rognage par exemple, à partir d’un capot d’épaisseur constante. L’amincissement peut également être réalisé directement lors d’un moulage du capot par exemple. La zone amincie du capot présente dans tous les cas une continuité de matière avec les autres zones du capot, non amincies. Thus, the difference in the thicknesses e1 and e2 of the first zone z1 and second zone z2 is obtained by thinning of one of the first and the second part. This difference is not obtained by assembling two parts with thicknesses different. The thinning can be carried out mechanically, by trimming for example, from a cover of constant thickness. Thinning can also be carried out directly during molding of the cover, for example. The thinned area of the cover has in all cases a continuity of material with the other areas of the cover, not thinned.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : The aims, objects, as well as the characteristics and advantages of the invention will become more apparent from the detailed description of an embodiment thereof which is illustrated by the following accompanying drawings in which:
La figure 1 illustre en coupe une architecture connue de capteur autonome à membrane. FIG. 1 illustrates in section a known architecture of an autonomous membrane sensor.
La figure 2 illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un mode de réalisation de la présente invention. FIG. 2 illustrates in section a self-contained membrane sensor according to an embodiment of the present invention.
La figure 3 illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention. FIG. 3 illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
La figure 4A illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention. FIG. 4A illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
La figure 4B illustre en perspective le capteur autonome à membrane illustré à la figure 4A. FIG. 4B illustrates in perspective the autonomous membrane sensor illustrated in FIG. 4A.
La figure 5A illustre en coupe un capteur autonome à membrane selon un autre mode de réalisation de la présente invention. FIG. 5A illustrates in section a self-contained membrane sensor according to another embodiment of the present invention.
La figure 5B illustre en perspective un capteur autonome à membrane du type illustré à la figure 5A, selon un mode de réalisation de la présente invention. FIG. 5B illustrates in perspective an autonomous membrane sensor of the type illustrated in FIG. 5A, according to an embodiment of the present invention.
La figure 5C illustre en vue filaire un capteur autonome à membrane du type illustré à la figure 5B, selon un mode de réalisation de la présente invention. FIG. 5C illustrates in wire view an autonomous membrane sensor of the type illustrated in FIG. 5B, according to an embodiment of the present invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des différents éléments du capteur (par exemple capot, support, membrane, antenne, détecteur, etc) ne sont pas représentatives de la réalité. The drawings are given by way of example and are not limiting of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily on the scale of practical applications. In particular, the relative dimensions of the various elements of the sensor (for example cover, support, membrane, antenna, detector, etc.) are not representative of reality.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, il est rappelé que l’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement : Before starting a detailed review of embodiments of the invention, it is recalled that the invention according to its first aspect comprises in particular the optional features below which can be used in combination or alternatively:
Selon un exemple, l’épaisseur e2 de la deuxième zone est au moins cinq fois inférieure à l’épaisseur e1 de la première zone. According to one example, the thickness e2 of the second zone is at least five times less than the thickness e1 of the first zone.
Selon un exemple, la première zone est adjacente à la deuxième zone. Selon un exemple, la première zone entoure, de préférence entièrement, la deuxième zone. Selon un exemple, la première zone s’étend sur tout le pourtour de la deuxième zone. According to one example, the first zone is adjacent to the second zone. According to one example, the first zone surrounds, preferably entirely, the second zone. According to one example, the first zone extends around the entire periphery of the second zone.
Ladite deuxième zone forme à elle seule l’au moins une membrane. Said second zone alone forms at least one membrane.
Selon un exemple, le boîtier est entièrement formé par la première partie et la deuxième partie. According to one example, the case is entirely formed by the first part and the second part.
Selon un exemple, le système d’alimentation et le détecteur sont situés dans la cavité, en dehors de la deuxième zone. Ainsi, ces éléments ne sont pas au contact de la membrane. Plus précisément, ils ne sont pas au contact de la face interne de la membrane. According to one example, the power system and the detector are located in the cavity, outside the second zone. Thus, these elements are not in contact with the membrane. More precisely, they are not in contact with the internal face of the membrane.
Selon un exemple, le capteur comprend l’antenne. L’antenne est située à l’intérieur ou à l’extérieur de la cavité. According to one example, the sensor includes the antenna. The antenna is located inside or outside the cavity.
Selon un exemple, le détecteur est situé en regard de la deuxième zone. Par exemple, le détecteur est situé sur une droite passant par la membrane et perpendiculaire au plan dans lequel s’étend principalement la face interne de la membrane. According to one example, the detector is located opposite the second zone. For example, the detector is located on a straight line passing through the membrane and perpendicular to the plane in which mainly extends the internal face of the membrane.
Selon un exemple, l’au moins une antenne est située en dehors de la deuxième zone. According to one example, at least one antenna is located outside the second zone.
Selon un exemple, les première et deuxième zones présentent respectivement des première et deuxième surfaces S1, S2 telles que S2 £ 0,5 S1. According to one example, the first and second zones respectively have first and second surfaces S1, S2 such as S2 £ 0.5 S1.
Selon un exemple, la deuxième zone comprend un élément en saillie d’un côté opposé à la cavité, dirigé vers une zone extérieure au boîtier. According to one example, the second zone comprises an element projecting from a side opposite the cavity, directed towards a zone external to the housing.
Selon un exemple, la deuxième zone supporte au moins l’un parmi un élément capacitif, piézo-résistif, ou piézo-électrique. Selon un mode de réalisation, l’élément capacitif, piézo-résistif, ou piézo-électrique est rapporté sur la deuxième zone. According to one example, the second zone supports at least one of a capacitive, piezo-resistive, or piezoelectric element. According to one embodiment, the capacitive, piezo-resistive or piezoelectric element is attached to the second zone.
Selon un exemple, le détecteur est configuré pour coopérer avec ledit au moins un élément capacitif, piézo-résistif, ou piézo-électrique. According to one example, the detector is configured to cooperate with said at least one capacitive, piezo-resistive or piezoelectric element.
Selon un exemple, le capteur comprend une pluralité de membranes disposées sur l’une parmi la première et la deuxième parties. De préférence, le capteur comprend un détecteur configuré pour détecter une déformation de chacune des membranes. Le détecteur peut être commun à toutes ou plusieurs des membranes. Alternativement, le capteur peut comprendre un unique détecteur par membrane. Selon un premier mode de réalisation, cela permet de capter plusieurs paramètres. Selon un autre mode de réalisation, cette pluralité de membranes permet d’introduire une redondance dans la détection, ce qui améliore la fiabilité générale du capteur. According to one example, the sensor comprises a plurality of membranes arranged on one of the first and the second parts. Preferably, the sensor comprises a detector configured to detect a deformation of each of the membranes. The detector can be common to all or more of the membranes. Alternatively, the sensor can comprise a single detector per membrane. According to a first mode of realization, this makes it possible to capture several parameters. According to another embodiment, this plurality of membranes makes it possible to introduce redundancy in the detection, which improves the general reliability of the sensor.
Selon un exemple, les première et deuxième parties comprennent chacune au moins une deuxième zone formant une membrane déformable. According to one example, the first and second parts each comprise at least one second zone forming a deformable membrane.
Selon un exemple, la membrane de la première partie est située en regard de la membrane de la deuxième partie. Selon un exemple, la cavité est située entre la membrane de la première partie et la membrane de la deuxième partie. According to one example, the membrane of the first part is located opposite the membrane of the second part. According to one example, the cavity is located between the membrane of the first part and the membrane of the second part.
Selon un exemple, la cavité est vide à l’exception des composants. Ainsi, un vide est créé à l’intérieur de la cavité avant d’être rendue étanche. Cela permet par exemple une meilleure résistance du capteur dans un environnement où la température est élevée. Alternativement, la cavité est remplie d’un gaz avant d’être rendue étanche. Ce gaz est de préférence un gaz neutre. In one example, the cavity is empty except for the components. Thus, a vacuum is created inside the cavity before it is sealed. This allows for example a better resistance of the sensor in an environment where the temperature is high. Alternatively, the cavity is filled with gas before being sealed. This gas is preferably a neutral gas.
Selon un exemple, l’une au moins parmi les première et deuxième parties est en silicium. In one example, at least one of the first and second parts is silicon.
