Brevet FR2679651A1 — publié le 19930129

i Couche mince extensométrique en cermet à base de tantale et de nitrure de tantale, son procédé de préparation et son utilisation dans un capteur de pression. La présente invention a pour objet une couche mince extensométrique, utilisable en particulier dans un capteur de pression destiné à la mesure de pressions dans des puits de pétrole. Les capteurs de pression utilisés dans Les puits de pétrole doivent résister à de sévères conditions d'utilisation, notamment à des températures éLevées pouvant aller jusqu'à 175 C et des pressions élevées pouvant aller jusqu'à 14 oi 07 Pa, tout en restant fiables pendant plusieurs semaines d'utilisation. Ils doivent, par ailleurs, pouvoir résister à des déformations cycliques ainsi qu'à des vibrations et des chocs, tout en conservant une bonne stabilité et une bonne fiabilité Les spécifications de fiabilité du capteur concernent ainsi la précision des mesures, les stabilités à court et long termes et l'hystérésis. Dans le document FR-A 2 638 524, on a décrit un capteur de pression utilisable dans les puits de pétrole, qui présente une bonne précision, une bonne stabilité dans le temps et de bonnes caracté- ristiques en mode dynamique Ce capteur comprend une cellule portant un dispositif extensométrique à résistance électrique constitué par des dépôts en couches minces, la cellule comprenant une chambre hermétique à l'intérieur de laquelle règne une pression prédéterminée faible et la totalité de la surface externe de la cellule étant soumise à la pression à mesurer Dans ce capteur, la cellule constitue l'élément sensible à la pression et transforme la pression en déformations, et les dépôts en couches minces qui peuvent être constitués par des films minces de tantale, transforment ces déformations en signal électrique. Bien que ce capteur donne de bons résultats, on a poursuivi les recherches pour trouver d'autres couches minces extensométriques capables d'améliorer encore les performances de capteurs de pression de ce type. La présente invention a précisément pour objet une nouvelle couche mince extensométrique utilisable dans un capteur de pression, qui permet d'améliorer Les performances du capteur. Selon l'invention, la couche mince extensomé- trique est constituée d'un cermet à base de tantale et de nitrure de tantale comprenant du Ta N, et elle présente une résistivité de 400 à 1000 ju D cm, de préférence de 500 à 600 jg Q cm, par exemple d'environ 550 púQ cm. Dans cette couche de cermet, la présence du nitrure de tantale Ta N qui est très résistif, permet d'augmenter la résistivité de la couche pour la situer dans la gamme de 400 à 1000 JQ 2 cm, selon sa teneur en nitrure de tantale. Ceci est très intéressant car dans cette plage de résistivité, on peut optimiser Les trois paramètres importants d'un capteur de pression, qui sont 1 ) le facteur de jauge Y défini par la formule: AR R Y = AL L 3. dans Laque L Le L est La Longueur de La couche mince et R sa résistance électrique, facteur qui doit être Le p Lus élevé possib Le; Y) Le coefficient de température de La résistance (TCR) qui est défini par La formule: 1 AR TCR = x R AT dans Laque L Le R est La résistance de la couche mince et T est La température, coefficient qui doit être le p Lus faib Le possib Le; et 3 ) Le taux de frottement interne ou Le taux d'anéLasticité qui doit être également le plus faible possible. Ainsi, selon l'invention, en choisissant une couche extensométrique en cermet à base de tantale et de nitrure de tantale, ayant une résistivité de 400 à 1000 >Q cm, on peut obtenir un facteur de jauge élevé tout en ayant un taux d'anélasticité faible et un coefficient de température convenable. De préférence, dans La couche mince de cermet, le nitrure de tantale Ta N présente une structu- re De préférence encore, Le nitrure de tanta Le du cermet est constitué quasiment uniquement de Ta N. Avantageusement, L'épaisseur de la couche est de 0,03 à 0,5 pm. La couche mince extensométrique décrite ci-dessus peut être préparée par un procédé comprenant Les étapes suivantes: - a) former sur un substrat isolant une couche mince de tanta Le contenant une phase nitrure de tantale par dépôt réactif à partir d'une cible de tantale dans une atmosphère constitué d'un mélange de gaz inerte comme l'argon, d'azote et éventuellement d'oxygène, et b) soumettre la c ouche mince ainsi obtenue à un traitement thermique à une température de 300 à 600 C. La première étape de ce procédé peut être réalisée en utilisant des techniques classiques, par exemple la pulvérisation cathodique dans un plasma réactif comprenant par exemple de l'argon, de l'azote et de l'oxygène. Par cette technique, on dépose une couche de tantale contenant une phase nitrure de tantale formée généralement de Ta N et Ta 2 N, et on peut régler la quantité de phase nitrure de tantale de la couche mince déposée en réglant de façon appropriée la pres- sion partielle d'azote dans l'enceinte de pulvérisa- tion. Le traitement thermique de l'étape b) a pour but de transformer le nitrure de tantale Ta 2 N de la couche en Ta N Ce traitement thermique peut être réalisé pendant des durées allant de 1 à 300 h, de préférence en deux stades