Brevet FR2562663A1 — publié le 19851011

2562663- TRANSDUCTEUR DE PRESSION CAPACITIF LINEARISE La présente invention se rapporte généralement aux transducteurs électriques et plus particulièrement à un transducteur capacitif thermiquement stable et linéarisé fournissant comme signal de sortie une tension fonction de la pression à laquelle le transducteur est soumis. Les transducteurs capacitifs du type à diaphragme sont largement utilisés et sont, en général, construits de façon à permettre la mesure d'une capacité, habituellement traduite en tension de sortie d'un circuit électronique et qui est fonction IO0 de la pression à laquelle est soumis le transducteur. La linéarité et la stabilité thermique figurent parmi les propriétés importantes pour le choix de la forme d'un transducteur capacitif. Si un transducteur a une caractéristique linéaire, les variations de tension de sortie en fonction des variations de pression peuvent I5 être représentées par une équation du premier degré et 8tre figurées par une ligne droite quand on les porte sur un graphique rectilinéaire utilisant les coordonnées cartésiennes. Une caractéristique lindaire évite d'être obligé de se reporter à une courbe ou un tableau d'étalonnage pour déterminer la grandeur de la variable détectée en fonction de la sortie du transducteur. De plus, si un transducteur est thermiquement stable, il sera pratiquement insensible aux variations de la température ambiante. Par manque de stabilité un transducteur de type capacitif, sensible à la pression, peut faire apparaître une variation de capacité sans que cela corresponde à une variation de la pression à laquelle il est soumis et il en résulte une fausse lecture. Une approche pour le développement d'un transducteur capacitif thermiquement stable est indiquée dans le brevet des Etats-Unis n 3 858 097 et consiste en une paire de plaques montées en opposition et de forme annulaire formant un condensateur de référence et en une paire de plaques centrales montées en opposition formant un condensateur de détection. Chaque plaque du condensateur de détection est dans le même plan que la plaque du condensateur de référence qui lui est associée, elle lui est concentrique et située à l'intérieur de celle-ci. Chaque jeu de plaques coplanaires de-référence et de détection est constitué de matériaux identiques montés sur un substrat commun; c'est pourquoi le transducteur tend à faire preuve de caractéristiques de stabilité thermique supérieures à celles des transducteurs dans lesquels le condensateur de référence est un dispositif séparé monté extérieurement. Cependant la sortie d'un tel transducteur n'est pas linéaire et nécessite IO0 un circuit additionnel de compensation qui doit être incorporé au circuit électronique si l'on doit obtenir une sortie linéaire. Une solution au problème de linéarisation est incorporée dans l'appareil présenté dans le brevet des Etats-Unis n 4 227 419 qui inclut, à l'intérieur de l'organe de détection, une section de I5 condensateur d'appoint destinée à compenser les non-linéarités du transducteur. Comme les condensateurs d'appoint selon ce brevet ont des surfaces beaucoup plus petites que celle du condensateur de détection, il est alors nécessaire d'utiliser un grand condensateur de référence monté extérieurement pour obtenir une sortie linéaire Comme ce condensateur de référence monté séparément a un coefficient de température imprévisible, une instabilité thermique est susceptible d'en résulter. Encore une autre approche pour le développement de transducteurs capacitifs de pression est décrite dans le brevet des Etats-Unis n 4 422 I25 qui fait connaître un transducteur incorporant une paire de plaques maintenues en position l'une par rapport à l'autre pour former un condensateur de référence dont la capacité a une valeur sensiblement indépendante des variatons de température et de pression. Bien que ces. transducteurs aient, jusqu'à présent, donné satisfaction, ils n'ont pas permis d'apprécier la manière dont peut être construit un transducteur capacitif de pression sous forme d'un dispositif intégré qui fasse preuve d'une stabilité thermique supérieure et qui tende de lui-même à s'adapter à un circuit électronique transducteur ayant de ce fait une sortie linéaire. L'invention consiste, en général, en un transducteur capacitif de pression adapté au couplage à un circuit transducteur de capacités et comportant; selon l'invention