Brevet FR2530338A1 — publié le 19840120

ELEMENT SENSIBLE A LA PRESSION ET CAPTEUR DE PRESSION EN FAISANT APPLICATION La présente invention a pour objet un élément sensible à la pression et un capteur utilisant ledit élément sensible. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif pour mesurer des pressions qui sont comprises entre quelques millibars et au moins un bar. Pour mesurer des pressions dans ce domaine on trouve tout d'abord des manomètres qui sont basés sur la déformation d'une membrane mince par la pression à mesurer Le phénomène de départ est donc d'ordre mécanique Ces manomètres sont, d'une part, volumineux et, d'autre part, ils ne permettent pas une lecture à distance de la mesure de pression puisque la liaison entre la mem- brane déformée et l'organe d'affichage est entièrement mécanique. Dans ce même domaine de pression on connaît également des appa- reils qui sont basés sur des capteurs ou des bancs de capteurs piézorésistifs L'inconvénient de tels dispositifs est que, d'une part, ils sont chers et susceptibles d'être détruits par une sur- pression et que, d'autre part, ils délivrent un signal analogique qu'il est donc nécessaire de convertir en grandeur digitale pour effectuer ultérieurement un traitement numérique En conséquence les installations qui mettent en oeuvre des enceintes sous vide le plus souvent dépourvues de dispositifs de mesure de pression dans ce domaine, ce qui n'est pas sans inconvénient sur leur fiabilité de fonctionnement. Pour remédier à ces inconvénients le principal objet de l'inven- tion est de fournir un élément sensible à la pression dans le domaine qui va de quelques millibars à au moins un bar, qui présente une bonne linéarité et une bonne sensibilité, et qui de plus délivre une information de pression sous forme d'une grandeur pseudo-digitale ou plus précisemment sous forme d'une fréquence. Un deuxième objet de l'invention est de fournir un dispositif de mesure de pression utilisant l'élément sensible défini ci-dessus dans lequel le circuit électronique de traitement du signal délivré par l'élément sensible est très simple. Pour atteindre ces buts, l'élément sensible selon l'invention comprend un résonateur en matériau piézo-électrique en forme de diapason muni d'électrodes pour être excité en flexion et dans lequel l'extrémité de chacune des deux branches du diapason est munie d'au moins une fente parallèle à la longueur des branches et traversant de part en part l'épaisseur desdites branches pour que les faces latér-ales des fentes soient perpendiculaires à la direction de déplacement des bras dans le mouvement de flexion. Ce type particulier de diapason permet d'obtenir un accrois- sement substantiel de l'effet de pression par rapport au coefficient barométrique d'un diapason de type classique En outre une telle stucture de diapason est tout à fait compatible avec un usinage de celui-ci par gravure chimique et donc avec une production des éléments sensibles en grande série. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue en perspective d'un diapason de type classique; la figure 2 a est une vue en perspective d'un diapason particulier formant l'élément sensible selon l'invention; la figure 2 b est une vue en coupe verticale -des bras du diapason montrant un premier mode de réalisation des électrodes pour exciter le diapason en flexion; la figure 3 est un diagramme illustrant le fonctionnement de l'élément sensible selon l'invention; la figure 4 montre un dispositif de mesure de pression selon l'invention, sous une forme simplifiée; et la figure -5 illustre un circuit de traitement des signaux délivrés par l'élément sensible selon les figures 2 à 4. Sur la figure 1 on a représenté un diapason de type classique. Le diapason comprend une base' 2 et deux bras respectivement référencés 4 et 6 Chaque bras a une longueur L une largeur W -et une épaisseur t De plus on appellera S la surface latérale de chaque bras c'est-à-dire les faces référencées S sur la figure 1 et limitées par les pointillés 8 Par ailleurs on appellera m la masse des bras c'est-à-dire la masse limitée par le contour extérieur des bras et par le plan figuré par les lignes en pointillés 8 Dans le cas o un tel diapason est excité en flexion, c'està-dire dans le cas o ses bras vibrent comme cela est illustré par les flèches f' la va- riation de fréquence propre Af du résonateur en fonction de la pression p est donnée par la formule suivante Af k 1 P S 1 f m X Dans cette formule f