Brevet FR2215614A1 — publié le 19740823

L'invention se rapporte aux capteurs électriques de contrai- te et particulièrement à un dispositif capteur à éléments multiples qui combine les signaux de transducteurs constitués par des piézo-transistors à effet de champ. Des assemblages particuliers de transistors à effet de champ, sensibles à l'application d'une contrainte mécanique uniaxiale, sont connus et utilisés depuis quelques années, en vue d'utiliser pleinement leurs avantages, entre autres leur grande sensibilité, en les disposant dans un mme circuit intégré pour que les éléments en répondent identiquement aux variations des conditions physiques de l'environnement. Un tel capteur peut, par exemple, tre constitué de deux paires d'éléments transducteurs groupés en un circuit intégré, et aptes à fournir une variation de tension électrique répondant de façon anisotrope à une contrainte appliquée suivant une direction déterminée. Ces éléments sont disposés symétriquement autour d'un centre, orientés deux à deux parallèlement aux axes du cristal constituant le matériau de base, dans un plan perpendiculaire au troisième axe. Ces axes sont choisis, et les connexions électriques sont établies entre les éléments de telle façon que les sens des courants qui traversent ces derniers rendent maximum, pour le groupe des éléments, le facteur de jauge, c'est-à-dire le rapport d'une variation relative de courant à une variation relative d'une déformation provoquée par la contrainte, pour des valeurs et des directions déterminées des différents paramètres. Chaque élément est connecté en parallèle avec l'élément symétriquement opposé, et les deux paires sont reliées en série. Le groupe est équivalent à deux transducteurs fictifs, situés au centre du groupe et orientés suivant deux directions perpendiculaires, se comportant identiquement pour les effets isotropes, thermiques par exemple. Cependant, ces dispositions connues offrent des résultats imparfaits, et insuffisants par exemple pour permettre l'utili- sation de capteurs ainsi constitués à des applications industrielles qui exigent un fonctionnement dans une gamme étendue de température. L'invention a pour objet de perfectionner de tels assemblages par un dispositif apte à compenser la dérive résiduelle de la valeur du signal prise en référence, pour constituer le zéro de 1'échelle de mesure, par un signal ayant une loi aussi proche que possible de celle de ladite dérive en fonction des variations des conditions ambiantes, telles que la température. Le dispositif suivant l'invention comprend, diffusé dans le cristal constituant le substrat d'un premier groupe de transducteurs semblable au capteur ci-dessus décrit, un second groupe d'éléments de mmes caractéristiques, imbriqués avec les premiers symétriquement autour du mme centre, suivant des orientations sensiblement inclinées à 45 degrés par rapport aux axes cristallographiques. Ces éléments du deuxième groupe sont connectés de telle façon que les sens des courants qui les traversent rendent le facteur de jauge de ce groupe sensiblement nul. Le dispositif suivant l'invention comprend en outre des circuits, reliés au premier groupe actif et au deuxième groupe complémentaire, intégrés ou non au substrat, aptes à fournir un signal de sortie proportionnel, avec une amplification quelconque, à la différence entre les signaux issus respectivement du premier groupe et du deuxième groupe. Ainsi, le signal utile du groupe actif est conservé, et la dérive est annulée par compensation entre les signaux sensiblement égaux des deux groupes qui proviennent des effets isotropes. Les fonctions du dispositif seront explicitées dans la description ci-après, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, sur lesquels : La figure 1 est une représentation schématique de la disposition des éléments d'un capteur suivant l'invention ; La figure 2 représente schématiquement différentes dispositions possibles des éléments ; La figure 3 représente le schéma électrique des deux groupes d'éléments du capteur ; La figure 4 représente le schéma électrique du branchement des deux groupes avec un amplificateur différentiel. La figure 1 représente la disposition sur un mme substrat, par exemple un cristal de silicium de type N, de huit transistors à effet de champ sur lesquels les opérations de diffusion sont conduites de façon que les canaux de conducticn soient orientés suivant la direction de la longueur des rectangles dont chacun représente un transistor à effet de champ. Un p-emier groupe d'éléments est constitué par des transistors 1, 2,3 et 4 qui sont disposés suivant les côtés d'un carré. Un deuxième groupe d'éléments est constitué par des tran sistors 5,6,7 et 8 qui sont disposés suivant les directions des diagonales du mme carré. La figure 2 représente d'autres dispositions possibles des 8 transistors, également valables, les transistors étant disposés suivant les cotés, ou les diagonales, d'un octogone. La paire des transistors 1 et 2 correspondant à des côtés opposés du carré et connectés en parallèle est connectée en série avec la paire des transistors 3 et 4, également connectés en parallèle, comme le montre la figure 3. On dispose d'une sortie S au point milieu du demi-pont ainsi constitué. D'une fagon semblable, la paire des transistors opposés 5 et 6, connectés en parallèle, est connectée en série avec la paire des transistors 7 et 8, connectés en parallèle, et le second demi-pont présente une sortie C en son point milieu. En référence de nouveau à la figure 1, les directions des quatre transistors actifs 1, 2,3,4 sont choisies, comme il est connu, suivant les axes cristallographiques du substrat, de façon à obtenir pour chacun des transistors un facteur de jauge de valeur absolue élevée. En outre, les connexions sont établies de façon que les sens des courants dans les différents transistors déterminent un facteur de jauge maximum pour le groupe actif, le signe du facteur de jauge des transistors 1 et 2 par exemple étant opposé à celui du facteur de jauge des transistors 3 et 4. de ce fait, la directiondS de la contrainte à mesurer appliquée au système se trouve déterainée. Elle est parallèle, par exemple, à la direction des transistors 1 et 2. Il apparaît alors, sous l'application d'une contrainte, entre la sortie S et le point de masse M pris pour référence, une tension électrique proportionnelle au produit de la contrainte par la somme arithmétique des facteurs de