un organe de base généralement plan et électriquement conducteur reposant sur un premier substrat isolant. Selon l'invention, un organe sensible généralement plan et électriquement conducteur repose sur un second substrat isolant en général parallèle à l'organe de base et espacé de celui-ci. L'organe sensible coopère avec l'organe de base pour former un condensateur de détection. Selon l'invention un organe de référence électriquement conducteur situé dans le même plan que l'organe sensible et électriquement isolé de celui-ci coopère avec l'organe de base pour former un condensateur de référence. Les organes sensible et de référence ont, selon l'invention, chacun une pluralité de segments intercalés les uns dans les autres. Les I5 condensateurs de détection et de référence ont des valeurs de capacités dépendant de la pression Cs et Cr respectivementtelles, selon l'invention, que,pour des pressions discrètes choisies h l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions, les signaux de sortie du circuit transducteur soient sensiblement linéaire- L'invention consiste aussi en un procédé de fabrication d'un transducteur capacitif de pressions du type à diaphragme flexible adapté au couplage à un circuit transducteur de capacités. Ce procédé selon l'invention est caractérisé par les étapes consistant à se manir d'un organe de base généralement plan, électriquement conducteur, reposant sur un premier substrat isolant et à se munir d'un second substrat isolant ayant généralement une surface plane et se pratant à être placé dans une position généralement parallèle et espacée par rapport à l'organe de base. Une pluralité de cercles concentriques est, selon l'invention, superposée à la surface plane de façon à délimiter un pluralité d'anneaux circulaires. Chacun de ces anneaux estldivisé en une pluralité de zones incrémentielles de détection et en une pluralité de zones incrémentielles de référence. Les organes électriquement conducteurs de détection et de référence sont, selon l'invention, disposés en continuité sur les zones incrémentielles de détection et de référence, respectivement; ils. sont électriquement isolés l'un de l'autre et ils coopèrent avec l'organe de base pour délimiter des condensateurs de détection et de référence, respectivement. La division est,selon l'invention, effectuée de manière à ce que les condensateurs de détection et de référence aient des valeurs de capacités dépendant de la pression telles que} pour des pressions situées dans une gamme opérationnelle, les signaux de sortie du circuit transducteur soient sensiblement linéaires. Un objet de la présente invention est de munir un IO0 transducteur capacitif de pression d'organes de détection et de référence ayant chacun une pluralité de segments intercalés les uns dans les autres. Un autre objetde la présente invention est de procurer un transducteur capacitif de pression dont les organes de détection I5 et de référence sont tous deux incorporés dans une seule structure. Encore un autre objet de la présente invention est de procurer un transducteur capacitif dont les condensateurs de détection et de référence ont des valeurs de capacités dépendant de la pression telles que, pour des pressions discrètes choisies à l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions, les signaux de sortie d'un circuit transducteur soient sensiblement linéaires. Un autre objet de la présente invention est de procurer un transducteur capacitif de pression dont les condensateurs de- détection et de référence ont des valeurs de capacités dépendant de la pression telles que, pour des pressions discrètes choisies à l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions,.les signaux de sortie du circuit transducteur puissent être représentés par une ligne sensiblement droite sur un graphique rectilinéaire utilisant les coordonnées cartésiennes. La description détaillée qui va suivre illustrée par le dessin annexé montre plus clairement comment peuvent être réalisés, de façon non limitative, les objets de la présente invention: La figure I est une vue perspective d'un transducteur capacitif de pression du type à diaphragme construit selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention; La figure 2 est une vue en coupe du transducteur selon l'invention,prise le long du plan 2-2 des figures I et 4; La figure 3 est une vue en plan du premier substrat du transducteur prise de dessus le long du