Brevet FR2493984A1 — publié le 19820514

La présente invention se rapporte à un transducteur de pression à élément vibrant convertissant une pression, ou une différence de pression, en un signal électrique dont la fréquence est une mesure de cette pression ou différence de pression. Les techniques modernes de traitement de l'information ren- dent de plus en plus nécessaires les convertisseurs fournissant un signal de sortie compatible avec les systèmes entièrement nu- mériques. Par ailleurs, on exige de tels convertisseurs qu'ils soient précis et stables et qu'ils aient, si possible, une con- sommation très faible. On connaît, par l'article de Jerome M.Paros "Precision digital pressure transducer", paru dans la revue amé- ricaine I.S.A. Transactions Vol. 12, No 2, pages 173 à 179, un transducteur de pression remplissant ces conditions et utilisant, comme organe de base, une plaque mince de quartz excitée piézo- électriquement. Cette plaque mince vibrante constitue en fait un transducteur de force dont la variation de fréquence dépend de la force qui lui est appliquée. La réalisation d'un transducteur de pression à partir de ce transducteur de force exige la transfor- mation mécanique de la pression en une force, ce qui est d'autant plus délicat que la précision cherchée est grande. Une telle réa- lisation est notamment décrite à la figure 3 de l'article précité. Un transducteur de pression de ce type se prête mal à une fabri- cation industrielle, car il requiert des ajustements et il est difficilement miniaturisable. Un transducteur convertissant directement une pression, ou une différence de pression, en une fréquence est décrit dans le brevet GB No 1 228 401, déposé le 16 mai 1968 et intitulé: "Pressure responsive apparatus". Le transducteur décrit dans ce brevet fait appel au principe de la membrane vibrante séparant deux milieux à des pressions différentes. La fréquence de réso- nance de la membrane est fonction de la différence de pression des deux milieux. Le brevet prévoit des moyens d'excitation élec- tromagnétiques de la membrane qui servent également à déterminer la fréquence de résonance et, par suite, à fournir une mesure de la différence de pression appliquée. Bien que présentant l'avan- tage de convertir directement une pression en une fréquence, un tel transducteur ne remplit pas l'objectif de la faible consomma- tion et est difficilement miniaturisable. Aussi, un objet de l'invention est un transducteur de pres- sion utilisant un élément vibrant et ne présentant pas les in- convénients mentionnés ci-dessus. En particulier, le transducteur de l'invention est précis, sensible, de très faible consommation, facilement miniaturisable et se prête bien aux exigences d'une fabrication industrielle. Le transducteur de pression selon l'invention comprend une membrane fixée sur un support de manière à former une cavité et constituée au moins en partie par un matériau piézo-électrique; des moyens étant prévus pour exciter et entretenir les oscilla- tions de la membrane à sa fréquence de résonance et pour déli- vrer un signal à cette fréquence de résonance. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite membrane est réalisée intégralement dans un matériau piézo- électrique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le- dit support est réalisé dans le même matériau que ladite membra- ne vibrante. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation particuliers, la- dite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: - la figure 1.a est une vue en coupe d'un transducteur de pression, selon l'invention, dépourvu de la partie électronique; - la figure 1.b montre une variante du transducteur de la figure 1.a; - la figure 2.a montre schématiquement un transducteur complet incorporant une membrane réalisée dans un quartz de cou- pe X; - la figure 2.b montre les axes de coupe de la membrane de la figure 2.a; - la figure 3 représente un schéma électrique équivalent d'une membrane en quartz; - les figures 4.a et 4.b sont des diagrammes d'amplitude et de phase se rapportant à des configurations différentes d'élec- trodes; - la figure 5.a montre une membrane de coupe GT; - la figure 5.b montre les axes de coupe de la membrane de la figure 5.a; - la figure 6.a montre une autre variante de membrane obte- nue par dépôt d'un matériau piézo-électrique sur un substrat; - la figure 6.b montre une autre configuration d'électrodes pour une membrane telle que représentée à la figure 6.a; - la figure 7.a montre une autre variante de membrane obte- nue par collage sur un support d'une pastille en matériau piézo- électrique; et - la figure 7.b est une vue de profil