L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement : The invention according to its second aspect comprises in particular the optional characteristics below which can be used in combination or alternatively:
Selon un exemple, la matrice est en un matériau pris parmi un polymère, un géopolymère, un matériau composite, un alliage métallique, une céramique. According to one example, the matrix is made of a material taken from a polymer, a geopolymer, a composite material, a metal alloy, a ceramic.
Sauf incompatibilité technique, il est entendu que le dispositif, le procédé de fabrication, et le système peuvent comprendre, mutatis mutandis, l’ensemble des caractéristiques optionnelles ci-dessus. Unless there is a technical incompatibility, it is understood that the device, the manufacturing process, and the system may include, mutatis mutandis, all of the above optional characteristics.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par cavité « étanche » une cavité close empêchant ou limitant les échanges de fluide avec le milieu extérieur à ladite cavité. Le terme « hermétique » peut être employé en synonyme. Ces qualificatifs appliqués à un boîtier de capteur comprenant une cavité s’entendent dans des conditions d’utilisation normales et/ou aux tolérances de fabrication près. Une cavité fermée n’est pas nécessairement étanche. Une cavité fermée empêche au moins l’introduction d’objets ou de particules de petites tailles. In the context of the present invention, the term “sealed” cavity is understood to mean a closed cavity preventing or limiting the exchange of fluid with the environment outside said cavity. The term "hermetic" can be used synonymously. These qualifiers applied to a sensor housing including a cavity are understood under normal conditions of use and / or within manufacturing tolerances. A closed cavity is not necessarily waterproof. A closed cavity at least prevents the introduction of small objects or particles.
Par membrane déformable, on entend une membrane apte à se déformer de manière élastique. A l’opposé la partie du boîtier formant un support ou un cadre supportant la membrane est rigide. Ce support ou ce cadre présente une aptitude à se déformer bien inférieure à celle de la membrane. La flexibilité de la membrane est obtenue principalement par sa faible épaisseur. On a ainsi un ratio supérieur à 20 voire à 50 et même 100 entre l’épaisseur de la membrane (typiquement de l’ordre du micron) et l’épaisseur du cadre (typiquement de l’ordre de l’épaisseur d’une tranche de silicium soit de l’ordre de 500 ou 750 microns). By deformable membrane is meant a membrane capable of being elastically deformed. In contrast, the part of the housing forming a support or a frame supporting the membrane is rigid. This support or this frame has an ability to deform much lower than that of the membrane. The flexibility of the membrane is obtained mainly by its low thickness. We thus have a ratio greater than 20 or even 50 and even 100 between the thickness of the membrane (typically of the order of a micron) and the thickness of the frame (typically of the order of the thickness of a silicon wafer or of the order of 500 or 750 microns).
Plus généralement, on entend par un élément « déformable » une capacité de cet élément à se déformer élastiquement sous l’action d’une pression. Cette propriété est en particulier caractérisée par son module d’Young. Ainsi, une membrane à base de silicium présente par exemple un module d’Young compris entre 130 et 185 GPa (Gigapascals). Une telle membrane peut se déformer lorsqu’elle est soumise à des pressions de l’ordre de quelques atmosphères à quelques centaines d’atmosphères. Une membrane déformable peut éventuellement présenter d’autres propriétés ou fonctionnalités, en plus de ses capacités de déformation. La membrane n’est pas limitée à une membrane à base de silicium. Elle peut être par exemple à base de céramique ou d’acier inox. More generally, a "deformable" element is understood to mean an ability of this element to deform elastically under the action of pressure. This property is in particular characterized by its Young modulus. Thus, a silicon-based membrane has, for example, a Young's modulus of between 130 and 185 GPa (Gigapascals). Such a membrane can deform when subjected to pressures in the range of a few atmospheres to a few hundred atmospheres. A deformable membrane can optionally have other properties or functionalities, in addition to its deformation capacities. The membrane is not limited to a silicon-based membrane. It may for example be based on ceramic or stainless steel.
Dans la présente demande, des valeurs de pressions sont mentionnées. La ou les unités de pression associées à ces valeurs ne sont pas nécessairement le pascal (symbole Pa) du système d’unités international. Les valeurs de pression peuvent être exprimées, de façon connue et usuelle pour l’homme du métier, en bars, en atmosphères. Un bar équivaut à 1 bar = 105 Pa. Une atmosphère (symbole atm) équivaut à 1 atm = 101 325 Pa. In the present application, pressure values are mentioned. The pressure unit (s) associated with these values are not necessarily the pascal (symbol Pa) of the international system of units. The pressure values can be expressed, in a manner known and customary to those skilled in the art, in bars or in atmospheres. One bar is equivalent to 1 bar = 10 5 Pa. One atmosphere (symbol atm) is equivalent to 1 atm = 101 325 Pa.
On entend par un substrat, un film, une membrane ou un capot « à base » d’un matériau M, un substrat, un film, une membrane ou un capot comprenant ce matériau M uniquement ou ce matériau M et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments d’alliage, des impuretés ou des éléments dopants. Ainsi, une membrane en un matériau à base de silicium peut par exemple être une partie mince d’un substrat en silicium ou une structure plus complexe intégrant une partie en silicium associée à une ou plusieurs autres couches minces. Le cas échéant, le matériau M peut présenter différentes stœchiométries et/ou structures cristallographiques. By a substrate, a film, a membrane or a cover "based" on a material M is meant a substrate, a film, a membrane or a cover comprising this material M only or this material M and possibly other materials. , for example alloying elements, impurities or doping elements. Thus, a membrane made of a silicon-based material can for example be a thin part of a silicon substrate or a more complex structure incorporating a silicon part associated with one or more other thin layers. Where appropriate, the material M can exhibit different stoichiometries and / or crystallographic structures.
Dans la présente demande de brevet, les première, deuxième et troisième directions correspondent respectivement aux directions portées par les axes x, y, z d’un repère de préférence orthonormé. Ce repère est représenté sur les figures annexées. In the present patent application, the first, second and third directions correspond respectively to the directions carried by the x, y, z axes of a preferably orthonormal coordinate system. This mark is shown in the appended figures.
Dans la suite, la longueur est prise selon la première direction x, la largeur est prise selon la deuxième direction y, et l’épaisseur est prise selon la troisième direction z. In the following, the length is taken in the first direction x, the width is taken in the second direction y, and the thickness is taken in the third direction z.
On entend par une partie « amincie » d’un élément une partie de cet élément présentant une épaisseur inférieure aux épaisseurs des parties de cet élément environnant ladite partie amincie. Une partie peut être amincie a posteriori, par une étape d’amincissement ou d’usinage par exemple, ou a priori, c’est-à-dire directement lors de la formation, par moulage par exemple. Une membrane à base de silicium peut typiquement être formée par amincissement localisé d’un substrat en silicium. Cet amincissement localisé peut être effectué par plasma, ce qui forme typiquement des parois verticales autour de la membrane, tel qu’illustré à la figure 2. Alternativement, cet amincissement localisé peut être effectué par gravure humide, par exemple à base d’une solution de KOH (hydroxyde de potassium) ou de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium), ce qui forme typiquement des parois inclinées autour de la membrane, tel qu’illustré à la figure 3. By a “thinned” part of an element is meant a part of this element having a thickness less than the thicknesses of the parts of this element surrounding said thinned part. A part can be thinned a posteriori, by a thinning or machining step for example, or a priori, that is to say directly during the formation, by molding for example. A silicon-based membrane can typically be formed by localized thinning of a silicon substrate. This localized thinning can be carried out by plasma, which typically forms vertical walls around the membrane, as illustrated in FIG. 2. Alternatively, this localized thinning can be carried out by wet etching, for example based on a solution. of KOH (potassium hydroxide) or TMAH (tetramethylammonium hydroxide), which typically forms sloping walls around the membrane, as shown in Figure 3.
