Brevet FR2611043A1 — publié le 19880819

La présente invention concerne les dispositifs utilisant des jauges de contrainte fixées sur un substrat déformable pour obtenir des signaux électriques représentatifs des déformations dudit substrat. Elle concerne plus particulièrement la réalisation d'un capteur de pression à jauges piézorésistives. Les propriétés piézorésistives des encres résistives sont décrites dans l'article de Yu. A.GUSEV "Film strain resistor for temperatures up to 10000c" paru dans la revue Khar'Kov Aviatic Institut, volume 2 de Mars/Avril 1976. Il en est de même dans l'article de HOLMES "Changes in thick-film resistor values due to substrate flexure" volume 12 de la revue Microelectronics and Reliability de 1973 qui étudie l'influence des contraintes mécaniques sur la valeur des résistances en microélectronique couche épaisse. L'auteur réalise un extensomètre à résistances en couche épaisse sur substrat céramique pour mesurer le facteur de jauge de ces résistances qu'il situe, selon lez encres utilisées, comme étant de l'ordre de 11. Enfin, le brevet MARELLI N 70 25 084 applique ces connaissances à un dispositif mesureur de pression dont les extensomètres, en couche épaisse, sont appliqués sur le substrat par le procédé de la sérigraphie. Mais ce procédé ne permet pas d'obtenir de façon régulière et répétitive des jauges de contraintes aux caractéristiques identiques du fait de l'effet de mailles inhérent au dépôt par sérigraphie. En effet, les jauges sont dessinées sur un écran de soie, qui est ensuite appliqué sur le substrat, avant d'être imprégné d'une encre résistive. Les mailles de cet écran tissé en fils d'acier inox ne permettent pas d'obtenir des contours nets et réguliers ni une épaisseur de dépôt rigoureusement constante, ce qui entraine la dispersion des caractéristiques électriques et piézoélectriques des jauges ainsi obtenues. Le but de l'invention est d'éviter ces inconvénients qui rendent incompatible l'utilisation de telles jauges pour la réalisation de capteurs de pression suffisamment précis pour leur utilisation dans le domaine Aéronautique et Spatial. Pour ce faire, l'invention décrit un capteur de pression qui se caractérise en ce que les jauges sont réalisées à partir d'encres résistives déposées directement sur le substrat par le procédé d'écriture directe à jet d'encre. Le capteur, selon l'invention, permet de mesurer indifféremment des pressions absolues ou différentielles. En effet, on dispose de deux cavités séparées par le substrat servant de membrane, qui est soumise à une pression résultante égale à la différence Pi-P2 des pressions régnant dans les deux cavités. Si l'une des cavités est rendue hermétique et scellée sous vide, la cellule mesure la pression absolue que l'on injecte dans la deuxième cavité. Les contraintes induites dans la membrane sont essentiellement dues à la flexion de celle-ci, du moins pour des épaisseurs de membrane suffisamment importantes par rapport au diamètre. La répartition de ces contraintes est telle qu'à une contrainte de compression à la périphérie de l'élément déformable correspond sur la même face, une contrainte d'extension au centre de l'élément. Cette différence de sens de variation des contraintes et donc des allongements permet de réaliser, à l'aide de jauges piézorésistives, un pont de Wheatstone dans lequel on place dans deux branches opposées des jauges soumises aux mêmes contraintes. On utilise pour réaliser le pont de jauges, des 3 2611043 résistances piézorésistives dont le facteur de jauge est positif à la fois pour des allongements parallèles et perpendiculaires au sens du courant. De telles jauges sont réalisées à l'aide de compositions conductrices à base d'oxyde conducteur mélé à une matrice de verre. Cette composition se présente sous forme d'une encre dont la viscosité est modulable par l'ajout de solvants divers, ce qui lui permet de s'adapter au procédé de dépôt direct et d'utiliser, pour le jet d'encre, des tubes capillaires suffisamment fins pour obtenir un dessin très précis des jauges. Les jauges sont réalisées en déposant une fine couche des encres désirées. Le procédé de dépot qui utilise la technique d'écriture directe permet d'obtenir, à partir d'une géométrie définie le dessin correspondant sur la membrane, sans recourir à des procédés de masquage quels qu'ils soient. Plusieurs passes sont nécessaires pour réaliser un pont de jauges. En effet, il faut d'abord déposer une encre du type conductrice pour réaliser les conducteurs, puis une encre dont la composition conduit à des résistances piézorésistives qui sont reliées par les conducteurs déposés précédemment. Le procédé utilisé permet de réaliser une grande variété de géométries en modifiant simplement le parcours des tubes capillaires de dépôt, programmé à partir du descriptif de la structure de la cellule. Après chaque dépôt d'encre, intervient une opération de cuisson qui permet d'éliminer les solvants contenus dans la composition et de réaliser la liaison entre particules d'oxyde conducteur et matrice de verre. Cette opération à haute température permet d'obtenir une excellente stabilité des résistances. A l'issue du dépôt des éléments du pont de jauge, on peut 4 2 6 I611043 appliquer par le même procédé une couche de verre sur l'ensemble de la membrane en utilisant une pâte spéciale à base de verre, Cette couche de verre est utilisée d'une part pour réaliser en bordure de la membrane l'opération de scellement qui créera les cavités et d'autre part pour améliorer, après scellement, l'herméticité des cavités. En effet, les matériaux constituant la membrane peuvent présenter une certaine porosité qui sera inhibée par cette couche. Le verre ainsi déposé joue également un rôle protecteur