de la membrane de la figure 7.a. La figure 1.a montre, en coupe, un transducteur de pression prévu pour délivrer un signal dont la fréquence est une mesure de la différence entre les pressions Pl et P2. Le transducteur se compose d'une membrane 1 de préférence, mais non nécessairement, circulaire, fixée sur un support 2 formant cavité et d'un cou- vercle 3 formant une deuxième cavité et également fixé à la mem- brane 1. Le support 2 et le couvercle 3 comportent des ouvertures, respectivement-21 et 31, grâce auxquelles les cavités formées par le support 2, la membrane 1 et le couvercle 3 peuvent être mises à des pressions différentes Pl et P2. Les fixations du support et du couvercle sur la membrane, soient respectivement 24 et 34, doivent être étanches. Il pourra s'agir de fixations par collage ou par tout autre moyen adéquat. Selon l'invention, la membrane 1 est constituée au moins partiellement par un matériau piézo-élec- trique. Elle peut être, par exemple, réalisée en quartz et exci- tée par l'intermédiaire d'électrodes métalliques déposées sur ses faces. Les électrodes sont reliées à un oscillateur (non représen- té) par les fils 32 et 33. Une autre électrode est déposée sur la -3- -4- 2493984 face inférieure 12 de la membrane. Elle peut être mise en contact électrique avec le support 2 si celui-ci est conducteur et être reliée à la masse du circuit oscillateur comme cela apparaîtra sur les figures suivantes. La membrane 1 peut ainsi être conve- nablement excitée pour osciller, hors de son plan, à sa fréquen- ce de résonance et cette dernière est une mesure de la différence entre les pressions Pl et P2. Il est, par ailleurs, bien évident qu'une mesure directe de pression absolue est possible à condi- tion que le vide soit fait dans l'une des cavités, par exemple celle formée par le support 2 et la membrane 1. Dans ce cas, l'ouverture 21 sera hermétiquement bouchée une fois que le vide sera atteint. Si le transducteur doit fournir une mesure de la pression atmosphérique, le couvercle 3 ne sera dans ce cas pas nécessaire ou pourra alors être réalisé dans un matériau absor- bant les ondes acoustiques engendrées par les oscillations de la membrane 1. Le support 2 et/ou le couvercle 3 seront de préféren- ce réalisés dans le même matériau que la membrane afin de réduire les effets d'une variation de température. La figure 1.b montre une variante de réalisation particu- Fièrement avantageuse du transducteur de l'invention lorsqu'il est utilisé pour donner une mesure de la pression atmosphérique. Selon cette variante, la membrane 1 a déjà la forme d'une cavité dont le support 2 constitue le couvercle. La partie vibrante de la membrane 1 est constituée par le fond aminci de la cavité. Le support 2 est fixé de manière étanche sur les bords de la membra- ne, cette opération pouvant être effectuée sous vide. Un couver- cle 3 est pincé sur les bords de la membrane 1 sans toutefois em- pêcher la pression atmosphérique de s'établir entre le couvercle 3 et la membrane 1. La membrane 1 est réalisée dans du quartz cristallin et est pourvue, dans sa partie amincie, d'électrodes aptes à permettre son excitation. Cependant, ainsi qu'on le verra plus loin, elle peut également être réalisée dans d'autres maté- riaux et avoir le fond constitué en partie par un matériau piézo- électrique déposé ou collé. Les figures suivantes montrent plusieurs variantes de la membrane de la figure l.a. Il est cependant évident que ces va- riantes peuvent également être appliquées à une membrane telle que représentée à la figure 1.b. La figure 2.a montre un exemple de réalisation d'une mem- brane mouvant servir d'élément vibrant d'un transducteur selon l'invention. La membrane 1 est découpée dans une plaque de quartz de coupe X comme l'indique la figure 2.b dans laquelle les axes X, Y, Z représentent respectivement l'axe électrique, l'axe mé- canique et l'axe optique du cristal. On notera que l'on entend par plaque de coupe X une plaque taillée de manière que l'axe X soit à peu près perpendiculaire au plan de la plaque. La membra- rie 1 est métallisée sur toute sa face inférieure 12 et est pour- vue sur sa face supérieure de deux électrodes 10 et 11. Les élec- trodes supérieures 10 et 11 ont la forme de secteurs angulaires à peu près symétriques par rapport à l'axe Y de la plaque 1. La figure 2.a montre encore un amplificateur 13 servant d'oscilla- teur, un amplificateur 14, qui amplifie la tension de sortie VS de l'oscillateur, et un fréquencemètre 15 qui permet de visuali- ser l'information de sortie du transducteur. L'électrode 10 est reliée à l'entrée de l'amplificateur 13 dont la sortie est reliée à