plan 3-3 de la figure 2; La figure 4 est une vue en plan de dessous du second substrat du transducteur prise selon le plan 4-4 de la figure 2; La figure 5 est une représentation graphique qualitative montrant ce que sont en général les amplitudes de déflexion d'un diaphragme sensible à la pression en différentes parties de celui-ci IO0 comme décrit ci-après; et La figure 6 est une représentation graphique comportant une pluralité de cercles actifs reposant sur un substrat conformément à la description qui va suivre. Comme le montrent les figures I, 2, 3 et 4, le transducteur I5 de pression capacitif IO de la présente invention comporte un premier substrat diélectrique ou pièce II et un second substrat diélectrique ou pièce I3 attachés l'un à l'autre et délimitant entre eux une cavité I5. Chaque pièce II, I3 comporte un épaulement annulaire I7 faisant saillie pour permettre de fixer les deux pièces l'une à l'autre en position opposée. Les matières dont sont faites les pièces II et I3 et le choix de leur épaisseur va dépendre du prix de revient que l'on doit atteindre et de la grandeur des pressions auxquelles sera soumis le transducteur, parmi d'autres facteurs. Cependant,parmi les matériaux préférentiels. pour la fabrication de ces pièces se trouvent la céramique d'alumine et le quartz. La première pièce II comporte une première surface I9 supportant un organe de base 2I disposé sur celle-ci tandis que la seconde pièce I3 comporte une seconde surface 23 destinée à supporter les organes de détection et de référence, 25 et 27 respectivement, qui sont disposés sur celle-ci. Dans un mode de réalisation préférentiel du transducteur IO0 selon l'invention, les surfaces I9 et 23 sont sensiblement 'planes et parallèles entre elles quand les pièces II et I3 sont assemblées. Bien que certaines économies de fabrication puissent résulter de l'identité de forme des pièces II et I3, l'homme de l'art se rendra facilement compte 256-2663 de ce que, soit la première pièce II, soit la seconde pièce I3 peut comporter un épaulement de hauteur équivalente à l'espacement désiré entre l'organe de base 2I, d'une part, et les organes de détection et de référence 25 et 27, d'autre part. L'autre piece a alors la forme d'un simple disque. Selon d'autres variantes de l'invention, des substrats en forme de disques peuvent être assemblés au moyen d'entretoises de verre fritté ou par d'autres moyens connus. En se reportant particulièrement aux figures 3 et 4 IO on voit qu'un organe de base 2I, généralement plan et électriquement conducteur,est disposé sur la première surface I9 de la première pièce Il et qu'un organe de détection 25, généralement plan et électriquement conducteur, est disposé sur la seconde surface 23 de manière à se trouver dans une position généralement parallèle et espacée I5 par rapport à l'organe de base 2I. L'organe de détection 25 peut coopérer avec l'organe de base 2I pour former un condensateur de détection. De la même façon, un organe de référence 27 électriquement conducteur est disposé sur la seconde surface 23 et peut de ce fait coopérer avec l'organe de base 2I pour former un condensateur de référence. Les organes de détection et de référence, 25 et 27 respectivement,ont chacun une pluralité de segments,29 et 3I respectivement, qui sont intercalés les uns dans les autres. Comme il apparaîtra à la lecture de la description qui va suivre, la vue de la figure 4 illustre l'une des nombreuses configurations possibles des organes de détection et de référence 25 et 27 dont la géométrie est déterminée par les caractéristiques du circuit électronique de transduction séparé qui est utilisé pour générer un signal de sortie sous forme de tensions ce dernier étant fonction des capacités des condensateurs de détection et de référence. Un circuit électronique transducteur de capacités utile et d'une haute précision pour les capacités des condensateurs de détection et de référence est décrit dans la demande de brevet US n0 06/532017 et intitulée "Apparatus and method for determining the value of a capacitance" (Appareil et procédé pour déterminer la valeur d'une capacité). La demande de brevet susmentionnée est donnée ici coam-e référence. Le circuit électronique du type à oscillateur double utilisé comme circuit transducteur et décrit dans ladite demande de brevet génère une tension continue moyenne de sortie en relation avec les capacités du condensateur de détection et du