Brevet FR2610405A1 — publié le 19880805

La présente invention concerne une structure de résonateur à cristal destinée à la mesure de la pression dans des fluides, ainsi que son procédé de fabrication. L'une des techniques actuelles utilisées pour la mesure de la pression dans des environnements caustiques, par exemple dans des puits profonds de pétrole et de gaz, met en -oeuvre un appareil ayant un transducteur à cristal de quartz qui comporte une section circulaire de résonateur supportée à sa périphérie dans un boîtier cylindrique creux qui est solidaire de la section du résonateur (voir les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 617 780 et 3 561 832). La section de résonateur de l'appareil est mise en vibration par des signaux électriques oscillatoires appliqués à des électrodes placées sur la section de résonateur. La fréquence de vibration de la section de résonateur varie avec la variation des contraintes radiales dans la section de résonateur, pro- voquées par la pression appliquée au boîtier. La variation de la fréquence de vibration de la section de résonateur constitue donc une mesure de la pression à laquelle le boîtier est soumis. Un perfectionnement du dispositif décrit précédem- ment a été récemment mis au point afin que l'effet des variations transitoires de température sur les mesures de pression soit réduit au minimum, comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 550 610 par exemple. Ce perfectionnement comprend la disposition de sections à paroi latérale plus mince à des emplacements choisis du bottier afin qu'une contrainte non uniforme soit créée dans la section du résonateur. Cette contrainte non uniforme est alors utilisée pour la réduction de la dépen- dance du facteur d'échelle par rapport à la température. Un autre dispositif piézoélectrique utilisé pour la prise de mesures de pression avec correction de tempéra- ture est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 562 375. Ce dispositif met aussi en oeuvre un bottier externe dans lequel est disposé une pastille ou section circulaire de résonateur. La pastille du résonateur est maintenue en place dans le boîtier par deux ou plusieurs pontets qui sont disposés entre la paroi latérale interne du boîtier et des emplacements de la périphérie de la pastille, le reste de la périphérie étant séparé de la paroi latérale par un espace ou "intervalle". La réalisation de dispositifs très importants ayant la configuration décrite précédemment, comportant des trous ou cavités de diamètre relativement grand dans le boîtier du dispositif, assure une simplification de la fabrication et la réalisation d'un résonateur ayant des caractéristiques souhaitables au point de vue des perfor- mances électriques. Cependant, étant donné leur dimension, ces dispositifs sont très coûteux à réaliser étant donné le coût de la découverte et de la production de gros morceaux de quartz convenables. En outre, les dispositifs ne peuvent pas être chauffés ou refroidis trop rapidement lorsqu'une fracture thermique doit être évitée, et une stabilisation des dispositifs, afin que des erreurs de mesure de pression soient évitées après des changements de température ou de pression, prend beaucoup de temps. Enfin, on a indiqué que, avec les dispositifs ayant les types décrits précédemment, des. augmentations importantes du phénomène d'hystéréris apparaissaient entre la résistance du résonateur et la pression appliquée au transducteur, lorsque l'on tente d'augmenter la plage des températures et pressions de tra- vail des transducteurs. On a fabriqué des transducteurs de plus petite dimension et on considère qu'ils sont souhaitables car, entre autres raisons, les coûts sont réduits puisque des plus petits morceaux de quartz sans défauts sont facilement disponibles. En outre, des pressions et températures plus élevées de fonctionnement peuvent être mesurées sans augmen- tation duphénomène d'hystéréris présenté par la résistance du résonateur et la pression du transducteur. Cependant, étant donné leur dimension réduite et la petite dimension des trous, on a rencontré des difficultés pour l'obtention de la précision pour la réalisation des profils des sur- faces du tronçon de résonateur, qui est une caractéristique souhaitable des transducteurs de pression à résonateur. L'invention concerne un