Brevet FR2547969A1 — publié le 19841228

Dispositifs électroniques à régulation de température. La présente invention concerne des dispositifs électroniques à régulation de température, tels que des ponts d'extensomètre à résistances à régulation de température. L'idée de régler la température d'un dispositif électronique pour minimiser la variation des caractéristiques du dispositif en fonction de la température, appelée ci-après dérive thermique, est bien connue. Un transducteur de pression connu comporte un diaphragme en silicium sur lequel est formé un pont d'extensomètre à résistances actif à quatre branches, les quatre résistances du pont étant diffusées dans le diaphragme en silicium dans les zones de contrainte maximale Un courant constant, ou un courant amené par l'intermédiaire d'une résistance depuis une source de tension constante, est appliquée à la première jonction et à la deuxième jonction opposées du pont Si la valeur des résistances dans le pont reste constante, la tension entre la première et la deuxième jonction reste égale20 ment constante Une contrainte dans le diaphragme,, résultant de l'application d'une pression ou d'une force, entraine une variation dans la valeur des résistances du pont et cette variation est détectée par des moyens de détection couplés à la troisième jonction et à la quatrième jonction opposées. 25 Les moyens de détection comportent souvent un amplificateur et la sortie du pont peut être exprimée sous la forme d'un courant par pression ou force unitaire. Si la température du dispositif reste constante, alors la valeur des résistances et de ce fait la sortie du pont pour une contrainte donnée dans le transducteur restent constantes, pourvu que les coefficients de contrainte des résistances du pont de l'extensomètre soient accordés. Toutefois, si la température du diaphragme change du fait de variations de la température opérationnelle et/ou ambiante, alors les valeurs des résistances du pont varient et il en résulte nne variation correspondante de la tension entre la première et la deuxième jonction du pont, ce qui se manifeste 15 sous forme d'une erreur dans le signal de sortie mesuré. Toute variation de la température peut également affecter le fonctionnement d'autres dispositifs associés, tels que l'amplificateur de mesure, ce qui entraînerait une variation 20 de la tension de décalage de l'amplificateur, une dérive du signal de sortie de l'amplificateur, etc. Il est donc important de maintenir constante la température de tels dispositifs électroniques ou de procurer certains 25 moyens pour compenser les variations de la température. Un transducteur de pression connu, comportant un diaphragme en silicium et un pont actif à quatre branches, comme mentionné ci-dessus, comporte deux autres jeux de résistances en silicium déposés sur le substrat dans une zone non active. Un jeu des résistances de mesure de température est disposé pour fournir un signal représentatif de la température du diaphragme à l'entrée d'un amplificateur, dont la-sortie est disposée pour fournir un courant de sortie à l'autre jeu, chauffant, de résistances, pour chauffer ainsi le diaphragme et le maintenir à une température prédéterminée Une boucle réactive de commande est montée d'une manière connue entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur pour maintenir pratiquement constante la température et pour empêcher les fluctuations autour de la température prédéterminée. Cet agencement connu maintient approximativement constante la température du diaphragme et réduit les erreurs à la sortie du pont Toutefois, comme la régulation de température est déterminée par les résistances de détection de température sur la zone inactive du diaphragme, les gradients de température dans le substrat en silicium et les variations de ces gradients de température en fonction de la température ambiante limitent la précision de la régulation de la température de la zone active du diaphragme. C'est un but général de cette invention d'éliminer ces problèmes et de satisfaire les exigences exprimées ou implicites dans le domaine précité de l'invention ou dans d'autres parties de celuici. Selon un aspect de l'invention, il est procuré un dispositif électronique comportant au moins un élément résistant dont la température doit être réglée et dont la valeur varie, en utilisation, en fonction de la valeur d'un paramètre physique, autre que la température, appelé ci-après "paramètre non thermique", appliqué au dispositif, des moyens pour détecter la température de ou des éléments résistants et agencés pour commander la température d'une résistance chauffante électriquement isolée de cet élément ou de ces éléments résistants, mais en relation de transfert thermique avec eux, de façon 30 à maintenir pratiquement constante la température de cet ou de ces éléments résistants. Les éléments résistants peuvent être un pont à résistances, tel qu'un pont d'extensomètre à résistances. 