condensateur de référence selon 1' équation Cs(P) Vout x Vsup I0 Cs(P) + Cr(P) dans laquelle Vout est la tension continue moyenne de sortie du circuit électronique, Vsup est la tension d'alimentation du circuit sensiblement constante, Cs est la capacité du condensateur de détection, Cr est la capacité du condensateur de référence, Vout, I5 Cs et Cr étant fonction de la pression à laquelle est soumis le transducteur comme indiqué par le symbole (P) adjacent à chacun de ces termes.Cette formule peut être appelée l'équation caracté- ristique de fonctionnement du circuit transducteur capacité-tension à oscillateur double décrit dans la demande sus-mentionnée.Des circuits transducteurs capacité-tension peuvent avoir et auront probablement d'autres équations caractéristiques de fonctionnement et c'est la manière de construire un transducteur capacitif thermiquement stable permettant d'obtenir une sortie linéaire de l'un quelconque parmi une large variété de tels circuits qui va maintenant être décrite. Avec les transducteurs capacitifs du type à diaphragme flexible il est connu que les parties du diaphragme, la seconde pièce diélectrique I3 dans la présente invention, qui sont plus proches du centre du diaphragme ont une amplitude de déflexion plus grande que les parties proches des bords du diaphragme pour toute pression appliquée uniformément sur la surface du diaphragme. Cette caractéristique est représentée de façon qualitative par le graphique de la figure 5 dens lequel l'axe vertical tiretê 33 représente le point central de la seconde pièce 13 constituant le diaphragme tandis que les régions latérales 37 du graphique représentent les parties plus proches des épaulements supports I7. La courbe en trait plein 39 représente les amplitudes maximales de déflexion du diaphragme pour une pression maximale à d1tecter tandis que lacouxre en trait interrompu 4I représente les amplitudes de déflexion pour une pression intermédiaire. Les représentations ont été fortement agrandies dans un but de clarté et on doit comprendre que la déflexion maximale au centre 35 du diaphragme peut être de seulement quelques centièmes de millimètre. Avec un transducteur du type décrit dans le brevet I0 des Etats-Unis n 3 858 097, il apparait que, lorsqu'on lui applique une pression donnée, la variation de capacité du condensateur de détection est beaucoup plus grande que celle du condensateur de référence. Il en est ainsi parce que les plaques annulaires formant le condensateur de référence sont disposées de façon I5 immédiatement adjacente aux épaulements supports tandis que les plaques qui forment le condensateur de détection sont disposées plus près du centre du diaphragme, zone o la deflexion est maximale. Avec un transducteur 10 selon l'invention, la configuration des organes 25 et 27 délimitant des parties du condensateur de référence et du condensateur de détection, respectivement, est déterminée en fonction de l'équation caractéristique de fonctionnement du circuit transducteur particulier qui sera employé de sorte que les signaux de sortie de ce circuit soient sensiblement linéaires. En se reportant à la figure 6 on voit que la configuration est déterminée en superposant une pluralité de cercles concentriques 43 sur les surfaces planes I9 et 23 du premier et du second substrat isolant II et 13, délimitant ainsi une pluralité d'anneaux circulaires sur chacun des substrats Il et I3. Chaque anneau 45 superposé au substrat I3 est divisé en une pluralité de zones incrémentielles de détection et une pluralité de zones incrémentielles de référence. L'étape de division est accomplie de manière à ce que les condensateurs de détection et de référence aient des valeurs de capacité en fonction de la pression telles que, pour des pressions discrètes choisies à l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions, les signaux de sortie du circuit transducteur soient sensiblement linéaires. Un organe de détection 25 électriquement conducteur est disposé en continuité sur les zones incrémentielles de détection tandis qu'un organe de référence 27 est disposé en continuité sur les zones incrémentielles de référence et est électriquement isolé de l'organe de détection 25.L 'organe de détection 25 et l'organe de référence 27 peuvent alors coopérer avec l'organe de base 2I pour former un condensateur de détection et un condensateur de référence, respectivement. La tâche réelle consistant à determiner