Brevet FR2629593A1 — publié le 19891006

i Capteur pour la mesure capacitive de la pression dans des gaz La présente invention concerne un capteur pour la mesure capacitive de la pression dans des-gaz, contenant deux électrodes de mesure disposées à distance spatiale l'une de l'autre et formant un condensateur. On connaît un capteur de ce type par la demande de brevet allemand DE-35 35 904. Dans le capteur connu, une électrode à condensateur fixe est disposée sur un substrat; une électrode à membrane mobile est fixée en vis-à-vis de la précédente, à une distance donnée. Les deux électrodes incluent par leur délimitation de bords un espace qui est étanchéifié par rapport à l'atmosphère de gaz à mesurer, et qui se trouve sous une pression non modifiable. La membrane mobile est exposée à l'atmosphère de gaz à mesurer, de sorte que, lorsque les conditions de pression se modifient, la distance de la membrane mobile par rapport à l'électrode fixe se modifie d'une manière correspondante. Les mouvements de la membrane élastique sont enregistrées comme modifications capacitives, et transformées en signal pour la pression du gaz à analyser. Dans cette construction connue, la qualité- de la mesure dépend de la mobilité de la membrane, qui est elle-même fonction de l'épaisseur de la membrane. Pour pouvoir également mesurer de faibles modifications de pression, il faut une membrane la plus mince possible; mais une telle membrane est alors sensible aux dégradations mécaniques. En matière de technique de mesure, une membrane déformable présente l'inconvénient qu'elle présente des caractéristiques de fluage sous l'action de la force du gaz à analyser, de sorte que sa caractéristique de mesure se modifie d'une manière non calculable à long terme, ce qui se traduit par une dérive indésirable du signal de mesure. En outre, il faut constamment s'assurer que l'espace étanchéifié ne présente pas de défauts d'étanchéité lors d'une utilisation du capteur sur une longue durée. La fixation d'un écartement pour la position de repos qui reste identique sur toute la longueur de la membrane élastique pose des difficultés considérables. Il est en particulier difficile de réaliser, et il est surtout impossible de maintenir constants, des écartements de membrane dans la plage micrométrique, qui du fait de leur action capacitive pourraient permettre la réalisation d'appareils de petite taille constructive. La présente invention a donc pour but d'améliorer un capteur du type mentionné en introduction de manière à permettre une mesure de la pression sans pièces déformables, afin de pouvoir effectuer une mesure exempte de dérive à long terme; il faut également pouvoir réaliser des écartements d'électrodes même minimes, et par suite fournir des capteurs miniaturisés. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'espace intermédiaire entre les électrodes est accessible au gaz à analyser, et est muni entre les électrodes d'éléments d'écartement électriquement isolants, qui déterminent l'écartement des électrodes, et qui maintiennent cet écartement pendant la mesure. Les éléments d'écartement assurent que l'écartement entre les électrodes reste constant pendant la mesure; il est ici moins important que cet écartement soit identique en tous les endroits, que le fait que l'écartement une fois réglé ne soit pas modifié. La capacité du condensateur se modifie alors sur la base de la modification de la constante de diélectricité du gaz sous l'action de la pression. Le gaz à analyser est présent des deux côtés des électrodes de mesure, de sorte que, par suite de l'équilibre de forces, il n'y a pas d'apparition de déformations. Par le choix de procédés préférentiels appropriés (corrosion structurée d'une couche oxyde; liaison directeSi-Si si l'on utilise comme support du silicium; cf. 3.B. Lasky, Appl. Phys. Lett. (48), 1 (1986), pages 78 à 90), les éléments d'écartement peuvent être dimensionnés dans la plage micrométrique. En réalisant un écartement minime, les faces efficaces pour la mesure des électrodes peuvent être choisies petites, sans que la capacité et par suite le signal de mesure en soient réduits. Cela permet