représente la fréquence de vibration du diapason, v la vitesse d'agitation thermique moyenne des molécules du gaz entourant le diapason, gaz qui est à la pression -p S représente la surface latérale des bras du diapason c'est-à-dire la surface qui est perpendiculaire à la vitesse de déplacement, m représente la masse en mouvement du diapason au sens o on l'a définie précédemment, est la pulsation à la résonance et vaut donc 2 ir F, et k 1 est une constante. Compte tenu de -la définition donnée précédemment pour S et m, ces deux grandeurs peuvent s'exprimer de la manière suivante S = L x t et m = p L x t x w, p étant la densité du quartz. Si l'on reporte ces valeurs de S et m dans la formule précé- dente, on obtient l'expression suivante Af k 2 P 1 1 -=, k 2 étant une constante. f v W il 2 On voit, dans cette formule, que la variation relative de fré- quence en fonction de la pression dépend, quant aux grandeurs dimentionnelles, uniquement de l'inverse de la largeur W du bras Il faut cependant ajouter que, comme cela est bien connu, la pulsation w dépend de la longueur L et de la largeur W du bras. Pour augmenter la sensibilité à la pression du diapason il fau- drait donc diminuer l'épaisseur W des bras du diapason pour dimi- nuer la pulsation w Cependant une telle solution (bras du diapason étroits) entraîne une capacité dynamique du diapason très faible ce qui rend une telle conception inutilisable. La figure 2 a montre un diapason selon l'invention On retrouve bien entendu une base 10 et deux bras référencés respectivement 12 et 14 Selon l'invention les extrémités de chaque bras sont perçées de fentes longitudinales parallèles à la longueur du bras Dans l'exemple particulier considéré on trouve quatre fentes 16 à l'extrémité de chaque bras Ces fentes ont une longueur I et une largeur e On voit qu'en conséquence les faces latérales 16 a des fentes 16 sont disposées parallèlement aux surfaces S latérales des bras du diapason qui interviennent dans l'effet de pression En outre la largeur e des fentes est suffisante pour que sa valeur soit nettement supérieure au libre parcours moyen des molécules du gaz. Ce diapason étant excité en flexion, les faces latérales ( 16 a) des fentes 16 sont disposées orthogonalement au déplacement des bras. La figure 2 b montre un exemple de réalisation des électrodes pour exciter le diapason de la figure 2 a en flexion Chaque bras 12, respectivement 14, comporte une électrode 18, 18 ' disposée respectivement sur la face supérieure et sur la face inférieure du bras et des électrodes latérales disposées sur les flancs des bras et référencées respectivement 20 et 20 ' Les électrodes opposées sont portées au même potentiel comme cela est indiqué sur la figure 2 b. Enfin il est important d'observer que la présence des fentes ne gêne pas la réalisation des métallisations formant les électrodes En effet il est bien connu que l'extrémité des bras des diapasons est laissée libre d'électrode afin d'éviter l'excitation des modes partiels de flexion. La courbes I de la figure 3 illustre le fonctionnement d'un diapason selon l'invention Cette courbe donne la variation relative Af de fréquence Tf exprimée en ppm en fonction de la pression p exprimée en millibars Ce diapason, qui a des dimensions horlo- gères, présente une longueur de bras de l'ordre de 2,7 mm une largeur W de 215 microns et une épaisseur t de 125 microns. Chaque fente 16 a une longueur I de 1 mm et une largeur e de 30 microns Cette courbe I montre qu'on obtient, dans une plage allant de quelques millibars à environ 1 bar, une relation très linéaire entre la variation relative de fréquence du diapason et la pression avec un coefficient de dépendance vis-à-vis de la pression qui vaut environ 631 ppmlbar Il faut comparer cette valeur au même coeffi- cient pour un diapason en quartz classique de caractéristiques similaires mais dépourvu de fente qui vaut alors 250 ppm/bar La courbe Il correspond à un tel diapason pour lequel L vaut 2400 li, w vaut 220 li et t vaut 125 li On voit donc qu'on obtient une augmentation très significative de l'effet de pression. De plus les diapasons ainsi réalisés ont une fréquence propre d'environ 77 k Hz Si l'on augmente la longueur des bras du diapa- son pour ramener sa fréquence propre à environ 32 K Hz la formule donnée précédemment montre que le coefficient de dépendance vis à vis de la pression est multiplié par au moins deux On voit donc qu'avec un diapason selon l'invention on peut obtenir, dans