Brevet FR2614988A1 — publié le 19881110

La présente invention est relative à un capteur capacitif de pression comprenant une structure de détec- tion capacitive, un boîtier dans lequel est montée ladite structure, des canaux adaptés dans ledit boîtier pour introduire le milieu à mesurer dans ladite structure de détection capacitive, et des conducteurs électriques par l'intermédiaire desquels l'information capacitive de pression existant dans ladite structure est transmise à l'extérieur. Les références à la technique antérieure comprennent les publications des brevets suivants: [1] US 4589054 (Kuisma) [2] US 4597027 (Lehto) [3] US 3397278 (Pomerantz) [4] US 4609966 (Kuisma) [5] US 4599906 (Freud et autres) [6] US 4542435 (Freud et autres) [7] US 4257274 (Shimada et autres) [8] US 4628403 (Kuisma) Un inconvénient des réalisations de la techni- que antérieure est qu'elles sont difficiles à mettre en oeuvre en production de masse. De plus, l'élimination des erreurs dépendant de la température jusqu'à un niveau raisonnable a jusqu'alors échoué. Le but de la présente invention est de surmon- ter les inconvénients de la technologie antérieure et de réaliser un type de capteur capacitif de pression totalement nouveau. L'invention est basée sur le montage de l'élé- ment sensible capacitif dans le boîtier du capteur entre les deux feuilles métalliques formant les moitiés du boîtier au moyen de couches isolantes électriques fabri- quées par exemple, en élastomère, de sorte que le détec- teur capacitif flotte entre les couches. Plus particulièrement le capteur capacitif de pression conforme à l'invention est caractérisé en ce que la structure de détection capacitive est adaptée dans le bottier au moyen de structures fines et élasti- ques, de sorte qu'elle flotte entre lesdites structures. Le dispositif conforme à l'invention donne des avantages très importants, comprenant: - une adaptabilité améliorée à la production de masse, et une facilité d'assemblage meilleure qu'avec les condensateurs différentiels fabriqués avec des maté- riaux analogues ([6], [7]; - l'isolement des sources d'erreurs dues à la différence des coefficients de dilatation thermique entre le détecteur capacitif et le boîtier métallique, ainsi qu'à la déformation des parties métalliques sous la pression à mesurer. A titre de comparaison on peut prendre, par exemple, la référence [6] qui décrit une structure compliquée visant à obtenir les mêmes avantages; - comme il est indiqué dans la référence [8], la dépendance avantageuse de la sensibilité d'un conden- sateur à la pression entraîne une sensibilité plus éle- vée aux basses pressions qu'aux hautes pressions. Cette propriété peut aussi être utilisée avec un cap.teur différentiel de pression, dans lequel la pression P1 dans le canal 22 doit être plus grande que la pression P2 dans le canal 23. Par rapport à des structures symé- triques de condensateurs différentiels [6], [7], nous atteignons maintenant une gamme de mesure utilisable plus large avec un élément sensible unique. En raison de sa grande élasticité, l'élasto- mère ne transmet pas au condensateur de détection l'effort mécanique provoqué par la déformation du bol- tier métallique ou par la dilatation thermique différen- tielle due à la différence des coefficients de dilata- tion du matériau du condensateur de détection et du boîtier métallique. L'emplacement du condensateur de détection entre les deux surfaces qui le soutiennent est fixé de sorte que la différence de pressions donnée à mesurer ne puisse pas étirer excessivement la couche d'élastomère (19) dans la direction perpendiculaire à son plan. La résistance au cisaillement de l'élastomère est augmentée jusqu'à un niveau suffisant en utilisant une couche fine associée à une grande surface. On notera que la structure conforme à l'invention offre non seule- ment la compensation de l'effet des variations de température sur les propriétés diélectriques du matériau isolant, mais élimine aussi d'autres causes d'erreurs dues aux variations de température, telles que celles qui sont dues aux propriétés des contraintes élastiques et aux caractéristiques d'expansion thermique, ainsi qu'à l'expansion