Brevet FR2650389A1 — publié le 19910201

-1 DISPOSEITIF DE MESURE DE DEOMTION D'UNE MEMANE La présente invention conrne un dispositif de mesure des defcrmations d'une membrane, oes déformations résultant d'un çthmxne çphysique tel, qu'une variation de pression de part et d'autre de oette mdarrane ou une b élration. La présente invention concerne plus particulièrement de tels dispositifs de mesure dans lesquels la détection des défor- mations est assurée par des jauges piézorésistives constituées d'une couche épaisse (épaisseur de l'ordre de la dizaine de micr(xitres) d'un matériau piézorésistif déposé par exemple par Sérigraphie ou par jet d'encre. L'état de la technique dans oe domaine va être rappelé en relation avec les figures lA à 1D. - Un captaur à membrane typique comprend une membrane souple 1 ecaestrée sur son pourtour circulaire par un scellement sur un support 2. Cette membrane est, par exemple, en céramique d'A120,3 de mime que le support. Des dispositifs de oe type sont g9 ralement utilisés à la mesure de pressions pour détecter des éventuelles différences de pression de part et d'autre de la mmrare. En effet, sous l'action d'une pression la memnbrane se déforme et des jauges piézorésistives (simples ou doubles) sont disposées sur la membrane pour en mesurer les déformations. Selon une réalisation classique, oes jauges sont au nombre de quatre, deux d'entre elles, rl et r3, étant placées à la périphérie et deux d'entre elles, r2 et r4, étant placées au voisinage du centre de la membrane. Ces quatre jauges sont sur la mêmne faoe de la membrarne car on considère gnéralement que oela simplifie la fabrication et permet de mieux ajuster les quatre jauges à de mêmes valeurs notamment du fait qu'elles résulteront exactement du mêmne dépôt et du même processus de fabrication. Un exemple d'une telle jauge est représenté en vue de dessus en figure 1C. La substance piézorésistive 4 déposée en couche épaisse est placée entre deux métallisations 5 et 6 déposées au préalable. TLes dimensions de la jauge sont de l'ordre du mmn. Il s'agit là d'un exemple de jauge particulièrement simplifié mais l'homme de l'art pourra utiliser différents types de jauges plus élaborées; Les jauges sont géneralement montées dans un pont de Wheatstcone de la façon illustrée en figure ID. Pes deux jauges rl et r3 situées à la périphérie de la membrane sont opposées dans le pont de même que les deux jauges situées au cenLtre. Ainsi, au repos, les quatre jauges rl à r4 ayant la mme résistance rO, un voltmètre V placé dans une diagonale du pont dont l'autre diago- nale est alimentée par une tension E verra une tension nulle. Lors d'une déformation, les résistances des jauges rl et r3 varieront dans un premier sens et les résistances des jauges r2 et r4 en sens opposé. Si Lr désigne la variation de la résistance d'une jauge, la tension V détectée sera de la forme: V = VO + EO lr2 - Arl + Ar4 - Ar3] / 4r0, (1) VO étant une tension d'erreur normalement constante et que l'on peut rendre très faible par ajustement des dimensicns des por- tions de xcouches piézorésistives et/ou en prévoyant des résistan- ces externes réglables éventuellement formées à la périphérie de la membrane en des emplacements non soumis à contraintes et acessibles après montage de la membrane sur son support. Ainsi, aU premier abord, une telle structure donne un résultat satisfaisant. Pour otenir des mesures de pression indépendantes des variations de température, on se place à une température de consigne pour effectuer les mesures. Toutefois, il se produit un phénomane d'hystérésis lié aux variations thermiques. En effet, lors de cycles thermiques, il apparait des contraintes résiduel- les sur les résistances, ces contraintes étant différentes selon que cette température de oConsigne est atteinte en partant d'une valeur de tempaérature haute ou d'une valeur de température basse. De plus, cette hystérésis ne sera pas la même pour les jauges périphériques et pour les jauges centrales. Cela est dO au fait connu en lui-màme que, pour les jauges périphériques et pour les jauges centrales, le rapport entre la sensibilité transver- sale et la sensibilité longitudinale n'est pas le mnme. Ainsi, si l'on reprend l'équation (1) ci-dessus, en plus des variations de résistance liées aux déformations, on aura une variation de résistance supplimentaire liée à l'histoire thermique de la jauge. Cette différence ne s'éliminera pas du fait qu'elle a le mme sens pour les jauges r2 et r4 situées de façon centrale, d'une part, et pour les jauges rl et r3 situées de façon périphé- rique, d'autre.part. Cette hystérésis n'est pas tolérable dés que l'on veut atteindre des précisions meilleures que le pourcent. Pour pallier oet inconv'nient, on a essayé dans l'art antérieur diverses solutions notamment en ce qui concerne la forme des jauges, le matériau de la couche épaisse piézorésistive et les processus de dépot et de cuisson. Toutefois, ces essais n'ont pas donné de résultats satisfaisants. La présente invention a pour objet d'éliminer les erreurs dues à cet effet d'hystérésis thermique. Pour atteindre oet objet, la présente invention prévoit un dispositif de mesure des déformations d'une membrae souple scellée par sa périphérie à un