La membrane présente une face interne tournée vers l’intérieur du boîtier et une face externe, opposée à la face interne et tournée vers l’extérieur du boîtier. Selon un exemple, la face interne s’étend principalement selon un premier plan parallèle au plan xy. Selon un exemple, la face externe s’étend principalement selon un deuxième plan, également parallèle au plan xy. L’épaisseur de la membrane est mesurée selon une direction z perpendiculaire au premier et au deuxième plan. L’épaisseur e1 de la première zone Zi et l’épaisseur e2 de la deuxième zone z2sont mesurées selon la direction z. The membrane has an internal face turned towards the inside of the case and an external face, opposite to the internal face and turned towards the outside of the case. According to one example, the internal face extends mainly along a first plane parallel to the xy plane. According to one example, the outer face extends mainly along a second plane, also parallel to the xy plane. The thickness of the membrane is measured in a z direction perpendicular to the first and second planes. The thickness e1 of the first zone Zi and the thickness e2 of the second zone z 2 are measured in the direction z.
Selon un exemple préféré, l’épaisseur e2 de la membrane est de préférence sensiblement constante sur toute la zone z2. Selon une possibilité, cette épaisseur peut varier sur la zone z2 de membrane. La membrane peut par exemple être plus fine en son centre et plus épaisse en sa périphérie. Dans ce cas, l’épaisseur e2 est une épaisseur moyenne, si la variation d’épaisseur n’excède pas un facteur 2. Alternativement, pour des variations d’épaisseur plus importante, l’épaisseur e2 est l’épaisseur minimale de la membrane. According to a preferred example, the thickness e2 of the membrane is preferably substantially constant over the entire zone z2. According to one possibility, this thickness can vary over the membrane zone z2. The membrane may for example be thinner at its center and thicker at its periphery. In this case, the thickness e2 is an average thickness, if the variation in thickness does not exceed a factor 2. Alternatively, for greater variations in thickness, the thickness e2 is the minimum thickness of the membrane .
Selon un exemple préféré, l’épaisseur e1 est une épaisseur moyenne, si la variation d’épaisseur de la zone z1 n’excède pas un facteur 2. Alternativement, pour des variations d’épaisseur plus importante, l’épaisseur e1 est l’épaisseur minimale de la zone 1 According to a preferred example, the thickness e1 is an average thickness, if the variation in thickness of the zone z1 does not exceed a factor 2. Alternatively, for greater variations in thickness, the thickness e1 is the minimum thickness of zone 1
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près » ou, lorsqu'il s'agit d'une orientation angulaire, « à 10° près ». Ainsi, une direction sensiblement normale à un plan signifie une direction présentant un angle de 90±10° par rapport au plan. The terms “substantially”, “approximately”, “of the order of” mean “within 10%” or, in the case of an angular orientation, “within 10 °”. Thus, a direction substantially normal to a plane means a direction having an angle of 90 ± 10 ° with respect to the plane.
Selon l’invention, le boîtier comprend typiquement deux parties assemblées entre elles. Ces deux parties sont plus précisément désignées « support » et « capot » dans la suite. La membrane du capteur selon l’invention est formée dans l’une au moins de ces parties et est délimitée par une zone d’épaisseur e2 plus mince que le reste de la partie considérée, c’est-à-dire le support ou le capot, selon le cas. Cette zone amincie est repérée « z2 » sur les figures d’accompagnement. Dans la suite, par souci de concision, on se référera plus simplement à la « membrane ». According to the invention, the housing typically comprises two parts assembled together. These two parts are more precisely designated “support” and “cover” in the following. The membrane of the sensor according to the invention is formed in at least one of these parts and is delimited by a zone of thickness e2 thinner than the rest of the part considered, that is to say the support or the hood, as appropriate. This thinned area is marked "z 2 " in the accompanying figures. In the following, for the sake of brevity, reference will be made more simply to the “membrane”.
L’invention va maintenant être décrite en détail au travers de quelques modes de réalisation non limitatifs. The invention will now be described in detail through a few non-limiting embodiments.
En référence à la figure 2, un premier mode de réalisation d’un capteur à membrane comprend un boîtier 10 formé par au moins deux parties. Dans l’exemple illustré, le boîtierReferring to Figure 2, a first embodiment of a membrane sensor comprises a housing 10 formed by at least two parts. In the example shown, the box
10 est formé par un support 11 et un capot 12 assemblés entre eux. Ce boîtier 10 forme une cavité 100 comprenant des moyens de détection et/ou de communication et/ou d’alimentation. Les moyens de détection, typiquement un détecteur 20, sont configurés pour coopérer avec une membrane 13 formée directement dans le capot 12. Les moyens de communication, par exemple un module ou système de communication 21 comprenant un émetteur-récepteur associé à une antenne 30, sont configurés pour émettre et/ou recevoir des signaux à destination de ou en provenance d’un élément extérieur au capteur, c’est-à-dire en dehors du boîtier 10. 10 is formed by a support 11 and a cover 12 assembled together. This housing 10 forms a cavity 100 comprising detection and / or communication and / or power supply means. The detection means, typically a detector 20, are configured to cooperate with a membrane 13 formed directly in the cover 12. The communication means, for example a communication module or system 21 comprising a transceiver associated with an antenna 30, are configured to emit and / or receive signals to or from an element external to the sensor, i.e. outside the housing 10.
Les moyens d’alimentation en énergie du capteur, par exemple un module ou système d’alimentation électrique, sont configurés pour alimenter le capteur directement à partir de son environnement, par récupération d'énergie par exemple, ou par une liaison radio. Ainsi le capteur est de préférence un capteur autonome en énergie. Alternativement, on peut prévoir que le capteur soit alimenté en énergie par une batterie intégrée dans le boîtier 10. The means for supplying energy to the sensor, for example an electrical supply module or system, are configured to supply the sensor directly from its environment, by energy recovery for example, or by a radio link. Thus the sensor is preferably an energy independent sensor. Alternatively, provision can be made for the sensor to be supplied with energy by a battery integrated in the housing 10.
Le boîtier 10 est fermé. Il est de préférence étanche. Selon un exemple, un vide est créé dans la cavité 10. Cela permet par exemple une meilleure résistance du capteur dans un environnement où la température est élevée. Cela permet également, pour un capteur de pression, de mesurer la pression de façon absolue ou quasi-absolue, par rapport au vide créé dans la cavité. Alternativement, la cavité 100 est remplie d’un gaz avant d’être rendue étanche. Ce gaz est de préférence un gaz neutre. Housing 10 is closed. It is preferably waterproof. According to one example, a vacuum is created in the cavity 10. This allows for example better resistance of the sensor in an environment where the temperature is high. This also makes it possible, for a pressure sensor, to measure the pressure in an absolute or quasi-absolute manner, with respect to the vacuum created in the cavity. Alternatively, the cavity 100 is filled with a gas before being sealed. This gas is preferably a neutral gas.
L’assemblage du boîtier 10 peut se faire par collage, frittage, thermocompression ou scellement par thermocompression ou brasage du capot 12 sur le support 11 au niveau des interfaces 121. Les interfaces 121 peuvent donc se présenter sous forme d’une soudure, d’une brasure, d’une colle ou d’une partie frittée, intermédiaire entre le supportThe assembly of the housing 10 can be done by gluing, sintering, thermocompression or sealing by thermocompression or soldering of the cover 12 on the support 11 at the level of the interfaces 121. The interfaces 121 can therefore be in the form of a weld, of a solder, an adhesive or a sintered part, intermediate between the support
11 et le capot 12. Cet assemblage peut se faire en respectant des normes ou des directives associées au niveau de sensibilité à l’humidité MSL (acronyme de Moisture Sensitive Level) des composants (par exemple détecteur 20, émetteur-récepteur 21) situés dans la cavité 100. Les dimensions du boîtier sont de préférence inférieures à 10 cm, et plus préférentiellement inférieures à 5 cm, en longueur, en largeur et en hauteur, respectivement selon x, y et z. Le boîtier peut par exemple présenter une longueur selon x de l’ordre de 2 cm, une largeur selon y de l’ordre de 1,5 cm et une hauteur selon z de l’ordre de 1 mm à 2 mm, par exemple environ 1,5 mm - ce qui correspond au scellement de deux plaques (wafer en anglais) ou substrats de silicium, capot et support, de 750 pm d’épaisseur. Le boîtier 10 peut présenter différentes formes, par exemple sous forme de polyèdre ou de cylindre. Le boîtier 10 permet de protéger les composants 20, 21, 30 situés à l’intérieur de la cavité 100. Il comprend essentiellement deux parties 11, 12 assemblées entre elles au niveau des interfaces 121. Le nombre d’interfaces est ainsi limité. Cela permet de minimiser les zones de faiblesse liées à l’assemblage. Le boîtier 10 présente dès lors une résistance mécanique et/ou une résistance à la corrosion améliorée. Le coût de l’assemblage est en outre ainsi réduit. 11 and the cover 12. This assembly can be done by respecting standards or directives associated with the level of sensitivity to humidity MSL (acronym for Moisture Sensitive Level) of the components (for example detector 20, transceiver 21) located in the cavity 100. The dimensions of the housing are preferably less than 10 cm, and more preferably less than 5 cm, in length, width and height, respectively according to x, y and z. The case may for example have a length along x of the order of 2 cm, a width along y of the order of 1.5 cm and a height along z of the order of 1 mm to 2 mm, for example approximately 1.5 mm - which corresponds to the sealing of two wafers or silicon substrates, cover and support, 750 μm thick. The housing 10 can have different shapes, for example in the form of a polyhedron or a cylinder. The housing 10 makes it possible to protect the components 20, 21, 30 located inside the cavity 100. It essentially comprises two parts 11, 12 assembled together at the level of the interfaces 121. The number of interfaces is thus limited. This makes it possible to minimize the areas of weakness linked to the assembly. The housing 10 therefore has improved mechanical strength and / or corrosion resistance. The cost of assembly is thus further reduced.