la gamme qui va de quelques millibars à au moins un bar, un senseur de pression dans lequel la variation relative de fréquence en fonc- tion de la pression présente un coefficient qui vaut environ 1200 ppmfbar On comprend aisément que cela permet de faire une mesure précise de la pression. La figure 4 représente sous forme simplifiée un capteur de pression utilisant l'élément sensible selon l'invention L'élément sensible est enfermé dans un boîtier constitué par exemple par un capot cylindrique 30 en laiton et une embase 32 au moins partielle- ment isolante Le capot 30 est bien sûr percé d'une ouverture 33 pour mettre l'intérieur du boîtier à la pression à mesurer L'embase 32 est traversée par deux barrettes conductrices 34 et 34 ' La base du diapason est fixée sur l'extrémité interne des barrettes de telle manière que chaque barrette soit reliée à un des deux groupes d'électrodes Les barrettes 34 et 34 ' sont reliées à des conducteurs 36 et 38 Les signaux de fréquence apparaissant sur les conduc- teurs 36 et 38 sont introduits dans un circuit d'alimentation et de traitement 40 qui commande à son tour des moyens 42 d'affichage de la pression mesurée par le capteur. Le circuit 40 a pour but, d'une part, d'entrenir l'oscillation de l'élément sensible à sa fréquence propre compte tenu de la pression environnante et, d'autre part, de traiter le signal de fréquence pour déduire des variations de fréquence la valeur de la pression. La figure 5 donne un exemple de réalisation du circuit 40 Les deux fils de connection 36 et 38 attaquent un circuit d'entretien 46 de type classique qui délivre à sa sortie un signal de fréquence f qui dépend de la pression à mesurer Ce signal F est appliqué à l'une des deux entrées d'une porte ET référencée 48, la seconde entrée de la porte 48 recevant le signal délivré par un générateur de signaux 50 -Le générateur 50 émet par exemple un signal de période 1 S et de durée 10 ms La sortie de la porte 48 attaque l'entrée d'horloge CK d'un compteur 52 Les sorties d'état du compteur 52 sont reliées aux entrées d'une mémoire commandable 54. Les sorties de la mémoire 54 attaquent un circuit de calcul 56 dont les sorties commandent un circuit 58 de codage pour le dispositif d'affichage 42 La sortie du générateur 50 est également reliée à l'entrée d'un circuit de détection 60 qui délivre sur sa sortie une impulsion lorsqu'on applique sur son entrée 60 a le front descendant d'un signal La sortie 60 b du détecteur 60 est reliée à un point B par l'intermédiaire de deux inverseurs 62 et 62 ' qui constituent des circuits à retard Le point B est relié d'une part à l'entrée de remise à zéro CL du compteur 52 par l'intermédiaire des inverseurs 64 et 64 ' et d'autre part à l'entrée d'activation En de la mémoire commandable 54. Le fonctionnement du circuit de la figure 5 se déduit aisément de la description précédente Tant que le signal à la sortie du générateur 50 est au niveau logique bas la porte 48 est fermée et le compteur 52 n'est pas incrémenté A l'apparition du front de montée du signal délivré par le générateur 50 la porte 48 est débloquée et le compteur 52 reçoit sur son entrée d'horloge CK les impulsions du signal de fréquence F Lorsque la sortie du générateur 50 passe du niveau haut au niveau bas la porte 48 est bloquée et le compteur 52 n'est plus incrémenté Simultanément le détecteur 60 émet une impulsion qui, avec un léger retard, transfert le contenu présent du compteur 52 dans la mémoire 54 On comprend aisément que ce contenu est égal au nombre d'impulsions contenues dans le signal F de fréquence f pendant la durée de l'impulsion délivrée par le générateur 50, c'est-à-dire par exemple pendant 100 ms Le contenu de la mémoire 54 représente donc sous forme numérique la fréquence de l'élément sensible de mesure L'impulsion délivrée par le détec- teur 60 remet ensuite à zéro le compteur 52 pour une nouvelle mesure lors de l'apparition de l'impulsion suivante du signal délivré par le générateur 50 Le contenu, sous forme numérique binaire, de la mémoire 54 est traité par le circuit de calcul 56 pour transformer cette fréquence en un nombre, par exemple, de millibars On com- prend aisément que le circuit 56 a simplement pour effet d'enlever une valeur prédéterminée, fixée par exemple par des moyens de réglage 66, au nombre d'impulsions comptées pour tenir compte de la valeur de la fréquence à la pression de référence, et de diviser ce résultat par un coefficient fixe ou commandable donnant