Brevet FR2619446A1 — publié le 19890217

La présente invention concerne des dispositifs sensibles à la pression et aux contraintes et, plus particulièrement, un capteur de pression à jauge de contrainte perfectionné. Le fonctionnement correct de beaucoup de systèmes nécessite une détection et une mesure de pression précises. Des capteurs de pression ont été développés, dans lesquels on utilise un matériau monocristal pour le diaphragme de détection de pression. Généralement, dans de tels capteurs de pression, on utilise le principe de jauge de contrainte pour traduire la pression détectée en un signal électrique utile. Pour monter la puce du capteur de telle sorte qu'elle puisse être intégrée utilement, la puce est habituellement reliée à un support au moyen de résine époxy, de verre, ou par soudage électrostatique, ou par des procédés de soudage similaires. Quand une pression est appliquée au diaphragme, les - contraintes sont développées dans la surface du diaphragme et les zones sensibles à la contrainte sont disposées de façon appropriée pour y répondre électriquement. La source de pression peut être quelconque, telle que la pression dans un moteur qui rencontre le diaphragme du capteur et exerce une pression sur lui. Les jauges de contrainte disposées sur le diaphragme sont généralement arrangées sous la forme d'un circuit en pont de Wheatstone qui est bien connu dans la technique, et qui est couplé à un dispositif externe -t sensible à la tension. Quand la pression rencontre le diaphragme, il s'établit des moments dans le corps du diaphragme qui le déforment et sont en relation directe avec la contrainte, entraînant une variation de résistance de la partie sensible à la contrainte du diaphragme formant le pont de Wheatstone. Cette variation est -2- détectée et correspond à la variation de pression qui a provoqué la déformation du diaphragme. Toutefois, avec des jauges de contrainte connues, il se présente de sérieux problèmes du fait que la sollicitation radiale et tangentielle causée par la pression ou la contrainte à mesurer provoque la déformation du verre, de la résine époxy, ou d'une liaison autre qui relie la puce à la base, au point que la diaphragme ne peut retrouver sa forme d'origine, ce qui produit un dérèglement de la jauge. Sous l'effet d'une telle sollicitation, le diaphragme peut aussi se séparer de la base. A la longue du fonctionnement de la jauge de contrainte, le matériau de liaison peut devenir déformé de façon permanente, ce qui nécessite le remplacement de la jauge qui, du fait que de telles jauges sont très chères, entraîne aussi une dépense importante. Comme la fonction de tels dispositifs est de mesurer la pression ou contrainte précisément et uniformément sur des années d'utilisation sans temps mort, on remarquera qu'il existeunbesoin ipératif d'une jauge de contrainte qui surmonte les problèmes mentionnés ci-dessus relatifs aux jauges de contrainte connues. La présente invention surmonte les obstacles et inconvénients précédents par l'emploi d'une jauge de contrainte pour mesurer des différences de pression, comprenant un diaphragme dans une puce en monocristal comportant une partie en creux et un pont de Wheatstone. La présente invention comprend également une partie de base pour supporter la puce en monocristal contenant le diaphragme, et un matériau de liaison pour relier la partie de base à la puce en cristal. Le creux du diaphragme fait que la sollicitation la plus forte se produit le long du bord périphérique de la partie en creux dans la puce en cristal, et non à l'interface 26 1 9446 -3- entre la base et la puce en cristal (c'est-à-dire non pas dans le matériau de liaison). La tendance à se déformer du matériau de liaison est donc grandement réduite, ce qui réduit aussi grandement le temps de panne de la jauge, de même que la nécessité de la remplacer. Le rapport de l'épaisseur du diaphragme à l'épaisseur totale de la puce est en relation avec l'importance de la sollicitation que le matériau de liaison subit. La présente invention transfère la sollicitation radiale et tangentielle qui, dans les jauges connues, se produit dans le matériau de liaison, au pourtour de la partie en creux dans la puce en cristal. Donc, la sollicitation maximum est réellement transférée de l'interface de liaison au matériau plus résistant de la puce, procurant ainsi une jauge de contrainte très fiable et très stable. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, faite en relation avec les dessins annexés, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue de côté, en coupe, d'une jauge de contrainte à diaphragme en saphir connue, montrant le matériau de liaison intact, les figures 2aet2b sont deux vues en coupe partielles de la jauge de contrainte de la Fig. 1, montrant le matériau de liaison déformé, la Fig. 3 est une vue en coupe partielle d'une jauge de contrainte à diaphragme en saphir réalisée conformément à la présente invention, la Fig. 4 est une vue en plan, de dessous, du diaphragme en saphir, montrant le pont de Wheatstone de la jauge de contrainte conforme à la présente invention, et La figure 5 montre la jauge de contrainte à diaphragme en saphir de la figure 3 montée pour constituer un capteur, et la figure 5 a un détail associé illustré à échelle agrandie. Dans la présente invention décrite dans la suite, il est fait état de diaphragmes en saphir monocristal car le saphir a une très forte rigidité. Comme on le remarquera au vu de l'exposé précédent, d'autres matériaux, y compris du quartz, peuvent être utilisés à la place du saphir. Dans la description suivante, à des fins d'explication, des nombres spécifiques, des matériaux, des structures, etc., sont cités de façon à procurer une compréhension approfondie de la présente invention. Cependant, il apparaitra à un homme de métier que la présente invention peut être mise en pratique sans ces détails spécifiques. La Fig. 1 est une vue en coupe d'une jauge de contrainte type connue. Les circuits en pont de Wheatstone sont bien connus et, par conséquent, on ne décrira pas leur fonctionnement ici. Le diaphragme est placé dans un endroit o il sera soumis à une contrainte ou à une pression. Dans l'exemple de réalisation préféré actuellement, le diaphragme 6 est sensiblement circulaire, il a un diamètre d'environ 5 cm, et il est fixé sur une base en oxyde d'aluminium polycristallin 10 qui est aussi sensiblement circulaire. La base en oxyde d'aluminium 10 de la Fig. 1 est collée au diaphragme en saphir 6 au moyen d'un matériau de liaison en verre 8, bien que de la résine époxy ou d'autres procédés puissent être utilisés à la place de laliaison en verre 8. La base en oxyde d'aluminium 10 définit une ouverture circulaire interne 9 qui est placée dans le passage d'une pression à mesurer. Il est important de noter que la pression peut arriver sur le diaphragme 6 de chaque côté, comme l'indiquent les flèches à la Fig. 1. Dans le cas de l'échappement d'un moteur, la pression d'échappement arrive contre la face supérieure du -5- diaphragme en saphir 6, provoquant une déformation vers le bas de celui-ci, comme le montrent les lignes discontinues à la Fig. 1. Du courant est fourni àunpont de Wheatstone associé prévusurlediaphragmeensaphir 6 delajauge de contrainte par une alimentation non montrée. La déformation du diaphragme en saphir 6 produit une redistribution des résistances et, par conséquent, une variation dans la tension développée entre les éléments de résistance du pont de Wheatstone. La variation de tension correspond au degré de déformation du diaphragme en saphir 6. Comme le degré de déformation du diaphragme en saphir 6 est aussi proportionnel à l'amplitude de la contrainte exercée sur lui à un moment donné, la contrainte peut être détectée continuellement en mesurant la chute de tension aux bornes du pont de Wheatstone. Il s'est avéré qu'il se présentait de nombreux problèmes et inconvénients avec le dispositif montré à la Fig. 1. Le verre a une résistance plus faible à la traction que le saphir, et subit un écoulement visqueux lors de la sollicitation radiale et tangentielle à la jointure de l'ouverture 9. En raison des effets d'hystérésis, ceci entraîne une erreur dans la lecture de la contrainte ou de la pression. Lors du fonctionnement de la jauge de contrainte connue de la Fig. 1, la liaison en verre se déforme sous la traction à son point de liaison entre la base en oxyde d'aluminium 10 et le diaphragme en saphir 6. Par exemple, dans le présent exemple de réalisation, le diaphragme en saphir 6 a sensiblement une largeur de 0,5 cm et nécessitunecontran- tecorrespondant environ à O,0025 cm pour produire