Le support 11 peut typiquement être un substrat à base de silicium. Cela permet d’intégrer facilement sur ce support 11 des moyens de détection et/ou de communication sous forme de puce par des technologies de la microélectronique. Alternativement, le support 11 peut être à base d’un matériau pris parmi : un métal, une céramique, ou du verre. Le boîtier, de préférence le support 11 présente une face 110 en regard de la cavité 100. Les différents moyens de détection (détecteur 20) et/ou de communication (émetteur-récepteur 21, antenne 30) et/ou d’alimentation (antenne 30) se présentent de préférence sous forme de composants 20, 21 , 22, 30 reportés sur cette face 110. La face 110 comprend de préférence des régions électriquement conductrices de manière à relier électriquement plusieurs composants entre eux. Comme illustré à la figure 2, l’antenne 30 peut être reliée électriquement au fil de connexion B2 par l’intermédiaire de la face 110 du support 11. La connexion électrique des différents composants 20, 21, 30 entre eux peut se faire par l’intermédiaire de fils de connexion B1, B2, ou de pistes conductrices directement déposées sur la face 110, ou d’une combinaison de fils et de pistes. The support 11 can typically be a silicon-based substrate. This makes it possible to easily integrate on this support 11 detection and / or communication means in the form of a chip by microelectronic technologies. Alternatively, the support 11 can be based on a material taken from: a metal, a ceramic, or glass. The housing, preferably the support 11 has a face 110 facing the cavity 100. The different detection (detector 20) and / or communication (transceiver 21, antenna 30) and / or supply (antenna) means 30) are preferably in the form of components 20, 21, 22, 30 transferred to this face 110. The face 110 preferably comprises electrically conductive regions so as to electrically connect several components together. As illustrated in Figure 2, the antenna 30 can be electrically connected to the connection wire B2 through the face 110 of the support 11. The electrical connection of the various components 20, 21, 30 between them can be made by the 'intermediate connection son B1, B2, or conductive tracks directly deposited on the face 110, or a combination of son and tracks.
Dans ce mode de réalisation, les composants 20, 21, 22, 30 sont disposés sur le support 11 ce qui améliore la robustesse du capteur et facilite les étapes de fabrication et d’assemblage. En particulier, toutes les connections électroniques peuvent être réalisées sur une même partie du boîtier 10. Alternativement, tous ou certains des composants 20, 21 , 22, 30 peuvent être disposés sur le capot 12 plutôt que sur le support 11. In this embodiment, the components 20, 21, 22, 30 are arranged on the support 11 which improves the robustness of the sensor and facilitates the manufacturing and assembly steps. In particular, all the electronic connections can be made on the same part of the housing 10. Alternatively, all or some of the components 20, 21, 22, 30 can be arranged on the cover 12 rather than on the support 11.
Le capot 12 peut typiquement être à base d’un matériau pris parmi : un métal ou un alliage métallique, un plastique, une céramique, un verre. Sur cet exemple de la figure 2, le capot 12 comprend la membrane déformable 13. Ainsi, le capot 12 intègre directement un élément de détection du capteur. Le capot 12 permet donc de protéger le capteur tout en contribuant à la fonction de détection du capteur. Le capot 12 est ainsi fonctionnalisé. Le matériau du capot 12 est de préférence choisi en fonction de ses propriétés mécaniques. Le capot 12 peut présenter une épaisseur e1 de quelques centaines de microns à quelques dizaines de millimètres. The cover 12 can typically be based on a material taken from: a metal or a metal alloy, a plastic, a ceramic, a glass. In this example of FIG. 2, the cover 12 comprises the deformable membrane 13. Thus, the cover 12 directly integrates a sensor detection element. The cover 12 therefore makes it possible to protect the sensor while contributing to the detection function of the sensor. The cover 12 is thus functionalized. The material of the cover 12 is preferably chosen as a function of its mechanical properties. The cover 12 may have a thickness e1 of a few hundred microns to a few tens of millimeters.
Pour des applications de détection standard par exemple, le capot 12 peut être en un matériau plastique chargé en fibres de silice ou de carbone. Cela permet d’obtenir à la fois une bonne capacité de déformation de la membrane 13 selon z et une résistance mécanique suffisante pour protéger les composants 20, 21, 30 dans la cavité 100. Un tel capot 12 et sa membrane 13 en plastique composite peut être facilement mis en forme par moulage ou extrusion. Son coût de fabrication est relativement réduit. For standard detection applications, for example, the cover 12 can be made of a plastic material loaded with silica or carbon fibers. This makes it possible to obtain both a good deformation capacity of the membrane 13 along z and a sufficient mechanical strength to protect the components 20, 21, 30 in the cavity 100. Such a cover 12 and its membrane 13 made of composite plastic can be obtained. be easily shaped by molding or extrusion. Its manufacturing cost is relatively low.
Pour des applications de détection en environnement hostile, d’autres boîtiers 10 hermétiques à base de métal/verre ou de céramiques peuvent être utilisés. De tels boîtiers supportent avantageusement des conditions de température et de pression élevées, et/ou des environnements corrosifs. Les techniques d’assemblage de ces boîtiers, mettant par exemple en œuvre des alliages de type Kovar ou des pâtes vitreuses, sont connues de l’homme du métier. De tels boîtiers sont généralement usinés. Un usinage du capot 12 peut notamment être effectué pour amincir la partie du capot 12 formant la membrane 13. For detection applications in a hostile environment, other hermetic housings made from metal / glass or ceramics can be used. Such housings advantageously withstand high temperature and pressure conditions, and / or corrosive environments. The techniques for assembling these housings, for example using Kovar type alloys or vitreous pastes, are known to those skilled in the art. Such housings are generally machined. Machining of the cover 12 can in particular be carried out to thin the part of the cover 12 forming the membrane 13.
De façon générale, le capot 12 est de préférence configuré pour présenter une déformabilité suffisante au niveau de la membrane 13, et une faible déformabilité en dehors de la membrane, par exemple inférieure d’un facteur 10 à celle de la membrane 13. In general, the cover 12 is preferably configured to have sufficient deformability at the level of the membrane 13, and low deformability outside the membrane, for example less by a factor of 10 than that of the membrane 13.
Dans ce mode de réalisation, la membrane 13 est directement formée dans le capot 12. Le matériau de la membrane 13 est donc identique à celui du capot 12. Elle se présente sous forme d’une zone z2 définie par une partie amincie du capot 12, d’épaisseur e2. Ainsi, la partie de boîtier 10 intégrant la membrane 13, le capot 12 dans ce mode de réalisation, présente au moins une première zone z1 présentant une épaisseur e1 et une deuxième zone z2 présentant une épaisseur e2 inférieure à z1. In this embodiment, the membrane 13 is directly formed in the cover 12. The material of the membrane 13 is therefore identical to that of the cover 12. It is in the form of a zone z2 defined by a thinned part of the cover 12. , of thickness e2. Thus, the housing part 10 integrating the membrane 13, the cover 12 in this embodiment, has at least a first zone z1 having a thickness e1 and a second zone z2 having a thickness e2 less than z1.
