Brevet FR2497340A1 — publié le 19820702

On utilise déjà depuis de nombreuses années des convertisseurs de forces comportant des ponts de résistances de jauges extensiométrique ou à films minces. En général les jauges sont disposées sur un élément de flexion qui se déforme en réponse à l'application d'une force. Dans ce cas, les effets de la température peuvent provoquer des dilatations inégales des branches du pont, même en l'absence d'application réelle d'une force. Ceci se traduit par un décalage du point zéro du pont puisqu'il apparat un signal de sortie même si aucune force n'est appliquée. De même, les effets de la température peuvent se traduire par des variations différentielles de l'électricité ou de la constante élastique de différentes parties du convertisseur, de sorte qu'une flexion donnée de l'élément de flexion se traduit par des signaux de sortie du pont différents lorsque la température varie.Ceci provoque un décalage de la plage de mesure du pont, qui est également appelée facteur ou sensibilité de la jauge. On a déjà antérieurement effectué différentes tentatives de compensation des effets de la température. le brevet des E.U.A. 2.930.124 décrit un type de jauge extensiométrique à compensation de la température dans lequel on utilise un thermocouple insensible aux contraintes pour engendrer un courant opposé à celui qui parcourt la résistance de la jauge afin d'annuler les effets de la température. Toutefois, les éléments compensateurs de température sont situés dans ce cas sur la partie de l'élément de flexion qui subit les effets des contraintes et sont donc en fait soumises aux variations de résistance résultant de la contrainte appliquée.Le brevet des E.U.B 3.034.346 décrit également une technique destinée à compenser la non linéarité d'une jauge extensométrique dans laquelle des résistances compensatrices sont placées sur la partie de l'élément de flexion qui subit la contrainte. le brevet des E U A 3.886.799 décrit un convertisseur de pression à semi-conducteur dans lequel des éléments compensateurs sont prévus sur l'élément de fle xion qui porte le pont de la jauge extensométrique Bien que ces dispositifs de la technique antérieure aient réussi dans une certaine mesure à compenser les effets de la température, la disposition des éléments compensateurs sur la partie de l'élément de flexion qui est soumise à la contrainte provoque des variations de la résistance qui sont dues à la contrainte et qui tendent à empêcher les éléments compensateurs d'exercer de la façon voulue leur fonction de réduction au minimum des effets de la température. Par ailleurs, en raison des procédés compliqués nécessaires pour la production des convertisseurs à jauge extenpométrique en film mince selon la technique antérieure, leur temps de fabrication est long et leur prix élevé. Le but de l'invention est de réaliser un convertisseur à jauge extensiométrique en film mince , perfec tisonné, muni de moyens de compensation de la température. Un autre but de l'invention est de réaliser un tel convertisseur dans lequel les éléments de compensation ne subissent pas les contraintes appliquées qui, autrement, influenceraient leurs performances. Un autre but de L'invention est de réaliser un tel convertisseur dans lequel la structure des jauges exten sométriques et des éléments compensateurs soient très simple de manière à permettre une fabrication rapide et peu otteuse. Ces buts ne sont indiqués qu'à titre d'exemples. D'autres résultats désirables et d'autres avantages de à l'invention apparaitront à l'homme de l'art. Ces buts ainsi que les autres avantages sont atteints par l'invention qui a pour objet, dans une forme de réalisation, un élément de flexion comprenant au moins un élément résistant de jauge de contrainte en film mince déposé sur lui en un point tel qu'il est soumis à des contraintes lors de la déformation de l'élément de flexion. Des conducteurs en une matière ayant un coefficient de résistance avec la température opposé à celui des résistances des jauges extensoinetriques sont connectés à ces dernières. Des résistances de compensation de la température sont formées dans les conducteurs et déposées en un emplacement de l'élément de flexion qui ne subit pas la contrainte pendant le fonctionnement. Habituellement, on utilise un pont de jauge de contraintes. Grâce au procédé simplifié qui est appliqué