une variation maximum dans la résistance du pont de Wheatstone. Une contrainte corresporndantàO, 0025 cmpourun diaphragme de 0,5 cm développe une sollicitation dans la liaison en verre de 0,7 kg/cm2 qui, pour l'application décrite ici, est deux ou trois fois plus grande que le niveau de ?6 1 9 4 A -6- sollicitation admissible pour le verre. Sous une telle contrainte, le verre finit à la longue par fluer, si bien que, par suite, le verre, une fois sollicité, ne retrouve sa forme d'origine que longtemps après. Par suite, après un certain temps de fonctionneent de la jauge, le verre reste déformé en permanence. De plus, le diaphragme 6 peut se séparer de la base en oxyde d'aluminium 10 comme le montrent les Figs. 2a et 2b. La Fig. 3 est une vue de côté en coupe de la jauge de contrainte perfectionnée de la présente invention, qui surmonte les problèmes relatifs aux jauges de contrainte connues telles que celle des Figs.let2a,2b. La Fig. 4 est une vue en plan, de dessous, de la jauge de contrainte de la Fig. 3. La Fig. 4 montre un pont de Wheatstone 15 placé sur une puce à diaphragme en saphir. Dans l'exemple de réalisation actuellement préféré, la puce en saphir de la jauge de contrainte des Figs. 3 et 4 est microusinée afin qu'elle présente une zone en creux 12 qui forme un diaphragme 7 adjacent à une zone beaucoup plus épaisse 7a qui entoure ladite zone en creux. Cette structure selonlaprésenteinventionempêchelapucedese déformer dans la zone de liaison 8 en transférant la sollicitation radiale et tangentielle au bord périphérique de la zone en creux 12, désigné par la référence numérique 13, empêchant ainsi réellement la déformation à l'interface entre le diaphragme 7 et la base 10. Par conséquent, il ne se produit pas de déformation dans la zone immédiatement adjacente à l'emplacement 13, comme le montrent les Figs. 3, 4, 5 et 5a. Donc, lors du fonctionnement de la structure des Figs. 3 et 4, la seule sollicitation importante dans la liaison 8 correspond à une copression (pas de sollicitation radiale ni tangentielle), et elle est dans des limites acceptables. En pratique, on a trouvé que le décalage du bord périphérique 13 à partir du point de raccordement de -7- la base 10 (désigné par la référence numérique 16) pouvait faire 1,5 fois l'épaisseur de diaphragme 7. La jauge de contrainte de l'invention peut être installée dans un système à mesurer de telle sorte que la base, le sommet ou les côtés de la jauge soient couplés à l'endroit à mesurer. La Fig. 5 est une vue de côté en coupe de la jauge de contrainte à diaphragme de la présente invention installée dans un capteur de pression dans un milieu fluide, pour y mesurer la pression. La jauge de contrainte de l'invention est installée sur une conduite de fluide sous pression 18. Le fluide (liquide ou gazeux) rencontre la puce et le diaphragme en saphir 7. L'augmentation ou la diminution de la pression exercée sur le diaphragme 7 en- traîne une déformation de celui-ci qui, à son tour, provoque une redistribution des résistances dans le pont de Wheatstone 15 placé sur le diaphragme en saphir 7, et une redistribution de la tension développée aux bornes du pont de Wheatstone 15. La variation résultante de la tension de sortie est transférée par des fils 16 liés aucapteur qui, eux- mêmes, sont reliés à unconducteur 17 pour finalement transmettre la tension à un dispositif de mesure de tension 20. Le dispositif de mesure de tension 20 mesure la tension aux bornes du pont de Wheatstone 15 et, comme la variation de tension correspond à la variation de la contrainte ou de la pression, détermine l'amplitude de la contrainte ou de la pression exercée sur le diaphragme en saphir 7. De même, on remarquera que la présente invention peut aussi être utilisée pour mesurer une différence entre deux- pressions, au cas o la pression s'exerce à la fois sur le sommet et sur la base du diaphragme 7. On s'est rendu compte que la puce à diaphragme de la présente invention peut aussi être en quartz, silicium, diamant, nitrure d'aluminium, ou dioxyde de 6 19446 -8- silicium. La base peut être en oxyde d'aluminium, nitrure d'aluminium, oxyde de silicium ou nitrure de bore. Du fait de coefficients de dilation similaires, un diaphragme en silicium pourrait être utilisé avec une base en nitrure d'aluminium. Des diaphragmes en