Le rapport d’épaisseurs e1/e2 peut être supérieur à 3, de préférence supérieur ou égal à 5. Cela permet d’augmenter la déformabilité de la membrane 13 vis-à-vis de celle du capot 12. The thickness ratio e1 / e2 can be greater than 3, preferably greater than or equal to 5. This increases the deformability of the membrane 13 with respect to that of the cover 12.
La membrane 13 peut présenter une épaisseur e2 uniforme. La variation d’épaisseur entre la membrane 13 et le reste du capot 12 se fait dès lors de façon brusque. Cela permet de bien délimiter la zone de déformation. Cela permet par exemple d’optimiser la détection piézo-électrique des contraintes appliquées à la membrane. Selon une possibilité alternative, cette variation d’épaisseur se fait de façon plus ou moins continue. La face externe 132 de la membrane 13 présente typiquement, en projection dans le plan xy, une surface S2 inférieure à la surface S1 (en projection dans le plan xy) des parties non amincies du capot 12. The membrane 13 can have a uniform thickness e2. The variation in thickness between the membrane 13 and the rest of the cover 12 therefore takes place abruptly. This makes it possible to clearly delimit the deformation zone. This makes it possible, for example, to optimize the piezoelectric detection of the stresses applied to the membrane. According to an alternative possibility, this variation in thickness takes place more or less keep on going. The external face 132 of the membrane 13 typically has, in projection in the xy plane, a surface S2 less than the surface S1 (in projection in the xy plane) of the unthinned parts of the cover 12.
De préférence le capot 12 présente une épaisseur sensiblement uniforme dans toute la première zone z1 à l’exception de la deuxième zone z2 formant la membrane 13. L’épaisseur e1 ou e2 en un point de la surface du boîtier 10 est mesurée selon une direction perpendiculaire à la tangente au point considéré. Preferably the cover 12 has a substantially uniform thickness throughout the first zone z1 with the exception of the second zone z2 forming the membrane 13. The thickness e1 or e2 at a point on the surface of the housing 10 is measured in one direction. perpendicular to the tangent at the point considered.
La membrane 13 peut être en partie recouverte par une couche fonctionnelle. Dans l’exemple illustré à la figure 2, la membrane 13 est revêtue sur sa face interne 130 par une couche métallique 131 (non visible). En disposant le détecteur 20 en regard de la membrane 13, celui-ci peut notamment détecter une variation de capacité induite par la déformation de la membrane 13. The membrane 13 can be partly covered by a functional layer. In the example illustrated in Figure 2, the membrane 13 is coated on its inner face 130 with a metal layer 131 (not visible). By placing the detector 20 facing the membrane 13, the latter can in particular detect a variation in capacitance induced by the deformation of the membrane 13.
Dans cet exemple, le détecteur 20 est configuré pour détecter une variation de capacité entre la face 130 de la membrane et une face supérieure 201 du détecteur 20. La capacité varie notamment lorsque la distance entre lesdites faces 130, 201 varie. Cela permet in fine de mesurer une pression exercée sur la membrane 13. Le détecteur 20 peut être associé à un module de traitement du signal (non illustré), un module d’alimentation (non illustré), un émetteur-récepteur 21. In this example, the detector 20 is configured to detect a variation in capacitance between the face 130 of the membrane and an upper face 201 of the detector 20. The capacitance varies in particular when the distance between said faces 130, 201 varies. This ultimately makes it possible to measure a pressure exerted on the membrane 13. The detector 20 can be associated with a signal processing module (not illustrated), a power supply module (not illustrated), a transceiver 21.
Comme mentionné brièvement ci-dessus, le capteur autonome comprend de préférence, outre le détecteur 20, au moins un système d’alimentation 22 et un système de communication 21 sans fil (émetteur-récepteur et antenne 30). L’antenne 30 peut être réalisée par lithographie ou sérigraphie ou par impression jet d’encre métallique par exemple. Elle peut présenter différentes formes connues prises parmi un cercle, une spirale, une croix, une forme en H, etc. As briefly mentioned above, the autonomous sensor preferably comprises, in addition to the detector 20, at least one power system 22 and a wireless communication system 21 (transceiver and antenna 30). The antenna 30 can be produced by lithography or screen printing or by metallic inkjet printing, for example. It can have different known shapes taken from a circle, a spiral, a cross, an H shape, etc.
D’autres modes de réalisation du capteur selon l’invention peuvent être envisagés. Seules les caractéristiques distinctes du premier mode de réalisation sont décrites ci- après, les autres caractéristiques non décrites étant réputées identiques à celles du premier mode de réalisation. Other embodiments of the sensor according to the invention can be envisaged. Only the distinct characteristics of the first embodiment are described below, the other characteristics not described being deemed to be identical to those of the first embodiment.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3, la membrane 13 est formée directement dans le support 11. Les composants 20, 21, 30 sont dans ce cas disposés dans la zone z1 de plus forte épaisseur, c’est-à-dire en dehors de la zone z2 formant la membrane 13. Cela permet d’éviter par exemple une perturbation dans le comportement de la membrane lors d’une déformation, ou une fatigue du composant lors de déformations répétées de la membrane. Dans cet exemple, la membrane 13 est en silicium, et la détection de la déformation de la membrane 13 se fait par l’intermédiaire de jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 sont de préférence disposées sur un pourtour de la face 130 de la membrane 13. L’effet piézo-électrique ou piézo-résistif induit par la déformation de la membrane 13 est en effet maximisé au niveau de ce pourtour. La détection par les jauges 131 est ainsi optimisée. La face externe 132 de la membrane 13 présente typiquement, en projection dans le plan xy, une surface S2 inférieure à la surface S1 (en projection dans le plan xy) des parties non amincies du support 11. According to a second embodiment illustrated in FIG. 3, the membrane 13 is formed directly in the support 11. The components 20, 21, 30 are in this case arranged in the zone z1 of greater thickness, that is to say. ie outside the zone z2 forming the membrane 13. This makes it possible, for example, to avoid a disturbance in the behavior of the membrane during deformation, or fatigue of the component during repeated deformations of the membrane. In this example, the membrane 13 is made of silicon, and the deformation of the membrane 13 is detected by means of piezoelectric or piezo-resistive gauges 131. These gauges 131 are preferably arranged on a perimeter of the face 130 of the membrane 13. The piezoelectric or piezo-resistive effect induced by the deformation of the membrane 13 is in fact maximized at this perimeter. The detection by the gauges 131 is thus optimized. The external face 132 of the membrane 13 typically has, in projection in the xy plane, a surface S2 less than the surface S1 (in projection in the xy plane) of the non-thinned parts of the support 11.
De manière plus générale, la deuxième zone z2 du capteur 20 supporte au moins l’un parmi un élément capacitif, piézo-résistif, ou piézo-électrique. More generally, the second zone z2 of the sensor 20 supports at least one of a capacitive, piezo-resistive, or piezoelectric element.
De préférence dans ce mode de réalisation, la face interne 130 de la membrane 13 est située dans le même plan qu’une face interne 111 du support 11 sur laquelle repose des composants. En revanche, la face externe 132 de la membrane 13 n’est pas située dans le même plan qu’une face externe 112 du support 11. Typiquement, l’amincissement de la zone z2 formant la membrane 13 est obtenu par retrait de matière depuis la face externe 112 du support 11. Preferably in this embodiment, the internal face 130 of the membrane 13 is located in the same plane as an internal face 111 of the support 11 on which the components rest. On the other hand, the external face 132 of the membrane 13 is not located in the same plane as an external face 112 of the support 11. Typically, the thinning of the zone z2 forming the membrane 13 is obtained by removing material from it. the outer face 112 of the support 11.