pour la fabrication du convertisseur, les conducteurs sont sur une mince couche sousjacente en la même matière que las résistances des jauges extensométriques ., On entend ici par l'expression "film mince" des éléments de faible épaisseur qui sont déposés par des techniques de projection ou de dépôt sous vide.Habituellement, l'épaisseur de ces films se mesure en Angstr$ms ou en microns de sorte qu'un ensemble de plusieurs couches de tels films minces peut avoir une épaisseur de seulement 4 à 30 microns et qu'une couche individuelle peut avoir une épaisseur d'environ 200 Angstroms à 1 micron. De tels éléments en film mince sont utilisés dans les circuits intégrés et ils se distinguent nettement des éléments discrets ou, dans le cas des jauges de contraintes, ils se distinguent das jauges collées et des jauges en fils. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront plus clairement au cours de la description qui va suivre. Sur les dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple - la Fig. 1 est une vue en perspective très agrandie d'un élément de flexion sur lequel a été déposé un pont de'jauges de contraintes, muni de moyens de compensation de la température, conformément à l'invention; - la Fig. 2 est un schéma du pont représenté sur la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue en coupe très agrandie, sui vant la ligne 3 - 3 de la figure 1 qui montre des parties des films minces déposés pour former les éléments résistants de jauge de contrainte et les conducteurs électriques du pont. On donnera ci-aprs une description détaillée de 1'- invention en se référant aux dessins, sur les différentes figures desquelles les mêmes éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence. Suivant l'exemple d'exécution représenté sur les Fig. 1 à 3, un convertisseur de forces suivant l'invention comprend une poutre ou élément de flexion 10 qui comporte une partie immobile 12 et une partie mobile 14 reliées par une partie flexible 16. La poutre 10 est normalement en une matière élastique telle que l'acier, et a la forme d'un parallélépipède rectangle, comme représenté sur le dessin; cependant tout autre matière élastique appropriée peut être utilisée. La partie flexible 16 est formée en perçant, ou en pratiquant d'une sutre façon, deux trous, 18, 20 transversalement dans la poutre 10, en réunissant les trous par une rainure 22 et en faisant déboucher le trou 20 sur la face inférieure de la poutre 10 par une fente 24.De cette façon, lorsque la partie immobile 12 est fixe et qu'une force est appliquée à la partie mobile 14 dans la direction indiquée par la flèche de la Fig. 1,la surface supérieure 26 de la partie flexible 16, se déforme pour prendre une forme incurvée dans laquelle la partie mince 2ô située au-dessus du trou 18 est tendue tandis que la partie mince 30 située au-dessus du trou 20 est comprimée. Quatre éléments résistants de jauge extensométrique en film mince E ,R, R4 sont déposes sur la surface superieure 26 d'une façcn qui sera décrite plus bas, de telle sorte que RI et E se trouvent au-dessus de la partie mince 28 tandis que N et R4 se trouvent au-dessus de la partie ince 30. Ta Fig. 2 indique schématiquement les éléments résistants qui sont en tension (T) et ceux qui sont en compression (C) et montre également leur montage dans un pont de liheatstone. Les résistances R1 et R4 sont connectées entre elles au noeud 32 par des conducteurs métalliques en films minces 34, 36.Un conducteur en film mince de grande longueur 38 part du noeud 32, quitte la partie mobile 14, et se prolonge sur la partie fixe 12 jusqu'à un élément résistant en film mince de compensa tion de température en forme de serpentin R31 qui est réalisé en même métal que le conducteur 38. L'autre extrémité de l'élément résistant Rsl est raccordé à un plot de connexion 40. Un conducteur en film mince 42 part de l'élément résistant R4, quitte la partie mobile 14, et se prolonge sur la partie fixe 12 jusqu' un élément résistant de compensaticn de la température Rzl, en film mince, qui a la forme d'un serpentin et est également en même métal que le conducteur 42.L'autre extrémité de l'élément résistant R;1 est connecté en deuxième plot de connexion 44. Les éléments résistants R1 et R2 sont connectés entre eux à un noeud 46 par des conducteurs métalliques en film mince 48, 50. Un conducteur en film mince de grande