35 Le pont d'extensomètre peut se trouver sur la partie active d'un diaphragme sur lequel est appliquée la pression ou la force à mesurer La résistance chauffante peut se trouver sur une partie inactive du diaphragme de telle sorte qu'elle n'est pas soumise à une contrainte due à la pression ou à la force appliquée, qui pourrait modifier sa valeur de ré5 sistance. Le diaphragme peut être un diaphragma en silicium avec les éléments résistants de l'extensomètre diffusésdansle silicium dans les zones de contrainte maximale et ces éléments peuvent être disposés sous la forme d'un pont actif à quatre branches. Le diaphragme en silicium peut être fabriqué à partir d'un matériau de base avec une portion centrale carrée d'épaisseur 15 réduite pour former le diaphragme avec une portion périphérique annulaire relativement épaisseo Les résistances d'extensomètre sont disposées sur le diaphragme dans les zones de contrainte maximale, c'est-à-dire au voisinage de la jonction du diaphragme avec la portion annulaire épaisse et la 20 résistance chauffante est disposée sur la portion annulaire. La résistance chauffante peut être une résistance unique qui peut s'étendre autour d'une partie importante de la portion annulaire ou elle peut comporter une multiplicité de résistances discrètes disposées autour de la portion annulaire 25 et raccordées ensemble en série. Sousnun autre aspect: la présente invention propose un procédé pour mesurer un paramètre physique non thermique avec des moyens thermosensibles et, de façon plus spécifique, elle réside en le perfectionnement consistant à amener les moyens thermosensibles à une température prédéterminée, mesurer le paramètre physique avec les moyens thermosensibles, soumettre les moyens thermosensibles à une variation de la température ambiante affectant la température prédéterminée 35 mentionnée, employer les moyens thermosensibles eux-mêmes pour effectuer une mesure de la variation de la température ambiante, et ramener les moyens thermosensibles à leur tempé- rature prédéterminée en réponse à la mesure de la variation de la température ambiante effectuée par les moyens thermosensibles euxmêmes. Sous un aspect connexe, la présente invention procure un appareil pour mesurer un paramètre physique non thermique avec des moyens thermosensibles et, de façon plus spécifique, réside dans le perfectionnement comportant, en combinaison, des premiers moyens raccordés aux moyens thermosensibles pour mesurer le paramètre physique avec ces moyens thermosensibles, des deuxièmes moyens pour amener les moyens thermosensibles à une température prédéterminée, ces moyens thermosensibles étant soumis à une variation de la température ambiante affectant la température prédéterminée mentionnée, 15 des troisièmes moyens raccordés aux moyens thermosensibles pour effectuer une mesure de la variation de la température ambiante par ces moyens thermosensibles, et des quatrièmes moyens raccordés aux deuxièmes et troisièmes moyens pour ramener les moyens thermosensibles à leur température prédétermi20 née en réponse à la mesure de la variation de la température ambiante effectuée par ces moyens thermosensibles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, 25 de réalisations préférées, en liaison avec le dessin joint, sur lequel: la figure 1 est un schéma-bloc du circuit d'une réalisation de l'invention sous la forme d'un pont actif à quatre branches 30 et d'une partie de son circuit de commande; la figure 2 est une vue en plan schématique d'un diaphragme en silicium utilisé comme partie d'un transducteur de pression ou de force, montrant les résistances du pont et la 35 résistance chauffante de la figure 1; la figure 3 est une coupe prise selon la ligne 3-3 sur la figure 2; et la figure 4 montre une variante d'une partie du circuit de la figure 1. En se reportant au dessin g on voit un dispositif électronique 10 comportant un pont d'extensomètre actif à quatre branches 12 comportant les résistances 14, 16, 18 et 20. Les