Selon un troisième mode de réalisation illustré aux figures 4A, 4B, le capteur comprend au moins deux membranes 13a, 13b déformables. Dans cet exemple, le capteur est plus particulièrement configuré pour détecter une déformation résultant d’au moins une traction exercée selon au moins une direction parallèle au plan dans lequel s’étend au moins l’une des deux membranes 13a, 13b, plus précisément leurs faces internes 130. Dans cet exemple, les deux membranes 13a, 13b, plus précisément leurs faces internes 130, s’étendent selon des plans parallèles. Ces plans sont parallèles au plan xy du repère xyz. According to a third embodiment illustrated in FIGS. 4A, 4B, the sensor comprises at least two deformable membranes 13a, 13b. In this example, the sensor is more particularly configured to detect a deformation resulting from at least one traction exerted in at least one direction parallel to the plane in which extends at least one of the two membranes 13a, 13b, more precisely their internal faces 130. In this example, the two membranes 13a, 13b, more precisely their internal faces 130, extend in parallel planes. These planes are parallel to the xy plane of the xyz coordinate system.
Sur cet exemple, les membranes présentent, dans ce plan xy une dimension principale selon l’axe x. In this example, the membranes have, in this xy plane, a main dimension along the x axis.
Tel qu’illustré sur la figure 4A l’effort de traction est exercé suivant l’axe x et est représenté par les forces de traction FT, -FT. Les membranes 13a, 13b sont respectivement formées directement dans le support 11 et le capot 12 du boîtier 10. Elles présentent respectivement des épaisseurs e2’, e2” qui peuvent être sensiblement égales entre elles. Ces épaisseurs e2’, e2” peuvent être déterminées en fonction des propriétés mécaniques des membranes correspondantes. Ainsi, si le support 11 et le capot 12 sont formés dans des matériaux différents, les épaisseurs e2’, e2” des membranes peuvent être choisies de façon à ce que l’une et l’autre des membranes 13a, 13b présentent des résistances à la traction équivalentes. Cela permet de calibrer le comportement en traction du capteur. Les membranes 13a, 13b sont disposées dans cet exemple en regard l’une de l’autre. Elles peuvent présenter des dimensions en largeur et/ou en longueur identiques. As illustrated in FIG. 4A, the tensile force is exerted along the x axis and is represented by the tensile forces F T , -F T. The membranes 13a, 13b are respectively formed directly in the support 11 and the cover 12 of the housing 10. They respectively have thicknesses e2 ′, e2 ″ which may be substantially equal to each other. These thicknesses e2 ', e2 ”can be determined as a function of the mechanical properties of the corresponding membranes. Thus, if the support 11 and the cover 12 are formed from different materials, the thicknesses e2 ', e2 ”of the membranes can be chosen so that one and the other of the membranes 13a, 13b exhibit resistance to the equivalent traction. This makes it possible to calibrate the tensile behavior of the sensor. The membranes 13a, 13b are arranged in this example opposite one from the other. They may have identical width and / or length dimensions.
Dans cet exemple, la déformation lors de la traction est mesurée sur la face interne 130 de la membrane 13a en silicium, par l’intermédiaire des jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 peuvent être placées en pourtour et au centre de la membrane 13a, comme illustré sur la figure 4A. Naturellement ces jauges 131 peuvent être réparties différemment sur la membrane. Les composants sous forme de puce, par exemple le détecteur 20, sont situés de préférence dans la zone z1 et donc en dehors de la zone z2 délimitant la membrane 13a. L’antenne 30 peut être formée ou déposée directement sur la face interne 130 de la membrane 13a. L’antenne peut alternativement être formée sur une partie non amincie du boitier, par exemple pour éviter qu’elle soit soumise à des déformations trop importantes. In this example, the deformation during traction is measured on the inner face 130 of the silicon membrane 13a, through the piezoelectric or piezo-resistive gauges 131. These gauges 131 can be placed around and in the center of the membrane 13a, as illustrated in FIG. 4A. Of course, these gauges 131 can be distributed differently on the membrane. The components in chip form, for example the detector 20, are preferably located in the zone z1 and therefore outside the zone z2 delimiting the membrane 13a. The antenna 30 can be formed or deposited directly on the internal face 130 of the membrane 13a. The antenna can alternatively be formed on an unthinned part of the case, for example to prevent it from being subjected to too great deformation.
La figure 4B illustre en perspective un tel capteur. La forme générale du boitier 10 peut s’apparenter à celle d’une éprouvette de traction, bien connue de l’homme du métier du domaine de la résistance des matériaux. La forme du boitier 10 reflète ainsi la fonction du capteur. Les faces externes 132a, 132b des membranes 13a, 13b peuvent en particulier s’étendre dans des plans xy parallèles entre eux. Les faces externes 132a, 132b présentent respectivement, en projection dans le plan xy, des surfaces S2’, S2” typiquement supérieures aux surfaces S1 ’, S1” (en projection dans le plan xy) des parties non amincies respectives du support et du capot du boitier 10. Il n’est cependant pas nécessaire que les surfaces amincies présentent des surfaces S2’, S2” supérieures aux surfaces S1 ’, S1” en projection dans le plan xy. FIG. 4B illustrates in perspective such a sensor. The general shape of the housing 10 may resemble that of a tensile test specimen, well known to those skilled in the art in the field of the resistance of materials. The shape of the housing 10 thus reflects the function of the sensor. The outer faces 132a, 132b of the membranes 13a, 13b can in particular extend in xy planes parallel to each other. The external faces 132a, 132b have respectively, in projection in the xy plane, surfaces S2 ', S2 ”typically greater than the surfaces S1', S1” (in projection in the xy plane) of the respective non-thinned parts of the support and of the cover of the box 10. However, it is not necessary for the thinned surfaces to have surfaces S2 ', S2 ”greater than the surfaces S1', S1” in projection in the xy plane.
Selon un quatrième mode de réalisation illustré aux figures 5A à 5C, le capteur comprend une membrane 13 déformable comprenant sur sa face externe 132 un élément 133 en saillie. Cet élément 133 forme une saillie par rapport à la face externe 112 du support 11. Dans cet exemple, le capteur est plus particulièrement configuré pour détecter une déformation résultant d’un flux dirigé par exemple selon l’axe x, tel qu’illustré sur la figure 5A par la force F. Alternativement, l’élément en saillie 133 peut constituer un capteur multiaxes, associé à des jauges de déformations réparties de sorte à détecter chacune un mouvement de l’élément en saillie 133 selon une direction ou autour d’un axe de rotation spécifique. According to a fourth embodiment illustrated in FIGS. 5A to 5C, the sensor comprises a deformable membrane 13 comprising on its external face 132 a projecting element 133. This element 133 forms a projection with respect to the external face 112 of the support 11. In this example, the sensor is more particularly configured to detect a deformation resulting from a flow directed for example along the x axis, as illustrated on FIG. 5A by force F. Alternatively, the projecting element 133 can constitute a multi-axis sensor, associated with strain gauges distributed so as to each detect a movement of the projecting element 133 in a direction or around it. a specific axis of rotation.
L’élément 133 en saillie présente de préférence une hauteur h supérieure à l’épaisseur e1 des parties non amincies du support 11. L’élément 133 est ainsi plus sensible au flux extérieur au boitier 10. Cela permet d’augmenter la sensibilité du capteur. La figure 5B illustre en perspective un tel capteur. La forme générale de l’élément 133 en saillie sur la membrane 13 peut s’apparenter à celle d’un joystick. En particulier, l’élément 133 peut être centré sur la membrane 13 et présenter une liberté de mouvement dans un cône de révolution dont le sommet se trouve sensiblement à la base de l’élément 133, et dont l’axe est sensiblement perpendiculaire à la membrane 13. La membrane 13 peut présenter une forme circulaire. Cela permet d’avoir un comportement en déformation de la membrane reproductible quelle que soit la direction du flux F dans le plan xy, pour une membrane dont les propriétés mécaniques sont isotropes dans un tel plan xy. D’autres formes de membranes sont également envisageables. L’élément 133 peut présenter une forme cylindrique et une symétrie de révolution. Cela permet d’offrir une même surface d’appui quelle que soit la direction du flux F dans le plan xy. Alternativement, l’élément 133 peut présenter une forme aplatie dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui de la membrane. Cela permet de privilégier une direction de détection particulière du flux F dans le plan xy. The projecting element 133 preferably has a height h greater than the thickness e1 of the non-thinned parts of the support 11. The element 133 is thus more sensitive to the flow outside the housing 10. This makes it possible to increase the sensitivity of the sensor. . FIG. 5B illustrates in perspective such a sensor. The general shape of the element 133 projecting from the membrane 13 may be similar to that of a joystick. In particular, the element 133 may be centered on the membrane 13 and have freedom of movement in a cone of revolution, the apex of which is located substantially at the base of the element 133, and the axis of which is substantially perpendicular to the membrane 13. The membrane 13 may have a circular shape. This makes it possible to have a deformation behavior of the membrane which is reproducible whatever the direction of the flow F in the xy plane, for a membrane whose mechanical properties are isotropic in such an xy plane. Other forms of membranes are also conceivable. The element 133 may have a cylindrical shape and a symmetry of revolution. This makes it possible to offer the same bearing surface whatever the direction of the flow F in the xy plane. Alternatively, the element 133 may have a flattened shape in a plane substantially perpendicular to that of the membrane. This makes it possible to favor a particular direction of detection of the flux F in the xy plane.