thermique du milieu constitué par l'huile au silicone sous pression si les diaphragmes d'isolement sont situés près de l'élément sensible et en bon contact thermique avec lui. L'invention va être examinée en détail à l'aide du mode de.réalisation suivant, donné à titre d'exemple, et illustré par les figures jointes. La figure 1 est une vue latérale en coupe d'une structure de détecteur capacitif conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe le long du plan A-A de la figure 1. La figure 3 est une vue latérale en coupe d'un capteur de pression capacitif conforme à l'invention. Les figures 1 et 2 montrent la partie sensible à la pression de la structure du condensateur de détec- tion. Elle est analogue à la structure des figures 3 et 4 dans la référence [1]. Le condensateur proprement dit est constitué de couches de différentes épaisseurs de silicium et de verre au borosilicate ayant un coefficient de dilatation adapté. Dans la figure 1, le matériau de la pastille 1 est du silicium. La pastille de silicium 1 est fixée à une pastille de verre 4 en utilisant des procédés classiques, tels que ceux qui sont décrits dans les réfé- rences [1] et [2]. De la même manière, une pastille 2 est fabriquée avec du silicium et fixée à une pastille de verre 5. Entre ces structures de pastilles, il y a un élément 3, en silicium. L'élément en silicium 3 est fabriqué avantageusement avec des bords plus épais entou- rant une surface centrale plus mince 6. L'élément en silicium 3 est fixé aux surfaces des pastilles de verre des structures de pastilles 1, 4 et 2, -5 par ses bords plus épais en utilisant par exemple, un procédé de liai- son anodique décrit-dans la référence [3]. L'élément en silicium 3 est travaillé sur le côté de la pastille de verre 5 de façon à avoir une cavité 12 bien formée, qui constitue l'intervalle dié- lectrique du condensateur de détection. La cavité 12 communique avec une pression externe par des canaux 10 et 11. L'autre côté du diaphragme aminci en silicium 6 a une seconde cavité bien formée 7B, qui communique avec la pression externe par un trou 7 taillé- dans la struc- ture de pastilles 1, 4. Si une pression externe P1 est appliquée par l'intermédiaire du trou 7 en utilisant un milieu liquide ou gazeux sous pression, tandis qu'une pression P2 est appliquée par l'intermédiaire des canaux 10 et 11, le diaphragme de silicium 6 fléchira en fonction de la différence des pressions P2.- Pi' Conformément à la figure 2, des surfaces métalliques en films minces 15, 16, 17, associées à leurs surfaces conductrices 8, 9 et à des surfaces de plot de connexion 14, sont réalisées sur la surface de la pastille de verre 5.? La surface de liaison anodique porte la référence 13. La surface 15 forme un contact électrique avec l'élément en silicium 3 et ensuite, grâce à une conductibilité appropriée du matériau de silicium, avec le diaphragme mince en silicium 6. Les surfaces 17 et 16 du film métallique sont placées de façon appropriée pour couvrir la cavité 12 et le diaphragme de silicium 6 de sorte que là surface 17 soit située au milieu de la structure o le fléchisse- ment du diaphragme de silicium 6 induit par la diffé- rence des pressions est plus grand, tandis que' la surface 16 est située sur les bords, là o le fléchis- sement du diaphragme de silicium 6 est très petit. La structure contient ainsi deux condensateurs: l'un formé par la surface 17 et le diaphragme de silicium 6, et l'autre par la surface 16 et le diaphragme de silicium 6. La cavité 12 constitue l'intervalle isolant pour les deux condensateurs. La capacité du condensateur formé par la surface 17 et le diaphragme de silicium 6 porte la réfé- rence Cp, tandis que la capacité du condensateur formé par la surface 16 et le diaphragme de silicium 6 porte la référence Ct. La capacité Cp dépend fortement de la diffé- rence des pressions, car les variations de la différence de pressions fléchissent le diaphragme de silicium 6, provoquant des variations de la distance mutuelle entre les plaques 6 et 17 du condensateur, et par conséquent des changements de capacité. La capacité Ct est par essence moins dépehdante de la pression, car les variations de la