résistances 14, 16, 18 et 20 sont diffusées dans une surio face 22 a d'un diaphragme en silicium 22 dans des zones de contrainte maximale dans le diaphragme 22, lorsqu'il est contraint par l'application d'une pression ou d'une force, par exemple sur son autre surface 22 b. Un courant constant est appliqué à la première jonction 12 a et à la deuxième jonction 12 b du pont 12 par l'intermédiaire de résistances 24, 26 en provenance d'un amplificateur opérationnel 28 ayant une entrée négative ou d'inversion 28 a couplée au bus de puissance négatif 30 par l'intermédiaire d'une 20 résistance 32, et son autre entrée, positive ou non inversante, 28 b, couplée à une source de tension de référence développée en travers d'une diode de référence 34, de zener ou à intervalle de bandes La diode 34 est couplée sous forme d'un diviseur de tension, à une résistance 36 entre le bus 25 de puissance négatif 30 et le bus de puissance positif 38. Une diode à intervalle de bandes, en travers de laquelle est développée une tension nominale de 1,2 volt, a un coefficient thermique de tension très faible de sorte que la tension appliquée à l'entrée 28 b de l'amplificateur 28 est pratiquement constante Si la température de l'amplificateur est maintenue constante, alors le courant appliqué au pont par l'intermédiaire des jonctions opposées 12 a, 12 b, sera maintenu pratiquement constant pourvu que la valeur de la résistance 32 soit maintenue constante. La plage de sortie du pont 12 peut être réglée par réglage de la valeur de la résistance 32 et la sortie zéro du pont aux jonctions 12 c, 12 d peut être réglée par les résistances de réglage 24, 26. Si la température de l'amplificateur 28 et celles des résis5 tances du pont 14, 16, 18, 20 sont maintenues constantes, alors le signal de sortie apparaissant aux jonctions 12 ci 12 d dépend de la contrainte induite dans les résistances du pont par l'application d'une pression ou d'une force sur le diaphragme 22 Les jonctions sont habituellement cou10 plées à un circuit amplificateur, ayant des amplificateurs opérationnels 41 a et 41 b et des résistances de sortie 41 c et 41 d raccordées dans une configuration d'amplificateur d'instrumentation entre les bornes du pont 12 c et 12 d et les bornes de sortie 40 a et 40 b, ci-après collectivement référencées comme borne de sortie 40 a alimentant ce qui peut être considéré comme la sortie du pont. Le dispositif 10 peut être soumis à une variation de température, résultant par exemple de variations de la tempéra20 ture ambiante ou de la puissance dissipée dans le dispositif. Si la température du diaphragme 22 change, alors la variation concomitante de la valeur des résistances du pont entraîne une erreur dans la sortie du pont à la borne de sortie 40 a de l'amplificateur 40 et une variation dans la différence de potentiel entre les bornes 12 a et 12 bo De même, des variations dans la température des amplificateurs entraînent une dérive et des variations dans leurs coefficients thermiques de tension et de courant de décalage, qui dégradent la précision de la sortie du pont constatée à la borne 40 a. 30 Une résistance 42, représentée sur la figure 2 sous forme de quatre résistances montées en série, est montée dans la zone périphérique extérieure inactive du diaphragme carré 22 et est montée sous forme d'un élément chauffant commandé 35 pour le diaphragme. Toute variation dans la valeur des résistances 14, 16, 18 et 20 due à une variation de la température modifie la différence de potentiel au travers du pont, mesurée entre les bornes 12 a et 12 b Cette variation est détectée par un diviseur de potentiel comportant les résistances 44, 46 montées en série entre la sortie de l'amplificateur 28 et le bus négatif 30 Les valeurs des résistances 44, 46 sont choisies pour que la tension à leur jonction 47 pour une température prédéterminée soit sensiblement égale à la tension au travers de la diode 34, par exemple environ 1,2 volt. 10 Les tensions au travers de la diode 34 et au travers de la résistance 46 sont couplées aux entréespositive ou de noninversion 48 a et négative ou d'inversion 48 b d'un amplificateur opérationnel 48 La sortie 48 c de l'amplificateur 48 15 est couplée à la base d'un transistor NPN 50 Une résistance 52 est montée dans le circuit du collecteur et la résistance chauffante 42 est montée dans le circuit de l'émetteur du transistor 50 Une résistance réactive 54 est montée entre l'émetteur du transistor 50 et l'entrée négative 