Dans cet exemple, la déformation de la membrane 13 en silicium induite par le flux F extérieur au boîtier 10 est mesurée sur la face 130, par l’intermédiaire des jauges 131 piézo-électriques ou piézo-résistives. Ces jauges 131 peuvent être placées en pourtour de la membrane 13, comme illustré sur la figure 5C. Les jauges 131 sont de préférence réparties uniformément sur le pourtour de la membrane 13, à intervalles réguliers. Elles peuvent être au nombre de quatre, tel qu’illustré sur la figure 5C, ou huit par exemple. Elles peuvent être dimensionnées en jauges principales et en jauges secondaires, avec différents degrés de sensibilité par exemple. In this example, the deformation of the silicon membrane 13 induced by the flow F outside the housing 10 is measured on the face 130, by means of the piezoelectric or piezo-resistive gauges 131. These gauges 131 can be placed around the periphery of the membrane 13, as illustrated in FIG. 5C. The gauges 131 are preferably distributed uniformly around the periphery of the membrane 13, at regular intervals. They can be four in number, as illustrated in Figure 5C, or eight for example. They can be sized as main gauges and secondary gauges, with different degrees of sensitivity for example.
Les composants sous forme de puce, par exemple le détecteur 20, l’émetteur- récepteur 21 , le système d’alimentation 22 sont situés de préférence en dehors de la zone z2 délimitée par la membrane 13. L’antenne 30 peut être formée autour de la face 130 de la membrane 13, par exemple sous forme d’anneau. The components in chip form, for example the detector 20, the transceiver 21, the power supply system 22 are preferably located outside the zone z2 delimited by the membrane 13. The antenna 30 can be formed around of the face 130 of the membrane 13, for example in the form of a ring.
Ainsi, comme cela ressort clairement des paragraphes qui précèdent ainsi que des figures 2, 3, 4A, 5A, le capteur autonome à membrane déformable est typiquement fabriqué par un procédé comprenant les étapes suivantes : Thus, as clearly emerges from the preceding paragraphs as well as from FIGS. 2, 3, 4A, 5A, the autonomous sensor with a deformable membrane is typically manufactured by a process comprising the following steps:
Fournir une première partie 11 (typiquement le support) et une deuxième partie 12 (typiquement le capot), Provide a first part 11 (typically the support) and a second part 12 (typically the cover),
- Amincir une portion seulement du support 11 ou du capot 12, de sorte que ledit support 11 ou capot 12 présente une première zone z1 d’épaisseur e1 et une deuxième zone z2 amincie d’épaisseur e2, avec e2 < e1, ladite deuxième zone z2 formant l’au moins une membrane 13 du capteur, Fournir un détecteur 20 configuré pour détecter une déformation de la membrane 13 déformable, - Thinning only a portion of the support 11 or of the cover 12, so that said support 11 or cover 12 has a first zone z1 of thickness e1 and a second thinned zone z2 of thickness e2, with e2 <e1, said second zone z2 forming at least one membrane 13 of the sensor, Provide a detector 20 configured to detect a deformation of the deformable membrane 13,
Fournir au moins une antenne 30 et un système de communication 21 sans fil associé à ladite au moins une antenne 30, ledit système de communication 21 sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane 13, et un système d’alimentation électrique 22 configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur 20 et le système de communication 21 ,Provide at least one antenna 30 and a wireless communication system 21 associated with said at least one antenna 30, said wireless communication system 21 being configured to communicate at least one deformation data of the membrane 13, and a system of power supply 22 configured to power at least one of the detector 20 and the communication system 21,
- Assembler le support 11 et le capot 12 de façon à former un boîtier 10 présentant une cavité 100 fermée accueillant ledit détecteur 20, ladite au moins une antenne 30 et le système de communication 21 sans fil, et le système d’alimentation électrique 22. - Assemble the support 11 and the cover 12 so as to form a housing 10 having a closed cavity 100 accommodating said detector 20, said at least one antenna 30 and the wireless communication system 21, and the power supply system 22.
Un principe commun aux modes de réalisation du capteur selon l’invention est qu’une partie du boîtier forme la membrane, de façon à ce que le boîtier soit « fonctionnalisé ». Un tel capteur autonome à membrane peut avantageusement être noyé dans différents matériaux, par exemple des matériaux de construction tel que le béton selon un exemple non limitatif. Par exemple, ce capteur peut être abandonné dans une matrice de béton, au sein d’une infrastructure de bâtiment. Il peut ainsi permettre de suivre les variations de contraintes appliquées à ladite infrastructure. Ce capteur peut également être noyé dans du caoutchouc utilisé pour la fabrication de pneu, afin de mesurer une pression du pneu lors de son utilisation. Ce capteur peut également être noyé dans une matrice de plaquette de frein, de manière à mesurer la force appliquée à ladite plaquette par un système de freinage. D’autres utilisations du capteur selon l’invention sont naturellement possibles. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. En particulier, le nombre de membranes du capteur peut être supérieur à deux. La forme de la ou des membranes peut être adaptée en fonction de l’usage du capteur. A principle common to the embodiments of the sensor according to the invention is that part of the housing forms the membrane, so that the housing is "functionalized". Such an autonomous membrane sensor can advantageously be embedded in different materials, for example construction materials such as concrete according to a non-limiting example. For example, this sensor can be abandoned in a concrete matrix, within a building infrastructure. It can thus make it possible to follow the variations of constraints applied to said infrastructure. This sensor can also be embedded in rubber used for tire manufacturing, in order to measure tire pressure during use. This sensor can also be embedded in a brake pad matrix, so as to measure the force applied to said pad by a braking system. Other uses of the sensor according to the invention are of course possible. The invention is not limited to the embodiments described above and extends to all the embodiments covered by the claims. In particular, the number of membranes of the sensor can be greater than two. The shape of the membrane (s) can be adapted depending on the use of the sensor.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur autonome à membrane déformable comprenant au moins une membrane (13, 13a, 13b) déformable, un boitier (10) comprenant au moins une première partie et une deuxième partie (11, 12) assemblées entre elles et configurées pour former une cavité (100) fermée, un détecteur (20) configuré pour détecter une déformation de la membrane (13, 13a, 13b), au moins une antenne (30) et un système de communication (21) sans fil associé à ladite au moins une antenne (30), ledit système de communication sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane (13, 13a, 13b) en dehors du boitier (10), et un système d’alimentation électrique (22) configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur (20) et le système de communication (21), le capteur étant caractérisé en ce que l’une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) comprend une première zone (zi) présentant une épaisseur ei et une deuxième zone (z2) présentant une épaisseur e2 telle que e2 < ei, ladite deuxième zone formant l’au moins une membrane (13, 13a, 13b) du capteur, de sorte que ladite au moins une membrane (13, 13a, 13b) est réalisée directement dans et en continuité avec ladite une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) du boitier. 1. Autonomous sensor with a deformable membrane comprising at least one deformable membrane (13, 13a, 13b), a housing (10) comprising at least a first part and a second part (11, 12) assembled together and configured to form a cavity (100) closed, a detector (20) configured to detect a deformation of the membrane (13, 13a, 13b), at least one antenna (30) and a wireless communication system (21) associated with said at least one antenna (30), said wireless communication system being configured to communicate at least one piece of membrane deformation data (13, 13a, 13b) outside the housing (10), and a power supply system (22) configured to powering at least one of the detector (20) and the communication system (21), the sensor being characterized in that at least one of the first and second parts (11, 12) comprises a first zone (zi ) having a thickness ei and a second zone (z 2 ) having a thickness e 2 te lle that e 2 <ei, said second zone forming the at least one membrane (13, 13a, 13b) of the sensor, so that said at least one membrane (13, 13a, 13b) is produced directly in and in continuity with said at least one of the first and second parts (11, 12) of the housing.
