Brevet FR2455733A1 — publié le 19801128

La présente invention concerne un capteur de pression à effet capacitif et son procédé de fabrication. De façon générale, l'invention est destinée à déterminer ltécartement entre deux supports réunis dans un montage hybride. Plus particulièrement, l'invention concerne la fabrication d'un transducteur capacitif qui comporte un diaphragme relativement souple avec une électrode réunie â un support de base relativement rigide, comportant l'autre électrode; l'écarte- ment entre les deux électrodes est réglé et les variations de pression se détectent par la modification de la position de ltélectrode du diaphragme par rapport à celle du support sous l'effet du fléchissement du diaphragme subissant les variations de pression. Les transducteurs capacitifs de pression sont connus et se composent en général de condensateurs, en forme de plaques parallèles séparées par un intervalle d'air; l'écartement entre les plaques parallèles des condensateurs est modifié par la pression détectée. De façon générale, une électrode d'un coFdensateur est déposée sur un support de base épais7 en céramique, et l'autre électrode est déposée sur un diaphragme de détection de pression, qui est beaucoup plus mince; ce second dioaphragXe est également réalisé en principe en une céramique et est sépare de-l'électrode de base par un anneau en vërre isolant qui entoure la périphérie du diaphraee et du support de base.Le diaphragme, l'anneau de verre et le support de base sont chauffés après montage à une température suffisamment élevée pour ramollir l'anneau de verre dont la température de fusion est relativement basse par rapport aux autres organes métalliques du support de base et du diaphragme de détection. La distance séparant les électrodes du condensateur sur le diaphragme et le support de base dépend en totalité de l'épaisseur de la couche de verre isolant. Ce support de base comporte un orifice pour realiser lé vide ou une pression faible dans la cavité délimitée par le diaphragme, le verre isolant et le support de base.En maintenant une dépression constante, de réference, dans la cavité et en appliquant diverses pressions externes à la cavité, on fait fléchir le diaphragme et on modifie la capacité entre les électrodes en fonction des variations de pression. En contrt > lant ainsi la variation de capacitif, le transducteur fournit un signal élec trique lié à la variation de pression. Les transducteurs de pression tels que ci-dessus peuvent facilement s'adapter pour détecter des dépressions dans les moteurs à combustion interne de véhicules automobiles et de tels transducteurs ont déjà e été utilisés. Dans les transducteurs capacitifs à céramique, connus, la séparation initiale adéquate entre les électrodes du condensateur est particulièrement importante. Cet écartement initial détermine la capacité nominale du transducteur et son rendement. Pour la fabrication en série de tels transducteurs, l'épaisseur de l'anneau de scellement en verre définit la séparation des électrodes. En général, l'anneau est réalisé sur un support de base plus épais à sérigraphie. Le réglage de l'épaisseur de l'anneau pose un problème de fabrication. Pour améliorer le rendement du transducteur capacitif avec un anneau de verre définissant la séparation des électrodes, il est nécessaire de modifier la température de cuisson de l'an neau de verre pour régler l'écartement nominal entre l'électrode du diaphragme et celle du support, en réglant le degré de fusion ou de fluage de l'anneau.Si l'on suppose que tous les anneaux obtenus par sérigraphie ont une épaisseur uniforme, ce procédé donne des transducteurs capacitifs ayant une capacité nominale choisie, mais on a constaté que lorsque le profil était modifié par cuisson pour arriver à la capacité nominale voulue, pn détériore les caractéristiques d'étanchéité de I'anneau.En d'autres termes, lors de la cuisson, en réglant vanneau pour arriver à la capacité voulue pour le transducteur, on a constaté que le profil- qui rend maximum le rendement du transducteur en donnant la capacité nominale, ne correspond pas nécessairement au profil donnant des caractéristiques d'étanchéité optimales de l'anneau.Cette opération consistant à rendre maximum le rendement capacitif aboutit à des transducteurs mal scellés, ce qui diminue le rendement global. On ne peut ainsi obtenir le rendement maximum puisqu'il faut régler l'anneau, ce qui se traduit par un compromis avec les caractéristiques d'étanchéité si l'on veut la capacité nominale. L'invention a pour but un transducteur perfectionné et simplifié avec un écartement précis entre les plaques réunies