l'électrode 11 et à l'entrée de l'amplificateur de mesure 14. La métallisation de la -face inférieure 12 de la membrane 1 est reliée à la masse de l'amplificateur 13. La figure 3 montre un schéma équivalent électrique d'une membrane découpée dans une plaque de quartz et munie de trois électrodes comme dans la figure 2.a. Entre l'entrée et la sortie, on trouve deux branches parallèles dont l'une est constituée par la connexion série d'une résistance RS, d'une inductance L et d'une capacité C et dont l'autre est constituée par une capacité équivalente CO. L'entrée et la sortie sont reliées l'une et l'au- tre à la masse par l'intermédiaire d'une capacité, soient CE et CS respectivement. Les figures 4.a et 4.b montrent des diagrammes de phase et d'amplitude pour une valeur positive et une valeur négative de la capacité équivalente CO. Les diagrammes d'amplitude sont repré- sentés en traits pleins et ils expriment la variation du rapport de la tension de sortie VS à la tension d'entrée VE en fonction de la pulsation angulaire.j. Ce rapport VS/VE est minimum pour Dé = W p (résonance parallèle) et est maximum pour De = M s (réso- nance série). La résonance parallèle a lieu pour une valeur ú. p -6inférieure à ais, lorsque CO est négative et pour une valeur cJ'p supérieure à L>'s, lorsque CO est positive. Les diagrammes en pointillés représentent la variation du déphasage 0 entre les tensions d'entrée et de sortie en fonction de la pulsation angu- laire úJ. La valeur positive ou négative de la capacité équiva- lente CO dépend de la membrane utilisée. Ainsi, pour une membrane réalisée dans une plaque de quartz de coupe X, telle la membrane de la figure 2.a, la capacité équivalente CO a une valeur négati- ve alors que pour une membrane réalisée dans une plaque de quartz de coupe GT, telle la membrane représentée à la figure 5, la ca- pacité équivalente CO a une valeur positive. La figure 5,a montre une membrane 1 taillée dans une plaque de quartz de coupe GT, et la figure 5.b montre les axes X', Y' et Z' du cristal. La face inférieure 120 de la membrane est entière- ment métallisée et constitue l'électrode reliée à la masse. Sur la face supérieure quatre électrodes 101 à 104 sont déposées, les électrodes symétriques 101 et 102 ou 103 et 104 sont reliées entre elles pour constituer les unes la borne d'entrée et les au- tres la borne de sortie. Les figures 6.a et 6.b montrent des membranes comportant un substrat métallique 220 sur lequel on a réalisé, par évaporation, une couche de matériau piézo-électrique polarisé 200. La figure 6.a montre une configuration de quadripôle avec deux électrodes 201 et 202 déposées sur la couche 200 et la figure 6.b montre une configuration de dipâle avec une seule électrode déposée 203. Le substrat métallique 220 constitue l'électrode inférieure. La figure 7.a montre un autre exemple de réalisation d'une membrane selon l'invention. La membrane est constituée principa- lement par un substrat métallique 320 sur lequel est fixée par collage une pastille 300, de diamètre sensiblement inférieur à celui du substrat 320, en matériau piézo-électrique. La pastille représentée 300 est réalisée dans une plaque de quartz de coupe X et comporte alors deux électrodes 301 et 302 disposées comme dé- crit en relation avec la figure 2.a. Il est cependant évident que d'autres coupes de même que d'autres matériaux piézo-électriques comme l'oxyde de zinc, les céramiques piézo-électriques, etc, peuvent également être utilisées. -7- Il est clair que d'autres matériaux peuvent être utilisés pour la réalisation du substrat 320. Celui-ci devra cependant avoir de bonnes propriétés mécaniques (résistance, élasticité) et pouvoir être réalisé avec une épaisseur suffisamment faible. On peut citer, à titre d'exemples non limitatifs de matériaux ayant les propriétés requises, le silicium et la silice. La figure 7.b montre la membrane de la figure 7.a vue de profil. Cette figure met en évidence le fait que la sensibilité du transducteur de l'invention est plus grande si la membrane est préalablement incurvée. En effet, les forces engendrées par l'ap- plication d'une tension alternative aux électrodes, ont une di- rection parallèle aux électrodes. La courbure de la membrane in- terviendra automatiquement si les pressions appliquées de part et d'autre de la membrane sont très différentes (cas du vide et de la pression atmosphérique par exemple). Par contre, si l'on dési- re mesurer de faibles différences de pression, il conviendra de réaliser cette courbure avant ou lors de la fixation de la mem- brane sur son support. La courbure de la membrane peut alors être réalisée au moyen d'une