la géométrie des organes de détection et de référence 25 et 27 I0 est accomplie en utilisant l'analyse des éléments finis et en appliquant la théorie d'optimisation au vu de l'équation caractéristique de fonctionnement du circuit transducteur particulier à utiliser. La division de chaque anneau 45 délimité par deux quelconques des cercles adjacents 43 est faite d'après des équations I5 choisies en fonction de la formule caractéristique de fonctionnement du circuit transducteur à utiliser. Par rapport à la formule caractéristique de fonctionnement donnée plus haut, la première équation de division sera: N Cs(P) = FiCi(P) i=I o Cs(P) est égal à la valeur de capacité du condensateur de détection en fonction de la pression, Ci(p) est égal à la valeur de capacité de chaque paire d'anneaux opposés en fonction de la pression, Fi est égal à la fraction du iième anneau 45 qui fait partie du condensateur de détection et N est égal au nombre total d'anneaux 45. La deuxième équation de division est: N Cr(P) = (I-Fi)Ci(P) o Cr(P) est égal à la valeur de capacité du condensateur de référence en fonction de la pression. Dans le mode réalisation préférentiel du transducteur IO extrêmement utile avec le circuit que fait connaître la demande de brevet précitée, les surfaces de tous les anneaux 45 sont IO égales entre elles et la surface de chaque anneau 45 est divisée de manière telle que les conditions de la formule suivante soient satisfaites: Fi = i=I On doit se rendre compte que cette formule est basée sur la première et la deuxième équations de division qui sont, à leur tour, basées sur l'équation caractéristique de fonctionnement IO donnée plus haut. On doit en outre se rendre compte que,lorsque les conditions susmentionnées sont satisfaites, les capacités du condensateur de référence et du condensateur de détection sont égales entre elles quand aucune pression extérieire n'est appliquée au transducteur IO. Si on suppose qu'une pluralité I5 d'anneaux concentriques 45 identiques à ceux représentés sur la figure 6 est superposée à l'organe de base 2I, il apparatt que les capacités de chaque paire d'anneaux opposés face à face sont égales entre elles quand aucune pression extérieure n'est appliquée au transducteur IO. On doit se rendre compte que la superposition des cercles concentriques 43 représentés sur la figure 6 est une étape de developpement analytique et que ces cercles 43 n'apparaissent pas dans le produit fini. Le mode de réalisation de la figure 4 est une des nombreuses configurations posible pour les organes de détection 25 et de références donnée à titre d'exemple non limitatif, qui peut être réalisée en utilisant les équations caractéristiques de fonctionnement du circuit susmentionnées et les équations de division données plus haut. Nonobstant le fait qu'un transducteur de pression capacitif IO du type à diaphragme peut être configuré pour avoir une quelconque parmi une variété de formes pour les organes de détection 25 et de référence 27, une caractéristique partagée par Mn grand nombre de ces configurations est que leurs organes de détection 25 et leurs organes de référence 27 ont chacun une pluralité de segments 29 et 3I intercalés les uns dans les II autres de la manière représentée sur la figure 4. Bien que l'on puisse donner aux organes de détection 25 et de référence 27 une configuration telle qu'ils n'aient qu'un seul segment intercalé, l'utilisation d'une pluralité de segments aide à la réduction ou à l'élimination des erreurs qui pourraient résulter, par exemple, du non-parallélisme des surfaces I9 et 23. Le fait que n'aient été présentés et décrits ici qu'un seul modèle préférentiel de transducteur IO et qu'un seul procédé préférentiel de fabrication n'est nullement limitatif IO de l'étendue de la présente invention. REVENDICATIONS I. Transducteur capacitif de pression adapté au couplage à un circuit transducteur de capacités, caractérisé par le fait qu'il comprend: un organe de base (2I), généralement plan, électriquement conducteur, reposant sur un premier substrat isolant isolant (II); un organe de détection (25), généralement plan, électriquement conducteur, reposant sur un second substrat isolant (I3)généralement parallèle et espacé par rapport audit organe de base et coopérant avec lui pour former I0 un condensateur de détection; un organe de référence (27), électriquement conducteur, disposé généralement dans le même plan que ledit organe de détection dont il est électriquement isolé et coopérant avec ledit organe de base pour former un condensateur de I5 référence; ledit organe de détection et ledit organe de référence possédant chacun une pluralité de segments intercalés les uns dans les autres; lesdits condensateurs de détection et de référence ayant des valeurs de capacité qui dépendent de la pression de sorte que, pour des pressions discrètes situées à l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions, les signaux de sortie dudit circuit transducteur sont sensiblement linéaires. 