longueur 52 va au noeud 46 à un plot de connexion 54 déposé sur la partie fixe 12. Un conducteur 56 en film mince ve de l'élément résistant R2 au noeud 58 Wui est lui-même connecté à l'élément résistant R3 par un conducteur en film mince 60. Un conducteur en film mince de grande longueur 62 va du noeud 58 à un autre élément résistant de compensation de température Rus2, en un film mince ayant la forme d'un serpentin, qui est déposé sur la partie fixe 12.L'autre extrémité de l'élément résistant R92 est connectée à un plot de connexion 64. Enfin, un conducteur en film mince, de grande longueur, 66 va de l'élément résistant s à un autre élément résistant de compensation de température, en film mince, Rz2 ayant la forme d'un serpentin déposé sur la partie fixe 12 et réalisé en même métal que le conducteur 66. L'élément résistant Rz2 se termine par un deuxième des plots de con nexion 68. Sur la Fig. 3 est représenté une vue schématique en coure suivant la ligne 3-3 de a Fig. 1, de L'élément résistant R1. les éléments résistants R1 à R4 airs que les éléments 32 à 6o sont de préférence déposés sur l'élément de flexion 12 en utilisant une structure unique à quatre couches et des techniques photolithographiques pour définir les tracés des rés stances et des conducteurs.Après un nettoyage approprié de la poutre de flexion tc on dépose successivewlent sur la surface 26, une couche 70 isolante de l'électricité, une couche résistante 72 et une couche conductrice 74, de sorte que la totalité de la surface 26 est recouverte par trois couches exactement superposées. Ensuite, en utilisant un cl hue photographique approprié, cn attaque à l'acide la couche 74 pour laisser subsister uniquement les parties de cette couche 74 qui sont nécessaires pour le réseau de conducteurs et de résistances de compensation de température décrits plus haut.Ensuite, en utilisant un autre cache photographique approprié, on attaque la couche 72 pour ne laisser subsister que les éléments résistants R1, R2, i et R4 connectés à leurs conducteurs respectifs. Corme on peut le voir sur la Fig. 3, chaque conducteur et chaque résistance de comensation de température est en réalté composé de deux films minces superposés, de même béométr e, constitués respectivement par un film métallique supérieur restant de la couche 74 et,au-dessous, un film inférieur résistant qui reste de la couche 72.Une couche de passivation 76 est de préférence déposée sur l'ensemble de la jauge, après quci des trous ou fenêtres (non représentés) sont gravés par attaque à l'acide dans cette couche pour donner accès aux plots de connexion 40, 44 (2 plots) 54, 64 et 68 (2 plots). Le procédé utilisé pour déposer le pont de jauges extensométriques est decrit de façon plus détaillée dans la demande de brevet déposée aux E.U.A qui est incorporée par référence dans la présente demande. Toutefois il sera évident pour l'homme de l'art que l'on peut également appliquer d'autres procédés de fabrication sans pour cela sortir du cadre de l'invention. La couche isolante 70 peut être en Ta20s,1a couche des résistances 72 en un cermet classique et la couche conductrice 74 en or. On peut également utiliser d'autres matériaux appropriés comme, par exemple, l'alumine ou la fosterite pour la couche isolante 70, le nichrome, MoSi ou CrSi pour la couche résistive 72 et le nickel pour la couche conductrice 74. Le coefficient de tempéra ture de résistance de la matière résistive 72 de la jauge extensometrique est choisi de polarité opposée à celle de la matière 74 des conducteurs. En fonctionnement, lorsque la partie mobile 14 stin- curve vers le haut sous l'effet d'une force qui lui est appliquée, les valeurs ohmiques des éléments R1 à R varient sous l'effet de contraintes appliquées. L'alimentation du pont est appliquée entre les plots de connexion 40, 64 et la sortie du pont s'effectue entre les plots 54 et 44-68 de la façon bien connue.Si la température des diverses résistances varie par rapport au niveau auquel le convertisseur a été calibré, la valeur chimique des éléments R1 à R4 varie dans un sens et celle des éléments R51 et R32 ainsi que celle des éléments Rzî et/ ou Rz2 (Si ces éléments ont été laissés en circuit) varient en sens opposé. le facteur qui décide si Rzî et Rz2 sont laissés en circuit ou court-circuités durant l'étalonnage dépend des conditions de la fixation du zéro de