contrainte mécanique exercée sur la mem- brane lors de sa fixation sur son support (fig. 1.a). Cette cour- bure peut aussi être obtenue lors de la réalisation de la membra- ne (fig. 1.a et 1.b). Le transducteur de l'invention, muni d'une électronique adaptée (voir figure 2.a), peut aisément trouver application dans tout système comportant des capteurs de pression et un système de traitement numérique. Sa très faible consommation et la possibili- té d'une grande miniaturisation permettent de l'incorporer dans des systèmes autonomes munis de piles ou batterie, tels les véhi- cules automobiles ou les appareils de mesure portables. Il peut, en particulier, être utilisé en tant que baromètre ou altimètre à affichage numérique. Une autre utilisation avantageuse du transducteur de l'in- vention est l'utilisation comme thermomètre à gaz. Pour cela, l'une des cavités, par exemple celle formée par la membrane 1 et le support 2, est remplie avec un gaz à une pression donnée puis est fermée hermétiquement. L'autre cavité peut alors être à la pression atmosphérique, remplie avec un gaz différent du premier - 8- et également à une pression donnée ou mise sous vide, selon les performances désirées. Le transducteur délivre alors un signal qui est une mesure de la température du milieu dans lequel-il baigne, ce dernier étant supposé rester à une pression constante. Bien que la présente invention ait été décrite dans le ca- dre d'exemples de réalisation particuliers, il est clair qu'elle n'est cependant nullement limitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine. _9_ REVENDICATIONS 1. Transducteur de pression comportant une membrane vi- brante fixée sur un support de manière à former une première ca- vité, ledit transducteur étant caractérisé en ce que ladite mem- brane vibrante est constituée au moins en partie par un matériau piézoélectrique et en ce que des moyens sont prévus pour exciter et entretenir les oscillations de la membrane à sa fréquence de résonance et pour délivrer un signal électrique à cette fréquence de résonance. 2. Transducteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane est constituée par le fond aminci d'une cavité fermée par ledit support. 3. Transducteur selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un couvercle formant avec ladite membrane vibrante une deuxième cavité. 4. Transducteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite membrane vi- brante est intégralement constituée par un matériau piézo-élec- trique et comporte sur ses faces des électrodes aptes à permettre les oscillations de la membrane hors de son plan. 5. Transducteur de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit support est réalisé dans le même ma- tériau piézo-électrique que ladite membrane vibrante. 6. Transducteur de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit couvercle-est réalisé dans le même matériau piézo-électrique que ladite membrane vibrante. 7. Transducteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite membrane est constituée par un substrat élastique et par une partie en maté- riau piézo-électrique comportant au moins une électrode, une au- tre électrode étant constituée par ledit substrat élastique. 8. Transducteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite partie en matériau piézo-électrique est réalisée en déposant par évaporation ledit matériau piézo- électrique sur ledit substrat élastique. -10- 9. Transducteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite partie en matériau piézo-électrique est réalisée en collant sur ledit substrat élastique une pastille de matériau piézo-électrique. 10. Transducteur de pression selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite pastille de matériau piézo-électri- que a un diamètre sensiblement plus faible que celui dudit subs- trat élastique. 11. Transducteur de pression selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que ledit couvercle est conçu de manière à absorber les ondes acoustiques engendrées par les oscillations de ladite membrane vibrante. 12. Transducteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite membrane vi- brante est fixée sur ledit support de manière à présenter une courbure initiale. 13. Transducteur de pression selon i:une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite membrane est réalisée de manière à présenter une courbure initiale. 14. Utilisation d'un transducteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite première cavité est remplie par un gaz à une pression donnée, ladite cavité étant ensuite hermétiquement fermée, de manière que ledit transducteur de pression serve de thermomètre à gaz.