le rap- port entre le nombre de millibars et la variation de fréquence Le résultat de ce calcul est appliqué au driver 58 qui commande l'af- fichage de la pression par le moyen d'affichage 42. Il est bien connu que la fréquence délivrée par un cristal de quartz dépend de la température Plus précisément dans le cas d'un diapason de coupe sensiblement Z, c'est-à-dire dans lequel les faces principales sont sensiblement perpendiculaires à l'axe optique Z du quartz, la courbe qui donne les variations relatives de fréquence en fonction de la température est sensiblement parabolique et présente un sommet correspondant à la température d'inversion du quartz Il est possible de choisir un angle de coupe O de telle manière que cette température d'inversion soit centrée par rapport à la plage habituelle d'utilisation du capteur de pression Par exemple, si la normale aux faces principales du diapason fait un angle de 2 par rapport à la direction Z du quartz, la température d'inversion est égale à 250 C Dans ces conditions les variations relatives de fré- quence en fonction de la température sont données par le coefficient e égal à environ 34 109/o C 2 Si l'on compare ce coefficient thermo- métrique au coefficient de pression obtenu grâce à l'invention, il apparaît clairement que si la température reste dans une plage raisonnable de part et d'autre de la température d'inversion l'effet de température n'altère pas de façon significative la mesure de la pression. Il faut ajouter que la plage de fonctionnement donnée précédem- ment, de quelques millibars à un bar, ne doit pas s'interpréter limitativement Cela correspond à un bon fonctionnement du diapa- son tel qu'il ne nécessite pas un circuit électronique très élaboré. Lorsque la pression p augmente la sensibilité linéaire à la pression reste bonne mais c'est le facteur de qualité du résonateur qui se détériore Il faut cependant considérer que la plage de fonctionne- ment du capteur selon l'invention peut être étendue jusqu'à 5 bars en adaptant le circuit électronique. Il découle de la description précédente que l'élément sensible à la pression répond très bien au problème posé. Tout d'abord la fabrication du résonateur relève des techniques utilisées habituellement pour les résonateurs horlogers et l'intro- duction des fentes ne complique pas de façon significative la gra- vure du quartz ou la réalisation des électrodes Ensuite on obtient un très bon fonctionnement de l'élément sensible dans la plage allant en particulier jusqu'à un bar, plage o les capteurs connus ne permettent pas une mesure à distance Enfin, compte tenu de la trés forte sensibilité à la pression, il n'est pas nécessaire de pré- voir une compensation thermique, ce qui simplifie la structure du capteur et en particulier celle du circuit électronique. v A REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1 Elément sensible pour capteur de pression comprenant un diapason ( 10, 12, 14) en matériau piézo-électrique dont chaque bras ( 12, 14) comporte deux flancs sensiblement parallèles à la longueur desdits bras, ledit diapason étant muni d'électrodes ( 18, 18 ', 20, 20 ' ou 22, 22 ') pour faire vibrer lesdits bras en flexion selon une direction (f') sensiblement perpendiculaire auxdits flancs, caracté- risé en ce que chaque bras ( 12, 14) est muni au voisinage de son extrémité d'au moins une fente ( 16) allongée disposée parallèlement auxdits flancs pour que les parois ( 16 a) desdites fentes ( 16) soient également sensiblement perpendiculaires à la direction (f') de dépla- cement desdits bras, lesdites fentes ( 16) traversant la totalité de l'épaisseur (t) des bras. 2 Elément sensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diapason est en quartz et a ses flancs sensiblement pa- rallèles à la direction Z du quartz. 3 Capteur der mesure de la pression d'un gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible ( 10, 12, 14) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2; un bottier ( 30, 32) muni d'une ouverture ( 33) pour y laisser pénétrer le gaz dont la pression est à mesurer, ledit diapason ( 10, 12, 14) étant fixé dans ledit boîtier; des moyens pour appliquer ( 34, 34 ', 36, 38, 46) des ten- sions auxdites électrodes ( 18, 18 ', 20, 20 ' ou 22, 22 ') et pour recueillir ( 48 à 54 et 60 à 64 ') la fréquence propre à oscillation dudit diapason sous l'effet de ladite pression; et "e des moyens ( 56, 66) pour convertir les variations de ladite fréquence ou une indication de pression.