support et sur laquelle sont for- mées quatre jauges oonstituées d'une couche épaisse d'un matériau piezorésistif et connetées en pont de Wheatstcone; les jauges sont disposées de part et d'autre de la membrane avec, sur chaque face, une jauge au voisinage du oentre et une jauge au voisinage de la périphérie; une jauge centrale et la jauge périphérique de la face opposée sont connectées dans des branches cpposées du pont, deux jauges de la même faoe ayant leur point de correxion relié à une borne d'alimentation du pont. Dans. un nmde de réalisation de la présente invention, le support oonstitue une enxeinte reliée à un circuit pneumati- que, d'o il résulte que la membrane se déplace en fonction des variations de pression sur ses deux faces et que le dispositif oistitue un capteur de pression. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA à 1D destir es à illustrer l'état de la technique ont été décrites pr'ré net; les figures 2A et 2B représentent respectivement une vue en coupe schéatique et une vue de dessus schématique d'une membrane munie de jauges piézorésistives selon la présente invention; et la figure 2C représente un montage en pont selon la présente invention des jauges utilisées. Selon la présente invention, 'comme dans l'art anté- rieur, une membraoe souple 1 est scellée à un support périphéri- que 2. Toutefois, les jauges ne sont plus disposées toutes sur la mnme face de la membrane mais sont disposées de part et d'autre de oelle-ci. Ainsi, sur la face supérieure de la membrane, on trouve une jauge périphérique Rl et une jauge centrale R4 et, sur - la face inférieure de la membraoe, an trouve une jauge peripheri- que R2 et une jauge centrale R3. Ces jauges scant disposées en pont de la façon illustrée en figure 2C, c'est-à-dire que la jauge périphérique d'une'zface (R1 ou R2) est disposée dans la branche osée. du pont par rapport à la jauge centrale de la faoe opposée (R3 ou R4). On notera que, selon la présente invention, du fait de la disposition opposée des jauges, leurs carctéristiques qui résultent de dépôts distincts peuvent présenter de légers écarts mais que les jauges d'une méme face présenteront les màmes carac- téristiques. Il est donc possible, par des procédés d'ajustement classiques tels que oeux utilisés dans l'art antérieur, d'avoir, au repos, R1 = R4 et R2 = R3 avec de mêmes caractéristiques piéorésistives et thermiques pour les jauges situées sur une mne f ace. On a donc bien, en l'absenoe de contraintes, un pont équilibré puisque le produit R1.R3 = R2. R4. Mais, oette fois-ci, en reprenant l'équation (1), on voit que, s'il subsiste des conrtraintes résiduelles dues à l'histoire thermique du dispo- sitif, leurs effets seront identiques pour les jauges oentrales d'une part et sur les jauges latérales d'autre part, et s'éli- minercnt. Le montage selon la présente invention a été testé dans des conditions réelles et il s'est avéré qu'il fournissait bien les résultats prévus, même si le dispositif est agencé pour que, sonus la contrainte maximale à mesurer, le déplaoreent de la msmbtrane ne soit pas négligeable devant son épaisseur. Bien que la présente invention ait été décrite ci- dessus essentiellement dans le cadre d'une application à un capteur de pression, on notera qu'une mnembrane déformable selon l'invention est susceptible d'autres applications et. peut par emeple être utilisée à des masures d'accélération. La présente invention est susceptible de diverses - variantes et modifications qui apparaitont & l'hommte de 1'art qui pourra notamment sélectionner la forme des jauges et le maté- riau de la couche épaisse piézorésistive. En outre, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté dans lequel les jauges des deux faces de la membrane sont mutuel- lement opposes. L'homme de l'art pourra choisir librement le positionnement de ces jauges du moment que l'on trouve sur chaque faoe une jauge sensiblement oentrale et une jauge sensiblement périphérique. On pourra également plaoer sur la membrane des jauges supplémentaires destinées par exemple à des mesures de température. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des déformations d'une membrane souple (1) scellée par sa périphérie à un support (2) et sur laquelle sont fores quatre jauges constituées d'une couche paisse d'un matériau piézorésistif et cnnectées en pont de Wheatsta, caractérisé en oe que: les jauges sont disposées de part et d'autre de la membrane avec, sur chaque face, une jauge (R3, R4) au voisinage du oentre et une jauge (Ri, R2) au voisinage de la périphérie; et - une jauge oentrale et la jauge périphérique de la face a,-oée. sont corrnectées dans des branches opposées du pont, deux jauges de la nife face ayant leur point de oonnexion relié à une borne d'alimentation du pont. 2. Dispositif de mesure des déformations d'une membrane selon la revendicaticn 1, dans lequel la membrane et son support sont en céramique. 3. Dispositif de mesure des déformations d'une membrane selon la revendication 1, dans lequel ledit support constitue une enceinte reliée à un circuit pneumatique, d'o il résulte que la membrane se déplaie en fonction des variations de pression sur ses deux faoes et que ledit dispositif constitue un capteur de pressLon.