48 b de l'amplificateur 48 Ceci constitue un circuit de régulation de température pour le substrato La résistance réactive 54 commande le gain de la boucle autour du circuit de régulation de température pour maintenir pratiquement constante la température du substrat. En fonctionnement, la valeur de la tension à la jonction 47 et à l'entrée 48 b est rendue telle que la sortie de l;amplificateur 48 règle le courant circulant à travers le transistor 50 à une valeur telle que, pour une température ambiante 30 prédéterminée, par exemple de 20 C, la chaleur dégagée par la résistance diffusée 42 sur le diaphragme en silicium maintient la température des résistances du pont 12 pratiquement constante, par exemple à 80 Co Les résistances du pont 14, 16, 18, 20 ont un coefficient thermique de résistance positif de telle sorte que toute augmentation de la température ambiante augmente la tension au travers du pont 12 et, de ce fait, au travers de la résistance 46 Ceci réduit la différence de potentiel aux bornes d'entrée 48 a, 48 b de l'amplificateur 48 et en conséquence le courant traversant la résistance 42 La chaleur 5 dégagée par la résistance 42 est ainsi réduite jusqu'à ce que la température des résistances du pont, mesurée par les résistances 44, 46 et par l'amplificateur 48, soit à nouveau à la température exigée de 80 C. Inversement, si la température ambiante descend en dessous de la valeur prédéterminée de 20 C, l'amplificateur 48 provoque une augmentation dans le courant circulant à travers le transistor 50 pour augmenter la chaleur dégagée par la résistance 42 jusqu'à ce que la température des résistances du pont 15 soit à nouveau à la valeur exigée de 80 C. Ainsi, en détectant la variation de la valeur des résistances du pont 14, 16, 18,20 due à une variation de température, on peut maintenir leur température réelle à une valeur prédéter20 minée de façon beaucoup plus précise que si l'on utilise une résistance de détection de température séparée. Comme mentionné ci-dessus, le gain de la boucle réactive autour de l'amplificateur est commandé par la valeur de la 25 résistance 54. Egalement comme mentionné ci-dessus, les variations de température dans les amplificateurs 28, 40, 48 peuvent entraîner des variations dans les tensions de décalage, les courants et la dérive des amplificateurs, qui dégradent laprécisiode la sortie du pont constatée à la borne 40 a Les effets de ces variations de la température ambiante peuvent être réduits en utilisant la chaleur dégagée par la résistance 52 Selon une réalisation de cet aspect de l'invention et comme il est 35 indiqué par les lignes en tirets 56, les amplificateurs sont incorporés dans une puce unique, par exemple celle connue sous le nom de "amplificateur opérationnel quadruple" et la puce est montée en relation de transfert thermique sur une résistance à film épais 52 Comme décrit en ce qui concerne la résistance chauffante 42, le courant traversant la résistance 52 et la chaleur dégagée par celle-ci augmentent et 5 diminuent selon que la température ambiante diminue ou augmente respectivement Ainsi, la plage des variations de température des amplificateurs en fonction des variations de la température ambiante peut être notablement réduite avec une réduction correspondante de leurs tensions de décalage et de leurs dérives de courant Si les caractéristiques thermiques de la résistance 52 et les amplificateurs étaient les mêmes que celles du substrat du diaphragme 22, alors la régulation de température des amplificateurs saccorderait à celle des résistances du pont Toutefois, ceci est peu vraisemblable,mais néanmoins on obtient une certaine mesure de régulation de température. La figure 4 montre une variante du circuit de la figure 1 dans laquelle la résistance 52 est montée en parallèle avec 20 la résistance chauffante 42 dans le circuit'de l'émetteur du transistor 50 Ce circuit permet une plus grande souplesse dans la régulation de la température de la résistance 52 et, en conséquence, de celle des amplificateurs 28, 40, 48 car il est possible de sélectionner cette valeur. 