transducteur de pression à résonateur relativement petit dont la fabrication est peu coûteuse et qui possède les caractéristiques voulues de mesure de pression. Elle concerne aussi un transducteur dans lequel le phénomène d'hystéréris présenté par la résistance du résonateur et la pression du transducteur est réduit, sur de larges plages de températures et de pressions de travail. L'invention concerne aussi un procédé de fabrica- tion de transducteurs de pression à résonateur ayant des sections de résonateur en forme de disque, placées au centre dans des boîtiers cylindriques creux de façon générale, dans lequel les surfaces supérieure et inférieure des sections de résonateur ont un profil réalisé finement avec une configuration sphérique convexe de façon générale. Plus précisément, l'invention concerne une struc- ture de transducteur de pression à résonateur qui comporte une section de résonateur ayant une forme générale de disque, un boîtier entourant au moins une partie importante de la section du résonateur et raccordé au périmètre de celle-ci, le boîtier ayant des parois latérales qui sont disposées de façon générale perpendiculairement au plan de la section de résonateur, et deux rigoles formées entre la section de résonateur et les parois latérales du boîtier, autour d'une partie importante au moins du périmètre et à la partie supérieure et à la partie inférieure de la section. Un appareil est aussi incorporé afin qu'il provoque la vibration de la section de résonateur. La disposition des rigoles autour de la section de résonateur améliore les performances électriques et en particulier réduit le phénomène d'hystérésis de la résis- tance du résonateur et de la pression du résonateur sur de larges plages de pressionset de températures.L'incorporation des rigoles facilite aussi la réalisation convenable des surfaces supérieure et inférieure de la section de résona- teur afin qu'elles aient une forme générale sphérique con- vexe. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective, avec des parties arrachées, d'un transducteur de pression à résonateur selon l'invention; la figure 2 est une coupe en élévation latérale du transducteur de pression à résonateur de la figure 1; la figure 3 est une coupe en plan du transducteur de pression à résonateur de la figure 1; les figures 4A et 4B sont respectivement une coupe en élévation latérale et une vue en plan d'un transducteur de pression à résonateur, ces vues illustrant les problèmes posés par la réalisation des surfaces de la section du résonateur lorsque des rigoles ou des gorges ne sont pas formées autour de la section; et la figure 5 est une coupe en élévation latérale d'un transducteur de pression à résonateur illustrant la réalisation des surfaces de la section du résonateur lors- o. que des rigoles ou gorges sont placées autour de la section du résonateur. Les figures 1 à 3 représentent un transducteur de pression à résonateur réalisé selon l'invention et compre- nant un boîtier 4 de forme générale cylindrique ayant une cavité cylindrique 8. Une section 12 de résonateur en forme de disque est disposée dans la cavité 8 et est solidaire, à son périmètre, des parois latérales 10 du bottier. Les parois latérales 10 du bottier 4 entourent la section 12 de résonateur et sont disposées en sens opposés, perpen- diculairement de façon générale au plan de la section for- mant résonateur. (Le bottier 4 est représenté solidaire de tout le périmètre de la section 12 du résonateur et autour de tout ce périmètre, mais il faut noter que la structure dans laquelle le boîtier est solidaire d'une partie seu- lement et entoure une partie seulement du périmètre peut aussi être utilisée). Le bottier 4 et la section 12 de résonateur sont avantageusement formés en une seule pièce de quartz, et de préférence de quartz à taille AT, BT, SC ou X avec rotation. Une joue 16 relie le périmètre de la section 12 de résonateur aux parois latérales 10 du boîtier 4. La joue 16 est plus mince que la section 12 de résonateur et délimite des rigoles ou gorges 24 et 28 à la partie supé- rieure et à la partie inférieure de la section de résona- teur. Les profondeurs des gorges 24 et 28 sont avanta- geusement d'environ 0,125 à 0,25 mm et leurs largeurs sont d'environ 0,25 à 0,5 mm. Cependant, les profondeurs et lar- geurs précises des gorges