nitrure d'aluminium et en oxyde de silicium peuvent aussi être fabriqués en pressant à chaud le diaphragme en puce à partir d'une puce en nitrure d'aluminium ou en oxyde de silicium, afin de supprimer le besoin de micro-usiner la zone en creux 12 dans la puce. On remarquera que l'invention décrite ci-dessus peut se présenter sous d'autres formes spécifiques sans qu'on s'éloigne de son esprit ou de ses caractéristiques essentielles. Les présents exemples de réalisation doivent donc être considérés, de toutes les façons, comme illustratifs et non restrictifs, l'invention englobant toute variante reprenant, avec des moyens équivalents les caractéristiques essentielles figurant aux revendica- tions. 2 6 1 9 4 4 6 --9-- REVENDICATIONS 1) Jauge de contrainte, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une puce en cristal souple, ladite puce comportant une partie en creux (12) définissant une zone centrale, afin de former un diaphragme (7), sur ledit diaphragme étant disposé un moyen pour conduire du courant électriqcueenréponseàladéfornmation dudit diaphragme, de sorte que le courant conduit par ledit moyen pour conduire du courant varie en fonction de la déformation dudit diaphragme; - une partie de base (10) disposée adjacente à une face dudit diaphragme (7); - un matériau de liaison (8) pour relier une face dudit diaphragme (7) à ladite partie de base (10), de telle manière que lors de la déformation dudit diaphragme (7), la sollicitation radiale et tangentielle dans ledit matériau de liaison (8) soit réduite. 2) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite puce en cristal est formée essentiellement de saphir monocristal. 3) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite puce en cristal est formée essentiellement d'oxyde d'aluminium. 4) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite puce en cristal est formée essentiellement de nitrure d'aluminium. ) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite puce en cristal est formée essentiellement de silicium. 6) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite puce en cristal est formée essentiellement de quartz. 26 1446 -10- 7) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit diaphragme en cristal est formé essentiellement de diamant. 8) Jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit diaphragme en cristal est formé essentiellement de dioxyde de silicium. 9) Jauge de contrainte selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite puce en nitrure est pressée à chaud pour former ainsi ladite puce en cristal. 10) Jauge de contrainte/ caractérisée en ce qu'elle comprend: - une puce en saphir monocristal, ladite puce en saphir comportant un creux (12) prévu dans une de ses faces, ledit creux (12) ayant une profondeur prédéterminée dans ladite puce; - une liaison en verre (8); - un moyen pour détecter la déformation de ladite puce; - une partie de base (10) en oxyde d'aluminium placée adjacente à une face dudit diaphragme (7), ladite partie de base (10) définissant une ouverture (9) et étant reliée à un côté de ladite liaison en verre, ladite puce étant reliée à l'autre côté de ladite liaison en verre (8), de sorte que celle- ci relie ensemble ladite puce et ladite partie de base (10) de telle manière que lors d'une déformation dudit diaphragme (7), la sollicitation radiale et tangentielle dans ledit matériau de liaison soit ainsi réduite. 11) Jauge de contrainte selon la revendication 9, caractérisée en ce que, ledit moyen pour détecter la déformation de ladite puce comprend un pont de Wheatstone (15). 12) Jauge de contrainte caractérisée en ce qu'elle comprend: -11- - un moyen (7, 7a) à diaphragme souple (7); - un moyen pour conduire du courant électrique, ledit mcyen pour conduire du courant étant sensible à la déformation dudit moyen à diaphragme; - une partie de base (10), ladite partie de base (10) étant reliée adjacente à une face dudit moyen à diaphragme, ledit moyen à diaphragme comportant un creux ayant une profondeur prédéterminée, disposé sur la face adjacente à ladite partie de base, définissant ainsi une zone en creux (12) comportant un bord périphérique (13), de sorte que lors de la déformation dudit diaphragme, la sollicitation radiale et tangentielle dans la liaison entre ladite base (10) et ledit diaphragme (7) soit réduite.