de très petites formes constructives du capteur, et ouvre des possibilités d'utilisation en des lieux de mesure de dimensions minimes. La sollicitation isostatique des électrodes permet de mesurer des pressions élevées (300 à 500 bars) sans risque de dégradation du capteur. Une forme particulièrement appropriée pour les éléments d'écartement est fournie par des colonnes reliant les électrodes dans l'espace intermédiaire. Ces colonnes peuvent être installées en des endroits des faces des électrodes choisis du point de vue de la solidité, et elles permettent d'accéder sans entraves au gaz à analyser dans l'espace intermédiaire. Un autre mode de réalisation également facile à mettre en oeuvre pour un condensateur consiste à réaliser les électrodes sous la forme de plaques métallisées en céramique, qui sont maintenues à distance par des barreaux non conducteurs en céramique. La liaison entre les barreaux en céramique et les électrodes est obtenue par frittage. On peut obtenir des éléments d'écartement d'une manière particulièrement simple et précise en corrodant une couche de SiO2, qui est appliquée sur une des deux électrodes. Les différentes liaisons qui restent à accomplir entre les éléments d'écartement et la couche résiduelle peuvent alors être à nouveau réalisées à l'aide du procédé de liaison directeSi-Si. Une autre possibilité préférentielle pour la configuration des éléments d'écartement consiste à les former par une structure matricielle poreuse, de préférence en oxyde d'aluminium (A1203), remplissant l'espace intermédiaire. Une telle structure matricielle poreuse convient notamment pour les cas o les faces des électrodes ne représentent pas un plan, mais une forme courbe ou une face bombée, réalisables de multiples manières. Afin de réaliser les électrodes d'une manière simple en matière de technique de fabrication, celles-ci sont opportunément réalisées sous la forme de couches appliquées sur la structure matricielle, par métallisation sous vide par exemple. Afin d'augmenter la sensibilité de mesure, il est avantageux de disposer plusieurs capteurs sous la forme d'étages successifs d'éléments d'écartement et d'électrodes associés à ceux-ci. Un tel montage en parallèle de plusieurs capteurs peut être utilisé pour des mesures de petites pressions, afin d'améliorer le rapport signal/bruit. Comme les mesures capacitives sont en règle générale très coûteuses, on veut obtenir des résultats de mesure suffisamment précis; afin de faciliter l'opération de mesure, il est prévu de configurer les électrodes sous la forme d'une partie d'un transistor à effet de champ (TEC). Unedes électrodes peut être le canal, et l'autre la grille de ce TEC. On réalise ainsi des chemins de signal courts entre l'électrode et l'amplificateur, qui permettent la quasi-suppression des signaux parasites qui auraient pu causer des perturbations sur des lignes de signal plus longues. L'exposé qui suit explicite un exemple de réalisation de l'invention qui est représenté schématiquement sur le.dessin annexé, dans lequel: Figure I représente un capteur de mesure individuel Figure 2 représente le montage en parallèle de plusieurs capteurs de mesure Figure 3 représente le capteur de mesure dans un boîtier; et Figure 4 représente un capteur de mesure avec un transistor à effet de champ. La figure 1 représente un capteur de mesure qui est constitué de deux électrodes en forme de plaques 1, 2 en silicium. Une de ces électrodes 1, 2 est munie sur une de ses faces d'une couche d'oxyde 4, à partir de laquelle ont été formés, par corrosion structurée, plusieurs éléments d'écartement cylindriques 5, qui maintiennent à un écartement mutuel fixe les deux faces en vis-à-vis des électrodes 1, 2. Les différentes pièces décrites sont réunies en un corps de capteur fixe parliaison. Des lignes électriques d'amenée 6, 7 sont fixées aux électrodes pour appliquer la tension et pour recevoir un signal de mesure correspondant. L'espace intermédiaire 8 entre les électrodes 1, 2 est rempli du gaz à analyser, par exemple tout simplement en plaçant le capteur dans ce gaz. La figure 2 représente en coupe un boîtier cylindrique 10, à l'intérieur