jauge de chaque paire. En considérant maintenant le second groupe des quatre transistors complémentaires 5,6,7,8 disposés suivant l'inven- tion et, par exemple dans la configuration représentée par la figure 1, et avec la mme convention que ci-dessus concernant les orientations des transistors du premier groupe relativement aux axes du cristal constituant le substrat, il résulte que les transistors 5,6,7 et 8 se trouvent orientés suivant des direc- tions faisant sensible ent des angles le 45 avec les axes cris- tallographiques. Les connexions sont établies pour que les sens des courants dans les transistors 5 et 6 d'une part, et 7 et 8 d'autre part soient tels que des modifications identiques des caractéristiques de chaque paire apparaissent quand une contrainte est appliquée au système dans la direction A. Alors il n'apparaît sensiblement aucune tension électrique dépendant de la contrainte entre la sortie C du demi-pont complémentaire et le point de masse M. Mais en considérant les autres effets qui peuvent se manifester en présence ou en absence de la contrainte mécanique, en particulier l'effet thermique, c'est-à-dire l'apparition de variations des caractéristiques électriques sous l'action de variations de température qui provoquent des dérives de la tension prise pour référence dans la mesure de la contrainte, les signaux électriques aux sorties S et C se trouvent sensiblement égaux dans une large plage des variations, parce que le groupe complémentaire est équivalent, de mme que le groupe actif, à deux transistors fictifs situés au centre du circuit suivant deux directions perpendiculaires, et que les huit transistors sont rassemblés sur la surface la plus réduite possible du mme substrat. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les signaux des'sorties S et C sont ensuite appliquées aux entrées 11 et 12 d'un amplificateur différentiel 10, qui peut tre intégré ou non, suivant le schéma de la figure 4. Ils pourraient aussi bien tre appliqués à tout autre montage fournissant une sortie proportionnelle à la différence des signaux issus de S et de C. Le signal à une sortie, telle que 13, corespondant aux dérives est sensiblement annulé, tandis que le signal dépendant de la contrainte mécanique et traduit par le premier groupe actif des transistors-est conservé. Un dispositif de réglage d'un signal appliqué à une entrée de l'amplificateur différentiel de la réalisation préférée, tel que le potentiomètre 14 de la figure 4, permet soit d'améliorer la qualité de la compensation dans la plage de fonctionnement, soit d'élargir cette plage pour une qualité de compensation donnée. Le potentiomètre 15 est un organe de réglage de la réaction inverse de l'amplificateur qui permet d'obtenir le fonctionnement le plus fidèle de cet amplificateur dans la plage de compensation. Il est clair que la disposition des éléments, ainsi que les circuits de connexion, sont applicables à d'autres composants présentant une anisotropie d'au moins une caractéristique, tels que des jauges piézo-résistives, bien que la description concerne des piézo-transistors à effet de champ à titre d'exem- ple. Il est également clair que de nombreuses modifications peuvent tre apportées au dispositif décrit et représenté sans sortie du cadre de l'invention. I C it 'IC- ! NS 1. Dispositif capteur de contrainte comprenant un premier groupe d'éléments transducteurs en circuit intégré dans un matériau de structure cristalline aptes à fournir une variation d'une grandeur électrique répondant de façon anisotrope à une contrainte appliquée dans une direction déterminée, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part, en combinaison, un deuxième groupe d'éléments de mmes caractéristiques que les premiers, intégrés dans le mme circuit et imbriqués avec lesdits premiers éléments symétriquement autour d'un mme centre, suivant des orientations prédéterminées par rapport aux axes de la structure cristalline et avec des sens de courants tels que l'effet global de ladite contrainte sur ledit deuxième groupe soit nul, et d'autre part au moins un circuit de sortie, relié électriquement aux deux groupes de façon à fournir un signal de sortie proportionnel à la différence entre les signaux issus respectivement du pre- mier groupe et du second groupe, ladite différence conservant le signal provoqué par la contrainte mécanique tandis qu'elle annule la dérive par compensation entre les effets de nature isotrope affectant identiquement les deux groupes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1"orientation prédéterminée des él ments du deuxième groupe est de sensiblement 45 par rapport aux axes de la structure cristalline. 3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caracté- ris en ce que lesdits éléments transducteurs sont des semiconducteurs, présentant une variation d'une grandeur électrique répondant de façon anisotrope à une contrainte appliquée suivant une direction déterminée, dont les différentes zones ont été diffusées dans les directions convenables par rapport auxdits axes cristallins dans un mme substrat semi-conducteur d'un type donné. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits seni-conducteurs sont des transistors à effet de c aap diffusés lans lln mcr.. e sllbstrat semi-conlucteur d'un type 5. Dispositif selcn la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits éléments semi-conducteurs sont des jauges piézo- résistives. 6-Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en Ce que lesdits transistcrs à effet de champ sont diffusés dans un meme substrat de silicium de type N. 7. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce cae lesdits transistors à effet de champ sont diffusés dans un mme substrat de silicium de type P. 8. Dispositif suivant l'une des revendications 6 et 7, carac térisé en ce que lesdits transistors sont des à effet de champ à jonction. 9. Dispositif suivant 1'une des revendications 6 7, caractérisé en ce que lesdits transistors sont des transistors à effet de champ de liaison entre oxyde métallique et semiconducteur. 10. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit circuit de sortie est un amplificateur du premier groupe de transducteurs et à l'autre entrée le signal du deuxième groupe. 11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ledit amplificateur comporte des organes de réglage du niveau du signal d'au moins une entrée pour réduire la dérive à une valeur aussi faible que possible.