25 La valeur de la résistance 52 sur la figure 4 peut être choisie de telle sorte que, lorsque la température ambiante est, par exemple, 20 C, le courant traversant la résistance 52 est tel que la température des amplificateurs est maintenue à la même valeur que les résistances du pont, par exemple 80 C. Les dérives, les décalages des amplificateurs, etc seront connus ou déterminables. Si la température ambiante augmente, le courant traversant le transistor 50 et la résistance 52 diminue de sorte que la température des amplificateurs diminue Si la température ambiante augmente jusqu'à la valeur préférée de 80 C, alors 1 1 le courant traversant le transistor 50 est ramené effectivement à zéro de sorte qu'il n'y a aucun transfert thermique de la résistance 52 aux amplificateurs et ceux-ci sont à la température de 80 C Ainsi, pour deux températures ambiantes largement espacées, dans ce cas 20 C et 80 C, les amplificateurs seront à 80 C, de sorte que leurs gains, leurs décalages, etc, seront les mêmes En dessous et au delà des deux températures sélectionnées de 200 C et 80 C, les caractéristiques des amplificateurs ne peuvent suivre la température ambiante, 10 mais ils peuvent suivre à l'intérieur de limites tout à fait acceptables, ce qui constitue une amélioration notable par rapport à un circuit dans lequel il n'y a aucune régulation de température des amplificateurs. En principe, les moyens pour imposer une température prédéterminée peuvent être des moyens de chauffage ou de refroidissement Dans la réalisation représentée, les moyens thermosensibles 12 sont chauffés à une température prédéterminée et le paramètre physique non thermique est mesuré avec ces moyens thermosensibles chauffés 12 Par ailleurs, ces moyens thermosensibles chauffés sont soumis une variation de la température ambiante affectant la température prédéterminée désirée, et ces moyens thermosensibles chauffés sont utilisés eux-mêmes pour effectuer la mesure des variations de la température ambiante Ces moyens thermosensibles 1:2 sont ensuite ramenés à leur température prédéterminée en réponse à la mesure de la variation de la température ambiante effectuée par ces moyens thermosensibles chauffés eux-mêmes. Revendications. 1 Dispositif électronique comportant au moins un élément résistant, par exemple un pont à résistances ( 12),tel qu'un 5 pont d'extensomètre actif à quatre branches, dont la température doit être réglée et dont la valeur varie, en fonctionnement, en fonction de la valeur d'un paramètre physique, autre que la température, appliqué au dispositif, caractérisé en ce que le dispositif ( 10) comporte des moyens ( 34, 44-50) pour 10 détecter la température de l'élément ou des éléments résistants( 14, 16, 18, 20) et disposés pour régler la température d'une résistance chauffante ( 42) électriquement isolée de cet ou de ces éléments résistants ( 14,16, 18, 20), mais en relation de transfert thermique avec eux de façon à maintenir pratiquement constante la température de cet ou de ces éléments résistants ( 14, 16, 18, 20). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément résistant est un pont duextensomètre ( 12) disposé 20 sur la partie active d'un diaphragme { 22) auquel peut être appliquée une pression ou une force à mesurer. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance-chauffante ( 42) se trouve sur une partie inac25 tive du diaphragme ( 22) de sorte qu'elle n'est pas soumise à une contrainte due à la pression ou à la force appliquée. 4 Dispositif selon l'une des revendications 2 Ou 3, caractérisé en ce que le diaphragme ( 22) est un diaphragme en sili30 cium avec les éléments résistants de l'extensomètre diffusés dans le silicium dans les zones de contrainte maximale. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le diaphragme en silicium ( 22) est fabriqué à partir d'un 35 matériau de base avec une portion centrale,circulaire ou carrée, d'épaisseur réduite pour former le diaphragme ( 22) avec une portion périphérique annulaire relativement épaisse. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments résistants de l'extensomètre ( 14, 16, 18, 20) sont disposés sur le diaphragme ( 22) dans les zones de contrainte maximale au voisinage de la jonction du diaphragme avec la portion annulaire épaisse et en ce que la résistance chauffante ( 42) est disposée sur la portion annulaire. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la résistance chauffante ( 42) est une résistance unique 10 ou une multiplicité de résistances discrètes raccordées ensemble,qui s'étend autour d'une partie notable de la portion annulaire du diaphragme ( 22). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que les moyens ( 34, 44-50) pour détecter la température de l'élément ou des éléments résistants ( 14, 16, 18, 20) comportent des moyens d'amplificateur ( 48) ayant une entrée ( 48 b) couplée à cet ou à ces éléments résistants pour dériver un signal d'entrée fonction 20 de leur température et une sortie couplée à cette résistance chauffante ( 42) pour commander le courant de chauffage la traversant. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une autre résistance chauffante ( 52) couplée à une sortie de ces moyens d'amplificateur et agencée en relation de transfert thermique avec un élément ou avec des éléments actifs ( 34, 28, 48) de ces moyens d'amplificateur, d'ot il résulte que la température de cette autre résistance 30 chauffante ( 52) augmente et diminue lorsque la température ambiante diminue ou augmente respectivement, de façon à minimiser les variations de température de cet ou de ces éléments actifs résultant de variations de la température ambiante. 10 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ce ou ces éléments résistants ( 14, 16, 18, 20) sont couplés à d'autres moyens d'amplification ( 40) et en ceclque l'élément actif de ces autres moyens d'amplification est couplé en relation de transfert thermique avec cette autre résistance chauffante ( 52). 11 Procédé pour mesurer un paramètre physique non thermique avec des moyens thermosensibles, caractérisé en ce qu'on amène ces moyens thermosensibles à une température prédéterminée, on mesure ce paramètre physique avec ces moyens thermosensibles, on soumet ces moyens thermosensibles à une variation de la température ambiante affectant ladite température prédéterminée, on emploie ces moyens thermosensibles eux-mêmes pour effectuer une mesure de cette variation de la température ambiante, et on ramène ces moyens thermosensibles à cette température prédéterminée en réponse à la mesure de 15 la variation de la température ambiante effectuée par les moyens thermosensibles eux-mêmes. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on procure des moyens pouvant être alimentés, distincts de ces 20 moyens thermosensibles, pour amener ces moyens thermosensibles à cette température prédéterminée, et on alimente ces moyens distincts en réponse à cette mesure de la variation de la température ambiante effectuée par les moyens thermosensibles eux-mêmes pour ramener ces moyens thermosensibles à cette 25 température prédéterminée. 13 Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce qu'on équipe ces moyens thermosensibles avec des moyens pouvant être alimentés en électricité et ayant 30 un coefficient thermique, on impartit cette température prédéterminée à ces éléments, on applique une entrée d'alimentation constante à ces éléments, on applique le paramètre physique non thermique à ces éléments, on dérive de ces éléments une sortie réfléchissant ce paramètre physique, on effectue la mesure de la variation de la température ambiante à l'aide d'une tension d'entrée de ces éléments auxquels est appliquée une entrée d'alimentation constante, et on ramène ces éléments à la température prédéterminée en réponse à la dernière mesure de la variation de la température ambiante effectuée avec l'aide de cette tension d'entrée. 14 Appareil pour mesurer un paramètre physique non thermique avec des moyens thermosensibles, tels qu'un pont d'extensomètre, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens raccordés aux moyens thermosensibles pour mesurer ce paramètre physique avec ces moyens thermosensibles, des deuxièmes moyens 10 pour amener ces moyens thermosensibles à une température prédéterminée, ces moyens thermosensibles étant soumis à une variation de la température ambiante affectant cette tempéra ture prédéterminée,dâs troisièmes moyens raccordés aux moyens thermosensibles pour effectuer une mesure de cette variation de la température ambiante par ces moyens thermosensiblest et des quatrièmes moyens raccordés aux deuxièmes moyens et aux troisièmes moyens pour ramener les moyens thermosensibles à cette température prédéterminée en réponse à cette mesure de la variation de la température ambiante effectuée par les 20 moyens thermosensibles. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens comportent des moyens pouvant être alimentés distincts de ces moyens thermosensibles pour amener ces moyens thermosensibles à la température prédéterminée, et des moyens raccordés aux deuxièmes moyens pour alimenter ces moyens distincts en réponse à cette mesure de la variation de la température ambiante effectuée par les moyens thermosensibles pour ramener ces moyens thermosensibles à cette tempé30 rature prédéterminée.