dans un montage hybride, pour remédier aux inconvénients des solutions connues. A cet effet, l'invention concerne un transducteur capacitif de pression, comportant un support de base d'une première épaisseur avec une première électrode capacitive déposée sur sa surface, un support de diaphragme d'une seconde épaisseur notablement inférieure à celle du premier support et comportant une électrode capacitive déposée sur sa surface, un moyen d'étanchéité entre les surfaces des supports pour les réunir, les deux électrodes étant tournées l'une contre l'autre, séparées d'un intervalle. L'invention est caractérisée par au moins trois tampons déposés sur au moins l'une des surfaces de la base et du diaphragme, ces tampons définissant l'écartement entre les électrodes et étant distincts du moyen d'étanchéité, en ayant des caractéristiques de fusion différentes de celles du moyen d'étanchéité. De façon générale, les tampons ont une température de fusion relativement élevée, avec des propriétés analogues à celles de la température de fusion des couches de métallisation déposées sur les électrodes du condensateur, du diaphragme et du substrat Ee base, qui sont de préférence en céramique. L'anneau d'étanchéité en verre présente une température de fusion notablement inférieure à celle des tampons d'écartement ou des couches de métallisation des électrodes.Ainsi, l'opération de scellement se fait à une température beaucoup plus faible que la cuisson des couches de métallisation des électrodes et des tampons Grâce à la structure et au procédé ci-dessus, le profil de la température de cuisson de l'anneau de scellement peut se régler de façon optimale suivant les caractéristiques de scellement de l'anneau d'isolation; cette optimalisation n'affecte pas de façon négative la capacité nominale choisie du transducteur puisque cette caractéristique est déterminée par l'épaisseur des tampons d'écartement dont la température de fusion est élevée. L'anneau de scellement chevauche les tampons d'écartement si bien que l'invention peut se réaliser directement en utilisant des structures de transducteur de pression, connues, sans modifications importantes de l'outillage ni modifications importantes des caractéristiques de fléchissement du diaphragme détecteur de pression. Description des figures -,figure 1 : vue en perspective d'un support de base métallisé d'un transducteur capacitif de pression, en céramique; - figure 2 : vue en plan d'un diaphragme en matière céramique, métallisé , d'un transducteur capacitif de pression; - figure 3 : coupe transversale d'un transducteur capacitif de pression en céramique, placé dans un bottier et comportant les composants des figures 1, 2; - figure 4 : coupe d'une partie du support de base métallisé de la figure 1. Selon la figure 1, un support de base 10 en matière céramique, épaisse, de forme cylindrique, d'un transducteur de pression présente une épaisseur T, une surface supérieure 11, plane, circulaire, une surface inférieure 12, plane, circulaire et des orifices traversants 13, 14 répartis le long de la périphérie extérieure 15 de la surface 11. Un anneau 16 à faible température de fusion (5000C) en verre isolant, est prévu sur le bord périphérique 15 de la surface 11. Un orifice 17 pour faire le vide est prévu dans l'anneau; il va de la surface Il à la surface 12.La couche métallique de l'électrode est prévue sur la surface Il; elle se compose d'une partie sensiblement circulaire 18 à l'intérieur de l'anneau 16 avec une patte radiale 18A partant de la partie 18 passant sous l'anneau 16 jusqu'au trou 14. Sous l'anneau 16 on a déposé trois tampons d'écartement 19 isolants, en un matériau à température de fusion beaucoup plus élevée (7600C) que celle de l'anneau 16. Les tampons 19 constituent des organes d'écartement déterminant l'écartement des électrodes du transducteur capacitif; cette caractéristique sera examinée ultérieurement. La figure 2 montre un disque en céramique 20, relativement mince, qui constitue un diaphragme du transducteur capacitif en céramique. Le disque 20 a une surface circulaire plane 21 sur laquelle est déposée une couche 22 de métallisation de forme circulaire, centrale. La couche 22 recouvre pratiquement toute la partie centrale de la surface 21; une patte radiale métallisée 23 relie la surface centrale 22 vers ltextérieur jusqu'a la partie périphérique annulaire de la surface 21 entourant la couche 22 Le disque en céramique 20 a une épaisseur T1 notablement inférieure à T du support 10; cette caractéristique apparatt dans la vue en coupe de la figure 3. a figure 3 montre un transducteur de pression comportant le support de