l'étalonnage. Les variations des résistances R31 rt R92 tendent à maintenir la plage ou le facteur de la jauge à une valeur relativement constante tandis que les variations des résistances Rzl et/ou Rz2 tendent à maintenir le réglage du zéro relativement constant lorsqu'- aucune charge n'est appliquée, même lorsque la température varie. Les résistances R31 et Rs2 sont représentées dans le circuit d'entrée du pont mais on reste encore dans le domaine de l'invention en les plaçant dans le circuit de sortie. De même, les résistances Rzl et Rz2 sont représentées en série avec les résistances de la jauge contenue dans les branches du pont mais elles peuvent également être montées en parallèle avec les résistances de la jauge extensometflque sans pour cella sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, bien que l'on ait représenté les résistances de compensation de température sous la forme de serpentins, cette géométrie n'est pas critique, d'antres dispositions peuvent être adoptées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, une autre solution consiste à modifier l'épaisseur de le couche d'or pour modifier la valeur des résistances de compensation. - REVENDICATIONS 1 - Convertisseur à jauges ext ens orne triques en films minces comprenant un élément de flexion (10) qui se déforme en réponse à l'application d'une force; au moins un élément résistant de jauge extensiométrique en film-mince ( à R4) déposé sur l'élément de flexion en bonne position pour subir une contrainte lors de la déformation de cet élément de flexion, cet élément étant en une première matière (72) ayant un premier coefficient de variation de la résistance avec la température; caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux conducteurs en film mince de matière électroconductrice(34, 36, 42, 48, 50, 56, 60, 66' déposés sur l'élément de flexion e-t connectés à un élément RI à R4 de jauge ext ens ométrique en film mince servant à conduire le courant pour l'amener à cet élément résistant ou l'évacuer de cet élément, ces conducteurs à film mince étant en une deuxième matière (74) ayant un deuxième coefficient de variation de la résistance en fonction de la température qui est de signe algébrique opposé de celui de la première matière; et au moins un élément résistant de compensation de température , en film mince (ssslw R52, Rzî ou B Rz) connecté en circuit avec les conducteurs, disposé en un emplacement de l'élément de flexion qui ne subit pas de contrainte lors de la déformation de cet élément de flexion, et également réalisé dans la deuxième matière, de sorte que les variations de la valeur ohmique de l'é- lément résistant de jauge extensométrique qui résultent de la température sont compensées par des variations opposées de la valeur ohmique de cet élément résistant de compensation de température, ce qui rend le convertisseur moins sensible aux variations de la température ambiante. 2 - Convertisseur- suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins quatre éléments résistants (R1 à R4) Jauge extensométrique montée en pont Wheatstone et en ce qu'au moins une des résistances (Rs1, Rs2) de compensation de la température en film mince, est connectée dans le circuit d'entrée du pont pour assurer la compensation de la température dans la plage ou facteur de jauge de ce pont. 3 - Convertisseur suivant 12 revendication 1, carac térisé en ce qu'il comprend au moins quatre éléments ré sistants ( à R43 de jauge extensométrique montés en pont Wheatstone et en ce qu'au moins une résistance de compen- sation ( 1 Rs2) de la température en film mince est con- nectée dans au moins une branche du pont pour assurer la compensation en température du réglage du zéro du pont. 4 - Convertisseur suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'une autre résistance de compensation (Rzl, Rz 2) de la température à film mince est connectée dans au moins une branche du pont pour assurer la compensation en température du réglage du zéro du pont. 5 - Convertisseur suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un film mince de matière Isolante de l'électricité (70) déposé sur l'élément de flexion 10) au-dessous du ou des é7e- ments résistants fRl à R ) de jauge extensométrique, en film mince et un film mince de la première matière (72) déposée sur la matière isolante de l'électricité audessous des conducteurs en film mince (74).