2. Capteur selon la revendication précédente dans lequel l’épaisseur e2 de la deuxième zone (z2) est au moins cinq fois inférieure à l’épaisseur e1 de la première zone2. Sensor according to the preceding claim wherein the thickness e2 of the second zone (z 2 ) is at least five times less than the thickness e1 of the first zone.
(zi)· (zi)
3. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première zone (zi) entoure, de préférence entoure entièrement, la deuxième zone (z2). 3. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the first zone (zi) surrounds, preferably entirely surrounds, the second zone (z 2 ).
4. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le système d’alimentation et le détecteur (22, 20) sont situés dans la cavité (100), en dehors de la deuxième zone (z2). 4. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the supply system and the detector (22, 20) are located in the cavity (100), outside the second zone (z 2 ).
5. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le détecteur (20) est situé en regard de la deuxième zone (z2). 5. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the detector (20) is located opposite the second zone (z 2 ).
6. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins une antenne (30) est située en dehors de la deuxième zone (z2). 6. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the at least one antenna (30) is located outside the second zone (z 2 ).
7. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième zones (zi, z2) présentent respectivement des première et deuxième surfaces S1, S2 telles que S2£0,5 S1. 7. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the first and second zones (zi, z 2 ) respectively have first and second surfaces S1, S2 such that S2 £ 0.5 S1.
8. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième zone (z2) comprend un élément (133) en saillie d’un côté opposé à la cavité (100), dirigé vers une zone extérieure au boitier (10). 8. Sensor according to any one of the preceding claims wherein the second zone (z 2 ) comprises an element (133) projecting from a side opposite the cavity (100), directed towards a zone external to the housing (10). .
9. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième zone (z2) supporte au moins l’un parmi un élément (131) capacitif, piézo- résistif, ou piézo-électrique, et dans lequel le détecteur (20) est configuré pour coopérer avec ledit au moins un élément (131). 9. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the second zone (z 2 ) supports at least one of a capacitive, piezo-resistive or piezoelectric element (131), and in which the detector (20 ) is configured to cooperate with said at least one element (131).
10. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le boitier (10) est étanche. 10. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the housing (10) is waterproof.
11. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de membranes (10, 13a, 13b) disposées sur l’une parmi la première et la deuxième parties (11, 12). 11. A sensor according to any preceding claim comprising a plurality of membranes (10, 13a, 13b) disposed on one of the first and second parts (11, 12).
12. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les première et deuxième parties (11, 12) comprennent chacune au moins une deuxième zone (z2) formant une membrane (13a, 13b) déformable. 12. Sensor according to any one of the preceding claims, in which the first and second parts (11, 12) each comprise at least one second zone (z 2 ) forming a deformable membrane (13a, 13b).
13. Capteur selon la revendication précédente dans lequel la membrane (13a) de la première partie (11) est située en regard de la membrane (13b) de la deuxième partie (12), la cavité (100) étant située entre la membrane (13a) de la première partie (11) et la membrane (13b) de la deuxième partie (12). 13. Sensor according to the preceding claim wherein the membrane (13a) of the first part (11) is located opposite the membrane (13b) of the second part (12), the cavity (100) being located between the membrane ( 13a) of the first part (11) and the membrane (13b) of the second part (12).
14. Capteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’une au moins parmi les première et deuxième parties (11, 12) est en silicium. 14. A sensor according to any preceding claim wherein at least one of the first and second parts (11, 12) is made of silicon.
15. Procédé de fabrication d’un capteur autonome à membrane (13, 13a, 13b) déformable, comprenant : 15. A method of manufacturing an autonomous sensor with a deformable membrane (13, 13a, 13b), comprising:
Une fourniture d’une première partie (11) et d’une deuxième partie (12),A supply of a first part (11) and a second part (12),
Un amincissement d’une portion seulement de la première partie (11) ou de la deuxième partie (12), de sorte que ladite première partie (11) ou deuxième partie (12) présente une première zone (z1) d’épaisseur e1 et une deuxième zone (z2) amincie d’épaisseur e2, avec e2 < e1, ladite deuxième zone (z2) formant l’au moins une membrane (13, 13a, 13b) du capteur, A thinning of only a portion of the first part (11) or of the second part (12), so that said first part (11) or second part (12) has a first zone (z1) of thickness e1 and a second thinned zone (z2) of thickness e2, with e2 <e1, said second zone (z2) forming at least one membrane (13, 13a, 13b) of the sensor,
Une fourniture d’un détecteur (20) configuré pour détecter une déformation de la membrane (13, 13a, 13b) déformable, A supply of a detector (20) configured to detect a deformation of the deformable membrane (13, 13a, 13b),
Une fourniture d’au moins une antenne (30) et d’un système de communication (21) sans fil associé à ladite au moins une antenne (30), ledit système de communication (21) sans fil étant configuré pour communiquer au moins une donnée de déformation de la membrane (13, 13a, 13b), et un système d’alimentation électrique (22) configuré pour alimenter au moins l’un parmi le détecteur (20) et le système de communication (21), - Un assemblage des première et deuxième parties (11, 12) de façon à former un boîtier (10) présentant une cavité (100) fermée accueillant ledit détecteur (20), ladite au moins une antenne (30) et le système de communication (21) sans fil, et le système d’alimentation électrique (22).A provision of at least one antenna (30) and a wireless communication system (21) associated with said at least one antenna (30), said wireless communication system (21) being configured for communicating at least one membrane deformation datum (13, 13a, 13b), and a power supply system (22) configured to power at least one of the detector (20) and the communication system (21) , - An assembly of the first and second parts (11, 12) so as to form a housing (10) having a closed cavity (100) accommodating said detector (20), said at least one antenna (30) and the communication system (21) wireless, and the power supply system (22).
16. Système comprenant une matrice et au moins un capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel l’au moins un capteur est noyé dans la matrice. 16. System comprising a matrix and at least one sensor according to any one of claims 1 to 14, wherein at least one sensor is embedded in the matrix.
17. Système selon la revendication précédente dans lequel la matrice est en un matériau pris parmi un polymère, un géopolymère, un matériau composite, un alliage métallique, une céramique. 17. System according to the preceding claim wherein the matrix is made of a material selected from a polymer, a geopolymer, a composite material, a metal alloy, a ceramic.
18. Système selon la revendication 16, formant l’un parmi : un pneu de véhicule, une structure en polymère déformable, une plaquette de frein. 18. The system of claim 16, forming one of: a vehicle tire, a deformable polymer structure, a brake pad.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1275949A1 (en) * 2001-07-10 2003-01-15 Société de Technologie Michelin Tyre incorporating a measuring device
WO2005019785A2 (en) * 2003-08-11 2005-03-03 Analog Devices, Inc. Capacitive sensor
US20070068266A1 (en) * 2005-09-26 2007-03-29 Tsukasa Fujimori Sensor and sensor module
DE102007012335A1 (en) * 2007-03-14 2008-09-18 Infineon Technologies Ag Sensor component and method for producing a sensor component

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006039422A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-15 Continental Teves Ag & Co. Ohg Pressure sensor for hydraulic media in motor vehicle braking systems is sealed tight on all sides and has no outwardly fed electrical contacts or lines

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1275949A1 (en) * 2001-07-10 2003-01-15 Société de Technologie Michelin Tyre incorporating a measuring device
WO2005019785A2 (en) * 2003-08-11 2005-03-03 Analog Devices, Inc. Capacitive sensor
US20070068266A1 (en) * 2005-09-26 2007-03-29 Tsukasa Fujimori Sensor and sensor module
DE102007012335A1 (en) * 2007-03-14 2008-09-18 Infineon Technologies Ag Sensor component and method for producing a sensor component

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