ne sont pas primordiales pour l'obtention d'un excellent fonctionnement (pourvu que des gorges soient présentes), car elles sont destinées essen- tiellement à la fabrication et à la préparation des trans- ducteurs comme décrit plus en détail dans la suite. Il est important que les largeurs et profondeurs des gorges ne soient pas importantes ou que leurs configura- tions soient abruptes au point que le dép6t sous vide d'un métal sur les gorges (pour la formation des électrodes 32 et 36 comme décrit dans la suite) soit impossible. Pour les dimensions données précédemment, des électrodes métal- liques peuvent être facilement déposées. Des capuchons d'extrémités, tels qu'un capuchon 48, sont placés aux deux extrémités du boîtier 4 afin que l'intérieur du boîtier soit fermé de manière étanche et qu'un fluide dont la pression doit être mesurée ne puisse pas pénétrer à l'intérieur. Evidemment, il existe divers procédés pour la construction d'un bottier fermé permettant la suspension d'une section 12 de résonateur à l'intérieur de manière qu'une pression externe appliquée aux parois latérales du boîtier soit transmise à la section de résonateur. La construction représentée sur les figures 1 à 3 est un simple exemple de construction d'un tel boî- tier. Un circuit destiné à mettre la section 12 de résonateur en vibration comprend deux électrodes 32 et 36 (figure 1) disposées respectivement sur les faces opposées de la section de résonateur, par mise en oeuvre de techni- ques bien connues. Les électrodes 32 et 36 sont couplées à un oscillateur qui crée un signal oscillant destiné à être appliqué aux électrodes afin que la section 12 de résonateur vibre d'une manière bien connue. Un dispositif 44 d'affi- chage est couplé à l'oscillateur afin qu'il affiche la fré- quence d'oscillation de l'oscillateur. Lorsqu'une pression externe appliquée au boîtier 4, et ainsi à la section 12 de résonateur, varie, la fréquence de vibration de la section de résonateur change et l'oscillateur 40 suit le changement de fréquence afin qu'il oscille à la même fréquence que la section de résonateur. De cette manière, les variations de la fréquence de vibration de la section 12 de résonateur peuvent être détectées et affichées et peuvent donner une mesure de la pression à laquelle le bottier 4 est soumis, par exemple lorsqu'il est immergé dans un fluide. Comme représenté en particulier sur les figures 1 et 2, les surfaces supérieure et inférieure de la section 12 de résonateur ont une forme sphérique convexe. Le fonctionnement et la précision du transducteur de pression à résonateur sont accrus lorsque les surfaces supérieure et inférieure de la section 12 de résonateur ont un profil précis de forme sphérique convexe. Un procédé de construc- tion du boîtier 4 avec le tronçon 12 de résonateur comprend l'utilisation initiale d'un morceau unique de cristal de quartz, la mise de la surface externe à la forme convenable, puis l'enlèvement du quartz de manière que les cavités 8 soient formées au-dessus et au-dessous de la section 12 de résonateur. Dans le cas de transducteurs de pression à résonateur de petite dimension, ayant évidemment des cavités 8 de petit diamètre, un dispositif 52 de polissage de surfaces sphériques (figure 4A) peut être utilisé pour la mise des surfaces de la section 12 du résonateur à la configuration convenable. Le dispositif 52 de polissage comporte un style 56 destiné à régler la configuration des surfaces de la section 12 de résonateur, et un bouton 60 de polissage dont la surface inférieure a la configuration et le profil voulus pour les surfaces de la section de résonateur. Une poudre abrasive permet le "polissage" du tronçon 12 de résonateur à la configuration sphérique du bouton 60 de polissage. Dans la structure du transducteur. de pression à résonateur de la figure 4A, aucune gorge ou rigole n'entoure la section 12 de résonateur et, en fait, les coins 64 sont relativement arrondis. En conséquence, lorsque le dispositif 52 de polissage est utilisé pour la réalisation des surfaces de la section de résonateur, on a constaté que le déplacement du bouton 60 de polissage aux coins 64 (formés par la paroi latérale 10 et la section 12 de résonateur) provoquait la remontée du côté 66 du bouton sur la paroi latérale 10 si bien que le c6té 68 pivote ou est poussé vers le bas