base 10 de la figure 1 et le disque formant diaphragme 20 de la figure 2. Le disque 20 et le support 10 sont réunis dans un montage hybride par l'anneau de scellement 16. Le montage hybride formé des plaques 10, 20 est placé dans un boîtier 30 métallique, à section généralement rectangulaire (figure 3). Les mêmes références sont utilisées aux figures 1, 2, 3 pour les mêmes éléments. Le disque 20 est monté sur le support 10 par l'anneau 16 qui relie la partie périphérique de la surface 21 entourant la couche de métallisation 22 à la partie périphérique annulaire 15 de la surface 11. L'anneau 16 la partie centrale plane de la surface 21 dans l'anneau 16 et la surface supérieure Il du support 10 dans anneau 16 délimitent une cavité interne 31, ce qui s'obtient en assemblant le disque 20 au support 10 après avoir déposé l'anneau 16 sur la surface 11. Puis on soumet ces éléments à une température relativement élevée pour ramollir l'anneau 16 et fixer le disque 20 sur le substrat 10 avec un joint essentiellement hermétique.Cette opération n'agit pas sur les couches de métallisation du disque 20 et du support 10, puisque. les températures de fusion de ces couches sont notablement plus élevées que la température de fusion de l'anneau 16.-Ainsi, pendant l'opération de réunion du disque 20 au substrat io, les patins d'écartement 19 qui ont été précédemment cuits à une température beaucoup plus élevée (7600C) que celle de la fusion de l'anneau 16, ne sont pas influencés par la température de cuisson de l'anneau et constituent des organes d'écartement en trois points, définissant l'intervalle entre les électrodes 18, 22 du condensateur. A La figure 3, la structure de scellement 32 est représentée sur la surface 12; elle scelle efficacement l'orifice 17 qui débouche sur la surface 12 de façon à remplir la cavité 31 de manière étanche à l'air. Après avoir fixé hermétiquement le disque 20 sur le support 10 par l'anneau isolant 16, on réalise une dépression de référence dans la cavité 31 par l'orifice 17 puis on assure l'étanchéité par le moyen de scellement 32 qui est de préférence un bouchon de soudage. De cette manière, la cavité 31 conserve une dépression de référence et les pressions externes au disque 20 font fléchir celui-ci et modifient l'écartement des électrodes 18, 22 et ainsi la capacité. En contrôlant cette capacité, on obtient par le transducteur une indication de la pression. Selon la figure 3, un premier conducteur externe 33 de branchement traverse l'orifice 14. Ce conducteur est relié par un moyen conducteur approprié à la patte 18A. Le conducteur 33 est le branchement externe pour la couche de métallisation 18 qui constitue l'une des électrodes du condensateur à plaques parallèles. De même, un conducteur externe 34 traverse l'orifice 13 pour être relié électriquement à la patte'23 du disque 20 du diaphragme. Le conducteur externe 34 est ainsi relié à la couche de métallisation 22 qui constitue la seconde électrode du condensateur. Le transducteur formé du disphragme 20 et du substrat 10 est monté mécaniquement dans le bottier 30. La figure 3 montré ce montage; la zone périphérique extérieure du disque 22 s'appuie sur un anneau torique 35 maintenu en place par les épaulements 36 formés sur la paroi intérieure du bottier 30 qui comportent un orifice 37. Le bottier 30, le joint 35 et le disque 22 forment une cavité extérieure 38 subissant l'effet des pressions par l'intermédiaire de l'ori- fice 37. Les diverses pressions externes qui règnent dans la cavité 38 sont détectées par le transducteur et font fléchir le disque 22. La capacité qui existe ainsi entre les conducteurs externes 33, 34 constitue une mesure de la pression appliquée à la cavité 38 par rapport à une pression de référence prédéterminée (dépression) à l'intérieur de la cavité 31. A la figure 3, un organe d'écartement annulaire 39, élastique, constitue le support du transducteur de pression; la plaque d'extrémité 40 du bottier 30 est montée dans le bottier 30 par des vis pour maintenir un fil transducteur dans le bottier 30; le transducteur est pressé contre l'anneau torique 35 pour assurer l'étanchéité et maintenir l'intégrité de la cavité 38 dans laquelle sont appliquées les pressions externes par l'orifice 37. Les couches de métallisation 18, 22, ainsi que les patins d'écartement 19 et l'anneau 16 sont imprimés par sérigraphie sur le substrat 10 et le disque 22. De préférence, toutes les couches de métallisation comportent une pâte de verre formant un film épais contenant des particules de verre qui se ramollissent à des températures prédéterminées et qui assurent la liaison de la couche de métallisation