différence de pressions provoquent un changement négligeable de la distance mutuelle entre les plaques 6 et 16 du condensateur. Les deux capacités Cp et Ct dépendent des propriétés diélectriques du milieu isolant-remplissant l'intervalle 12 de façons sensiblement égales. Les figures 1 et 2 sont simplifiées pour illustrer les détails les plus essentiels d'un condensa- teur sensible aux différences de pressions et concernant son fonctionnement. Différentes modifications dans les structures de ses éléments sont possibles, comme illu- tré., par exemple dans les figures 1, 6 de la référence r4], et sont même fréquemment avantageuses. En plus des formes métalliques illustrées dans les figures 1 et 2, la surface de la pastille de verre 5 peut avoir des anneaux de garde tels que ceux qui sont représentés dans la figure lB de la référence [4], ou bien la pas- tille de silicium 2 peut être fixée à la surface métal- lisée au moyen d'une structure traversante pénétrant la pastille de verre 5 conformément aux procédés décrits dans les références [2] ou [4]. Les dimensions du condensateur sensible aux différences de pression peuvent varier dans une large gamme.-La largeur des éléments 1, 2 et 3 est générale- ment de 2 à 20-mm, de préférence de 5 à 7 mm. Les épaisseurs des éléments 1 et 2 sont généralement-de 0,2 à 2 mm, de préférence environ 1 mm. L'épaisseur de l'élément 3 peut être de 0,1 à 0,5 mm, de préférence 0,38 mm. Les épaisseurs des pastilles de verre 4 et 5 sont généralement.de 0,01 à 0,2 mm, de préférence 0,05 mm. L'épaisseur du diaphragme aminci en silicium 6 peut varier dans la gamme de 0,005 à 0,2 mm, de préférence, suivant la gamme de pressions, de 0,01 à 0,1 mm, et la longueur du côté du diaphragme en silicium 6 (ou du diamètre correspondant' du diaphragme circulaire) est de 1 à 10 mm, de préférence 2 à 4 mm. L'épaisseur de 26 14988 l'isolant diélectrique 12 est généralement dans la gamme de 0,001 à 0,02 mm, de préférence 0,004 à 0,008 mm. L'utilisation du condensateur des figures 1 et 2 dans un élément sensible à la pression d'un capteur est illustrée sur la figure 3. Le condensateur est monté, par la pastille de silicium 2 avec une couche fine appropriée 18 d'un élastomère convenable, par exemple du caoutchouc au silicone, sur une base métallique 20. La base 20 est munie de moyens de traversée, dans les- quels des conducteurs métalliques 27 sont isolés de la base 20 par des manchons en verre 28. Les manchons en verre sont coulés à leur place pour assurer l'étanchéité des traversées. Les surfaces de connexion 14 du conden- sateur sont connectées de façon appropriée aux conduc- teurs correspondants 27 au moyen de fils métalliques fins 26. La base métallique 20 est fixée par exemple par soudure le long d'une gorge 25 à une autre partie 21 du boîtier, qui peut d'ailleurs être une partie d'une structure plus importante. La partie 21 du-boîtier comporte un espace 24 pour le condensateur. Le condensa- teur est monté, par la pastille de silicium 1 avec une couche fine d'élastomère 19, sur la partie 21 du boîtier métallique. Ainsi, le condensateur flotte entre deux coussins d'élastomère. Les couches d'élastomère ont une épaisseur de 0,05 à 0,3 mm, de préférence 0,1 mm. La partie 21 du boîtier métallique possède deux trous 22 et 23, à travers desquels les pressions mesurées sont appliquées au condensateur. Le trou 22 communique avec l'espace 24, tandis que le trou 23 est aligné avec un trou 7 dans la plaque 1 du condensateur. Une couche d'élastomère 19 isole ces deux canaux de pressions l'un de l'autre. L'espace 24 est rempli par un milieu liquide sous pression, par exemple de l'huile au silicone, de sorte que ce milieu remplit aussi l'in- tervalle diélectrique en forme de cavité 12 à travers les canaux 10 et 11. Le trou 23 et la cavité 7B qui communique avec lui par le trou 7 sont aussi remplis par un milieu pouvant être liquide ou gazeux, par exemple de l'air. Les trous 22 et 23 peuvent de plus communiquer avec les espaces à milieu huileux, qui sont isolés du milieu sous pression à mesurer par un diaphragme métalli- que mince de la façon décrite par exemple dans les réfé- rences [5] et [6]. Si le capteur est utilisé pour