en formant une gorge ou irrégula- rité 72 à la surface de la section de résonateur (l'irrégu- larité est exagérée simplement pour que le problème posé apparaisse clairement). De même, lorsque le bouton 60 de polissage est placé au coin opposé de manière qu'il forme la surface de la section de résonateur, une gorge ou irrégularité 76 est formée, toujours à cause du pivotement du bouton lorsqu'il se trouve dans le coin. Les irrégula- rités 72 et 76, représentées en coupe sur la figure 4, créent évidemment des asymétries circulaires comme repré- senté sur la figure 4B, sur le profil de la section 12 de résonateur si bien que les performances du transducteur de pression à résonateur sont réduites. Des irrégularités semblables peuvent apparaître lorsque le bouton 60 de polissage, au lieu d'avoir un diamètre inférieur au rayon de la section 12 de résonateur, a un rayon supérieur. En outre, dans le cas de l'utilisation d'un bouton 60 de polissage de plus grande dimension, une région plate peut être formée au centre de la section 12 de résonateur à la suite du pivotement du bouton comme décrit précédemment. La formation d'une rigole ou d'une gorge circulaire 24 (figure 5) autour de la section 12 de résonateur avant la mise en forme et la réalisation des surfaces de la section élimine le phénomène de pivotement du bouton 60 de polissage si bien qu'une surface sphérique convexe plus lisse et plus uniforme peut être réalisée dans la section de résonateur. La raison en est évidemment que le côté 66 du bouton 60 de polissage, formant le coin 64, ne remonte pas le long de la paroi latérale 10 en provoquant un pivotement de l'autre c6té 68 du bouton de polissage ou ne le repousse pas vers le bas contre la surface de la section 12 du résonateur. La largeur de la gorge 24 doit être suffisamment grande pour que le bord 66 du bouton 60 de polissage soit disposé au-dessus de la gorge lorsque le coin supérieur 78 du bouton est au contact de la surface interne de la paroi latérale 10. La gorge 24 doit aussi être suffisamment profonde pour que le bord 66 ne touche pas le fond de la gorge avant que le coin supérieur 78 touche la paroi la- térale 10. Evidemment, la formation des côtés du bouton 60 de polissage sous forme tronconique de manière que le diamètre supérieur du bouton soit inférieur au diamètre inférieur, facilite la mise du bord 66 dans le coin formé o. entre la paroi latérale 10 et la section 12 de résonateur (au-dessus de la gorge 24) mais dans ce cas, comme la surface inférieure de travail du bouton de polissage s'use en cours d'utilisation, le diamètre de la surface inférieure diminue et nécessite un changement relativement fréquent des boutons de polissage. En plus de la simplification de la réalisation d'une surface plus uniforme dans la section 12 de résona- teur, on a constaté que les gorges 24 et 28 formées entre la section 12 de résonateur et les parois latérales 10 réduisaient le phénomène d'hystérésis du transducteur et la résistance de résonance. On sait que la résistance d'un résonateur et le facteur de qualité Q (aptitude d'un système à accumuler de l'énergie)augmentent avec les profils sphériques de la partie résonnante car l'énergie de vibra' tion du résonateur a tendance à se localiser dans la région la plus épaisse - tirée suivant un "piégeage d'énergie". Lorsque la région la plus épaisse est placée symétriquement au centre du disque résonateur, la plus courte distance vers le bord fixe (au niveau duquel l'énergie peut être perdue) est aussi grande que possible, et il s'agit d'une circons- tance voulue. En outre, la formation d'un profil régulier au centre forme une plus grande zone vibrante active et réduit ainsi la résistance. Dans le cas d'un profil irrégu- lier ou déformé, les parties relativement minces de la section de résonateur ont moins d'énergie de vibration et la résistance est accrue. La disposition des gorges 24 et 28 réduit la quantité d'énergie qui peut "fuir" de la région centrale épaisse de la section 12 de résonateur si bien que le fonctionnement est amélioré. Etant donné l'addition des gorges ou rigoles entou- rant la section de résonateur d'un transducteur de pression à résonateur du type décrit précédemment, la fabrication du transducteur est facilitée et des transducteurs de dimension réduite, ayant des résistances tolérables, peuvent