aux supports en céramique. Pour l'anneau 16, les particules de verre fondent à une température relativement faible et lorsque l'anneau fond, il relie hermétiquement le disque 20 du diaphragme au support de base 10. Les couches de métallisation 18, 22 comportent des particules de verre à température de fusion relativement élevée non influencée par la température de cuisson faible, faite ultérieurement pour l'anneau 16. Les patins d'écartement 19 contiennent des particules de verre à température de fusion élevée, qui ne seront pas influencées par la température de cuisson relativement faible de l'anneau 16. La couche de métallisation 18 et les patins d'écartement 19 sont au début sérigraphiés sur le support 10, puis sont cuits à une température relativement élevée. Puis on réalise par sérigraphie l'anneau isolant 16 sur les patins d'écartement 19 précédemment cuits. Les figures 1 et 4 montrent le suppnrt 10 après ces deux opérations.-Puis on assemble le disque 20 de la partie supérieure du support 10 et, le cas échéant, après avoir posé un poids sur le disque 20, on effectue la cuisson pour fondre l'anneau 16 sans faire fondre les couches de métallisation cuites précédemment. Le disque 20 s'appuie ainsi sur les trois patins d'écartement 19.Comme ceux-ci ont éte cuits à une temtorature élevée au cours d'une opération précédant la cuisson de l'anneau, il est alors possible de régler la cuisson de l'anneau pour optimaliser les caractéristiques d'étanchéité sans influencer la capacité nominale du transducteur. Cela résulte de ce que pour optimaliser les caractéristiques d'étanchéité de l'anneau 16, il faut chauffer le verre de cet anneau pour qu'il coule facilement. A ce moment, le verre de l'anneau 16 entre les patins 19 et le disphragme 20 se réduit au minimum si bien que les patins 19 définissent principalement l'écartement entre le diaphragme 20 et le support 10. La figure 4 montre les patins 19, cuits, en dessous de la couche 16, réalisée par sérigraphie ; cette couche 16 n'est pas encore cuite.La capacité nominale du transducteur peut se régler par des profils cuits et justés modéremment, en respectant le temps de température, comme les patins (19) puisque les profils cuits pour un matériau résistant a une haute température peuvent généralement varier sous une grande échelle sans affecter d'une façon gênante les propriétés de liaison physique de ce matériau. Dans le mode de réalisation préférentiel, l'anneau d'étanchéité 16 chevauche (est réalisé par sérigraphie par-dessus) les patins d'écartement 19 après cuisson de ceux-ci. Cela permet de limiter au minimum les changements d'outillage pour réaliser l'invention, par rapport à l'outillage utilisé pour les transducteurs connus. Comme les patins d'écartement définissent les points de support principaux du diaphragme 20, le chevauchement de l'anneau de scellement, on peut prévoir le même diamètre de support si bien que les caractéristiques de fléchissement des transducteurs selon l'invention seront les mêmes que celles des transducteurs connus et il ne sera pas nécessaire de modifier l'outillage pour le diaphragme ou pour le support. REVENDICATIONS 10) Transducteur capacitif de pression comportant un support 10 d'une épaisseur T avec une première électrode capacitive 18 déposée sur l'une de ses surfaces 11, un support de diaphragme 20 d'une épaisseur T1, notablement inférieure à l'épaisseur T, le diaphragme 20 portant sur l'une de ses surfaces une seconde électrode capacitive 22, un moyen de scellement 16 étant prévu entre les surfaces du support et du diaphragme pour les réunir de façon que la première et la seconde électrodes 18, 22 soient en regard l'une de l'autre en étant séparées d'un intervalle 31, le moyen de scellement 16 étant formé par un film pâteux, épais, réalisé par sérigraphie, transducteur caractérisé par au moins trois patins 19 formés par un film épais, pâteux, imprimé par sérigraphie sur au moins l'une (11) des surfaces du diaphragme et de la base, les patins définissant l'écartement entre les électrodes î8, 22, ces patins étant appliqués séparément par le moyen de scellement 16 et le film épais pâteux qui constitue les patins à une température de fusion beaucoup plus élevés que celle du moyen de scellement. 20) Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de scellement est formé par un anneau périphérique isolant la métallisation, cet anneau étant constitue par un film pâteux épais réalisé par sérigraphie sur le support de base ou le diaphragme. 30) Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que tous les patins sont prévus sur le support du diaphragme et sur le support de base.