2. Transducteur selon la revendication I, caractérisé par le fait que ledit organe de détection et ledit organe de référence comprennent chacun au moins trois segments. 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les nombres de segments dudit organe de détection et dudit organe de référence sont égaux entre eux. 4. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit organe de détection délimite une première zone de surface, ledit organe de référence délimite une seconde I3 zone de surface et ladite première zone de surface et ladite seconde zone de surface sont sensiblement égales entre elles. 5. Transducteur selon la revendication I caractérisé par le fait que la capacité dudit condensateur de détection et la capacité dudit condensateur de référence sont sensiblement égales entre elles lorsque ledit transducteur capacitif de pression est à une pression manométrique nulle. 6. Transducteur selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la capacité dudit condensateur de détection et la capacité dudit condensateur de référence sont sensiblement égales entre elles lorsque ledit transducteur capacitif de pression est à une pression manométrique nulle. 7. Procédé de fabrication d'un transducteur capacitif de pression du type à diaphragme flexible adapté au couplage I5 à un circuit transducteur de capacité, ledit procédé étant caractérisé par les étapes consistant: à se munir d'un organe de base (21) généralement plan, électriquement conducteur, reposant sur un premier substrat isolant (II); à se munir d'un second substrat isolant (I3) ayant une surface généralement plane et se prêtant à être placé dans une position généralement parallèle et espacée par rapport audit organe de base (2I); à superposer une pluralité de cercles concentriques (43) à ladite surface plane de façon à délimiter une pluralité d'anneaux circulaires (45); à diviser chacun desdits anneaux en une pluralité de zones incrémentielles de détection et en une pluralité de zones incrémentielles de référence; à disposer un organe de détection (25) électriquement conducteur en continuité sur lesdites zones incrémentielles de détection de manière qu'il coopère avec ledit organe de base pour former un condensateur de détection; à disposer un organe de référence (27) électriquement conducteur en continuité sur lesdites zones incrémentielles I4 de référence en l'isolant électriquement dudit organe de détection,ledit organe de référence coopérant avec ledit organe de base puur former un condensateur de référence; ladite étape de division étant réalisée de manière à ce que lesdits condensateurs de détection et de référence aient des valeurs de capacités dépendant de la pression telles que, pour des pressions discrètes situées à l'intérieur d'une gamme opérationnelle de pressions, les signaux de sortie dudit circuit transducteur soient sensiblement linéaires. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé par le fait que ledit organe de détection et ledit organe de référence ont chacun une pluralité de segments intercalés les uns dans les autres. I5 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé par le fait que la capacité dudit condensateur de détection et la capacité dudit condensateur de référence sont sensiblement égales entre elles lorsque ledit transducteur capacitif de pression est à une pression manométrique nulle. IO. Procédé selon la revendication 9 caractérisé par le fait que ledit circuit transducteur de capacités a pour formule caractéristique de fonctionnement l'équation suivante: Cs(P) Vout =. . x Vsup Cs(P) + Cr(P) o Vout est la valeur moyenne de la tension continue de sortie dudit circuit, Cs(P) la capacité dudit condensateur de détection en fonction de la pression, Cr(P) la capacité dudit condensateur de référence en fonction de la pression et Vsup la tension l'alimentation dudit circuit transducteur.