des jauges déposées, en évitant des contaminations pendant l'opération de scellement et vis-à-vis des fluides auxquels est exposée la membrane pendant le fonctionnement du capteur. Un tel procédé de réalisation peut s'appliquer à des membranes en céramique, type alumine en particulier, qui présente de bonnes propriétés mécaniques, mais on peut envisager d'autres types de substrat, par exemple verre, silice, ou métaux émaillés, selon applications envisagées. Une autre caractéristique de l'invention porte sur la façon d'obtenir deux paires de jauges, qui puissent être électriquement reliées en un pont de Wheatstone équilibré. Pour ce faire, après avoir déposé sur la membrane quatre éléments conducteurs, à chacun des deux endroits prévus pour les couples de résistances, on dépose, sur chaque membre, de quatre conducteurs un élément piézorésistant, calibré en fonction des valeurs ohmiques souhaitées, de telle sorte qu'il soit simultanément en contact électrique avec chacun des quatre conducteurs. On divise ensuite chaque élément en deux éléments sensiblement identiques et électriquement isolés l'un de l'autre au moyen d'une opération de gravure. La gravure, qui peut être réalisée par jet de poudre abrasive ou au moyen d'un faisceau laser, peut être pilotée en cours d'opération sous le contrôle de la valeur des résistances, entre quatre conducteurs, afin d'orienter le parcours du dispositif de gravure et maitriser ainsi la valeur des deux résistances obtenues à partir de chaque élément. Les deux résistances issues de cette opération ont des caractéristiques électriques et piézorésistives très proches car elles sont obtenues à partir d'un élément unique. Ceci est particulièrment important pour limiter les dérives en température du pont de Wheatstone, qui sont dues à des différences des coefficients de dérive de chaque résistance constituant le pont. Il a été observé que des résistances dont la valeur est très proche à une température donnée, présentent des dérives en température également très proches. Ainsi si les résistances du pont sont telles que le déséquilibre en sortie est inférieur à 1 % de la tension d'alimentation, la dérive du pont pourra être inférieure à lpV/V/OC ce qui conduit à une stabilité de la cellule de mesure de 200 ppm/OC avant toute compensation. La position des jauges par rapport à l'encastrement de la membrane est également très précise grâce à cette méthode. Les dessins annexés, illustrent à titre d'exemple un mode de réalisation d'un capteur de pression selon l'invention. La figure 1 est une coupe du capteur, La figure 2 est une vue en plan, Les figures 3 et 4 représentent des éléments piézorésistifs avant et après gravure. Tel que représenté,le capteur de pression comprend un substrat 1 par exemple en céramique qui est pris en sandwich entre deux coupelles circulaires 2 également en céramique et scellées sur le substrat au moyen d'une encre 6 2611043 spécifique à base de verre, préalablement déposée sur les zones d'encastrement circulaire 21. Les coupelles ont une forme appropriée pour définir deux cavités distinctes 3 et 4 de part et d'autre du substrat. C'est le substrat qui joue le rôle de membrane déformable. Deux tubes 5, 6 scellés dans chacune des coupelles permettent la communication des chambres 3 et 4 respectivement avec les pressions P1 et P2, dans le cas d'un capteur de pression différentiel. Sur le substrat ont été déposés deux éléments de jauges de contrainte Ro, par exemple l'un au centre de la zone jouant le rôle de membrane circulaire et l'autre à proximité de l'encastrement 21, tel que représenté figures 2 et 3. Ces éléments Ro recouvrent chacun partiellement quatre conducteurs électriques 7 préalablement réalisés en encre conductrice et aboutissant tous sur un même bord 11 du substrat pour faciliter les branchements électriques. Chaque élément Ro, figure 3 est ensuite gravé selon un des deux procédés décrits précédemment pour obtenir respectivement deux jauges résistives Rl, R4 et R2, R3. tels que représentées sur la figure 4. Pour un capteur différentiel, les deux faces du substrat étant exposées aux fluides sous pression, qui peuvent être corrosifs, les résistances seront protégées en déposant sur toutes les surfaces du substat la couche de verre de scellement, au lieu de se limiter à la zone 21 sur chaque face. En outre, cette protection améliore la stabilité des jauges résistives d'un tel capteur. L'invention se prête particulièrement bien à la réalisation de capteurs de pression fiables et d'une grande précision, permettant leur utilisation notamment en Aéronautique et en Spatial. REVEND I CATIONS l - Capteur de pression à jauges piézorésistives fixées sur un substrat déformable pour obtenir des signaux électriques représentatifs des déformations dudit substrat, caractérisé en ce que les jauges sont réalisées à partir d'encres résistives déposées directement sur le substrat par le procédé d'écriture directe à jet d'encre. 2 - Capteur de pression selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque paire de jauges (R1, R4/ R2, R3) est obtenue à partir d'un élément unique d'encres piézorésistives (Ro) en contact avec quatre conducteurs (7) qui est ensuite gravé pour obtenir deux jauges distinctes électriquement isolées et identiques. 3 - Capteur de pression selon la revendication 2 caractérisé en ce que la gravure est réalisée au moyen d'un faisceau laser, piloté selon la valeur des résistances obtenues au cours de l'opération. 4 - Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que, après le dépôt des conducteurs et des jauges calibrées, tout le substrat est recouvert d'une couche de protection, réalisée au moyen d'encre à base de verre, par le procédé d'écriture directe à jet d'encre.