duquel est reçu un ensemble à plusieurs étages de plusieurs capteurs reliés en parallèle. Une platine porteuse Il en matériau isolant possède de chaque côté trois étages respectifs constitués chacun d'un capteur 12 dont la structure correspond à celui de la figure 1. Chaque capteur 12 est séparé du capteur voisin par une couche isolante 13. Les deux électrodes 1, 2 de chaque capteur 12 sont maintenues à un écartement défini entre elles par les éléments d'écartement 5, représentés schématiquement sous la forme d'une ligne, de sorte que le gaz à mesurer qui se trouve à l'intérieur du boîtier 10 peut pénétrer dans l'espace intermédiaire entre les électrodes 1, 2. Le capteur selon la figure 3 est lui-aussi reçu des deux côtés d'une platine porteuse 111, et il se trouve dans un boîtier de capteur 110, qui porte d'un côté une tubulure d'admission de gaz 114 et de l'autre côté un socle vissé 115. Chaque capteur possède les deux électrodes 1, 2 et les éléments d'écartement 5. Les électrodes 1 sont reliées au boîtier 110 par des lignes de contact 116, tandis que les électrodes 2 sont reliées à une unité évaluatrice extérieure, non représentée, par l'intermédiaire des lignes de signal 117, en traversant le socle 115. La tubulure 114 possède un canal d'admission 110 muni d'un filtre 118, par l'intermédiaire duquel le gaz à analyser, débarrassé d'éventuelles impuretés, peut pénétrer dans la chambre 120 du capteur. A l'extrémité extérieure de la tubulure se trouve un filetage 121 pour le montage du boîtier 110 en un lieu de prélèvement d'échantillons adéquat. Le socle 115 est lui-même vissé dans le boîtier 110. Enfin, la figure 4 représente une forme de réalisation selon laquelle une électrode est formée par la grille 202 et l'autre par le canal 201 d'un transistor à effet de champ. Le canal 201 constitue la zone de liaison entre la source de conductivité p 203 et le puits 204, également de conductivité p. Les éléments d'écartement 205 sont formés par corrosion d'une couche de SiO2 207 appliquée sur un subtrat en silicium 208 de conductivité n. La grille 202, le canal 201, la source 203 et le puits 204 sont chacun dotés d'un branchement électrique non représenté. REVENDICATIONS 1. Capteur pour la mesure capacitive de la pression dans des gaz, contenant deux électrodes de mesure disposées à distance spatiale l'une de l'autre et formant un condensateur, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire (8) entre les électrodes (1, 2) est accessible au gaz à analyser, et est muni entre les électrodes (1, 2) d'éléments d'écartement électriquement isolants (5), qui déterminent l'écartement des électrodes, et qui maintiennent cet écartement pendant la mesure. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'écartement sont réalisés sous la forme de colonnes (5) reliant les électrodes (1, 2). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par des plaques métallisées en céramique (1, 2), qui sont reliées, par un assemblage fritté, à des barreaux en céramique (5) constituant les éléments d'écartement. 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments d'écartement (5) sont formés par corrosion d'une couche (4) de SiO2 adhérente appliquée sur une des électrodes (1, 2). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que les électrodes conductrices (1, 2) sont reliées entre elles par les éléments d'écartement isolants (5) par une liaison directe Si-Si. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'écartement sont formés par une structure matricielle poreuse remplissant l'espace intermédiaire (8). 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure matricielle est constituée d'oxyde d'aluminium. 8. Capteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les électrodes sont réalisées sous la forme de couches (1, 2) appliquées sur la structure matricielle. 9. Ensemble de capteurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs étages d'électrodes (1, 2) et d'éléments d'écartement (5) se succèdent. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce qu'une des électrodes (1, 2) est formée par le canal d'un transistor à effet de champ, et l'autre par sa grille.