être fabriqués et constituent cependant un dispositif pré- cis et efficace de mesure de pression. Dans un exemple de réalisation, la section 12 de résonateur peut avoir un diamètre de l'ordre de 11,4 mm et les rigoles peuvent avoir une largeur comprise entre envi- ron 0,25 et 0,38 mm. En outre, il peut être avantageux que la joue reliant la section de résonateur aux parois laté- rales ait une épaisseur d'environ 1 mm, la section de résonateur ayant une épaisseur d'environ 1,5 mm. REVENDICATIONS 1. Transducteur de pression à résonateur, caracté- risé en ce qu'il comprend: une section (12) de résonateur ayant la forme générale d'un disque, un bo tier (4) entourant au moins une partie impor- tante de la section de résonateur et raccordé au périmètre de celle-ci, le boîtier ayant des parois latérales qui sont en direction générale perpendiculaire au plan de la section de résonateur, des rigoles (24, 28) formées entre la section de résonateur et les parois latérales du boîtier autour du périmètre de la section et aux parties supérieure et infé- rieure de celle-ci, et un dispositif (32, 36) destiné à mettre la section de résonateur en vibration. 2. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la section de résonateur (12) est solidaire des parois latérales du boîtier (4) et comporte une joue (16) disposée entre les rigoles (24, 28) et allant de la section de résonateur aux parois latérales. 3. Transducteur selon la revendication 2, caracté- ris. en ce que la section de résonateur (12) a un diamètre d'environ 11,4 mm, et les gorges ont une largeur comprise entre environ 0,25 et 0,38 mm. 4. Transducteur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la joue a une épaisseur d'environ 1 mm, et la section de résonateur a une épaisseur d'environ 1,5 mm. 5. Transducteur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la section de résonateur (12) est formée de quartz cristallin. 6. Appareil de détection de pression, caractérisé en ce qu'il comporte: une section (12) de résonateur formée d'un cristal de quartz ayant une forme générale de disque, destinée à vibrer sous l'action d'un signal oscillant, la fréquence de vibration variant avec la variation d'une force appliquée 1 1 au périmètre de la section du résonateur, une structure (4) de confinement ayant des parois latérales qui entourent une partie importante au moins de la section de résonateur, les parois latérales étant dis- posées en sens opposés et en direction générale perpendi- culaire au plan de la section de résonteur, une joue (16) plus mince que la section de résona- teur et reliant les parois latérales à la partie du péri- mètre de la section de résonateur à laquelle les parois latérales sont adjacentes afin que des gorges (24, 28) soient délimitées aux faces supérieure et inférieure de la section de résonateur et entre le boîtier et ladite partie du périmètre, la section de résonateur, le boîtier et la joue étant formés en une seule pièce, et un dispositif (32, 36) destiné à transmettre un signal oscillant à la section de résonateur afin que celle-ci vibre. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la joue (16) est formée avec des surfaces supé- rieure et inférieure de forme générale convexe. 8. Procédé de fabrication d'un transducteur de pression à résonateur, ayant une section (12) de résonateur ayant la forme générale d'un disque et un boîtier (4) ayant des parois latérales reliées au périmètre de la section de résonateur afin qu'une partie au moins de la section soit entourée, les parois latérales dépassant en sens opposés en direction générale perpendiculaire au plan de la section, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: la suppression de quartz d'un morceau plein de quartz, à chaque extrémité de ce morceau de quartz, afin qu'il reste une section (12) de résonateur ayant la forme générale d'un disque, à l'intérieur de parois latérales de forme générale cylindrique formées à l'intérieur dans le morceau de quartz, l'enlèvement du quartz des surfaces supérieure et inférieure de la section de résonateur près des parois laté- rales afin que des rigoles (24, 28) qui entourent la section de résonateur soient formées, et la formation des surfaces supérieure et inférieure de la section de résonateur afin qu'elles aient des profils de forme générale sphérique convexe.