des -10 étalonnages plutôt que pour des mesures de pressions différentielles, le trou 23 n'a pas besoin d'être rempli par un milieu liquide, et le diaphragme isolant associé n'est pas non plus nécessaire. L'espace 24 peut être formé de manière appropriée en fonction des dimensions du condensateur de détection-pour minimiser le volume du milieu. La structure du condensateur décrite ci-dessus met en jeu deux capacités mesurables, Cp et Ct. L'une d'elles, Cp, dépend fortement de la différence de pres- sions, tandis que Ct en dépend faiblement, les deux capacités dépendant des propriétés diélectriques du milieu. Si le milieu remplissant la cavité 12 est de l'huile au silicone, le coefficient de température de la constante diélectrique est élevé, approximativement 1000 ppm/ K. Ceci provoque une forte dépendance de la température pour les capacités Cp et Ct, qui pourrait induire des erreurs dues aux variations de température dans la mesure de la pression, dans le cas o la capa- cité Cp serait utilisée seule pour la mesure'de la différence de pressions. Du fait qu'une seconde capa- cité Ct dépendant de la pression de façon différente de Cp existe aussi, avec également une forte dépendance de la température, des fonctions mathématiques peuvent être formulées pour déterminer, à partir des valeurs des capacités, aussi bien la différence de pressions que la température, avec une précision suffisante: P2 P = p(Cp, Ct) t = t(Cp, Ct) Les fonctions p. et t peuvent être formulées, par exemple, sous forme polynomiale. Les coefficients des polynômes peuvent être déterminés en mesurant les deux capacités, Cp et Ct, avec un nombre suffisant de valeurs de différences de pressions et de températures. REVENDICATIONS 1. Un capteur de pression capacitif, comprenant: - une structure de détection capacitive (1, 2, 3); - un boîtier (20, 21), dans lequel est monté le détecteur capacitif (1, 2,. 3); - - des canaux (22, 23) adaptés dans l.e boîtier (21) pour introduire le milieu à mesurer dans la struc- ture de détection capacitive (1, 2, 3); et - des conducteurs électriques (14, 26) par l'intermédiaire desquels l'information capacitive de pres- sion existant dans la structure de détection capacitive (1, 2, 3) est transmise à l'extérieur, caractérisé en ce que la structure de détection capaci- tive (1, 2, 3) est adaptée dans le boîtier (20, 21) au moyen de structures fines et élastiques (18, 19), de sorte que la structure de détection capacitive (1, 2, 3) flotte entre lesdites structures (18, 19). 2. Une structure de condensateur conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche des structures en élastomère (18, 19) est de 0,05 à 0,3 mm, de préférence 0,1 mm. 3. Un capteur de pression conforme aux revendi- cations 1 ou 2, dans la structure duquel le détecteur capacitif comprend une plaque support (2, 5) formée par une pastille de silicium (2) et une pastille de verre (5) fixée sur la pastille de silicium (2) à l'aide d'un procédé de liaison électrostatique, cette pastille de verre (5) étant essentiellement plus mince que la pas- tille de silicium (2), une première plaque fixe (17) de condensateur disposée sur une plaque de substrat (2, 5), une plaque de silicium (3) disposée sur la plaque de base (2, 5) et entourant la plaque fixe (17) du conden- sateur avec sa partie centrale traitée en structure de diaphragme (6) agissant comme une plaque mobile du condensateur, une plaque supérieure (1, 4) disposée sur la plaque de silicium (3) avec une structure combinée consistant en une-pastille de silicium (1) et une pas- tille de verre (4) fixée sur cette pastille de silicium (1) et disposée contre la plaque de silicium (3), cette pastille de verre étant essentiellement plus mince que la pastille de silicium (1), caractérisé en ce qu'une seconde plaque du condensateur est disposée sur la pla- que support de base (2, 5) entre la première plaque du condensateur (17) et la plaque de silicium (3), qui entoure pratiquement la première plaque (17) du conden- sateur, et en ce que la structure du détecteur capacitif est fixée au boîtier (20, 21) par ses pastilles de silicium inférieure et supérieure (1, 2) à l'aide de coussins en élastomère (18, 19).