dont un premier stade sous air et un second stade sous vide. La transformation du nitrure de tantale Ta 2 N en Ta N qui est plus résistif, permet d'augmenter la résistivité de la couche Par ailleurs, on pense que cette transformation s'accompagne d'une év Qlution de la structure du nitrure de tantale Ta N vers la structure a, ce qui permet de limiter Les phénomènes de relaxation. Aussi, on préfère les couches minces de cermet constituées quasiment uniquement de tantale métallique et de Ta N. L'invention a encore pour objet un capteur de pression comprenant au moins une couche mince extensométrique telle que définie ci-dessus. Dans ce capteur de pression, la couche mince extensométrique est disposée sur une cellule soumise à la pression à mesurer et capable de transfor- mer cette pression en contraintes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la Lecture de la description qui suit donnée bien entendu à titre illustratif et non Limitatif en référence aux dessins annexés sur Lesquels la figure 1 représente de façon schématique une installation de pulvérisation du type magnétron pour le dépôt des couches minces de l'invention. La figure 2 est une micrographie illustrant la structure d'une couche mince en cermet Ta-nitrure de tantale. -La figure 3 est une représentation schémati- que de la partie active d'un capteur de pression. La figure 4 illustre en coupe verticale la structure comp Lète d'un capteur de pression. La figure 5 est un diagramme illustrant la variation du facteur de jauge Yen fonction de la résistivité de la couche extensométrique. La figure 6 est un diagramme illustrant l'évolution du coefficient de température de la résis- tance en fonction de la résistivité de la couche. La figure 7 est un diagramme représentant l'évolution de La dérive du premier jour en fonction de la résistivité de la couche mince. La figure 8 est un diagramme représentant la dérive du capteur en fonction du temps, avant traitement thermique de la couche (courbe I) et après traitement thermique de la couche (courbe II). Sur la figure 1, on a représenté de façon très schématique, une installation de pulvérisation réactive utilisable pour la préparation des couches extensométriques de l'invention. Dans cette installation, la cible de tantale ( 1) portée à un potentiel approprié VC est pulvérisée, à l'intérieur d'une enceinte étanche ( 2) reliée à la terre, dans un plasma réactif d'argon, d'azote et d'oxygène introduits respectivement dans l'enceinte par les conduites ( 3, 4 et 5), en vue de réaliser le dépôt d'une couche mince sur des substrats isolants ( 6) disposés sur un support tournant ( 7). L'enceinte est maintenue sous vide par une pompe ( 8) et un cache pivotant ( 9) est interposé entre la cible ( 1) et le support ( 7). Dans cette installation, on règle l'intensité de la décharge et les pressions partielles des gaz, pour former sur les substrats ( 7) des couches minces de tantale contenant du nitrure de tantale et on contrôle la teneur en nitrure de tantale des couches en réglant la pression partielle d'azote introduit par la conduite ( 4). A titre d'exemple, on peut utiliser une intensité de décharge de 0,1 à 4 A, un potentiel VC de 300 à 400 V et une pression de gaz de 0,135 à 1,35 Pa. Dans ces conditions, on dépose des couches de tantale contenant du Ta N et du Ta 2 N. Après cette opération, on soumet les subs- trats revêtus des couches minces à un traitement thermique effectué sous air à 400 C durant p Lusieurs dizaines d'heures, puis sous vide à des températures de 300 à 600 C pendant typiquement 1 h. Lors de ce-traitement, le nitrure de tantale Ta 2 N présent initialement dans la couche se transforme en Ta N p Lus résistif, ce qui permet d'augmenter la résistivité de La couche. Au cours de ce traitement thermique, il se produit également une évo Lution de la matrice, c'est-à-dire une modification du taux de tantale dans Le cermet et une évolution de la structure du Ta N vers la structure delta. Lors du traitement thermique, le rapport entre Les deux constituants Ta N et Ta 2 N de la phase nitrure de tantale du cermet change et ce changement s'effectue au détriment de la phase métallique Ainsi, pour une couche mince comportant 70 % de tantale avant traitement thermique, La teneur en tantale n'est plus que de 68 % après traitement Ta, les teneurs en Ta étant mesuréessur une micrographie d'après la surface occupée par Le tantale Dans le cas d'une couche mince contenant 63 % de tantale avant traitement thermique, la teneur en tantale n'est plus que de 58 % après traitement thermique. Toutes ces évolutions permettent d'obtenir la résistivité voulue qui dépend non seulement de la teneur en tantale du film, mais aussi des rapports entre Ta 2 N et Ta N. Ainsi, en choisissant une pression partielle d'azote appropriée, on règle Les teneurs en Ta 2 N et Ta N du film, puis on augmente à La valeur voulue la résistivité de La couche en réalisant le traitement thermique. La résistivité de la couche constitue donc un paramètre représentatif des quantités de Ta N et Ta 2 N de la couche, qui sont difficiles à déterminer avec une précision suffisante par les méthodes d'analy- se actuelles. A titre d'exemple, on peut toutefois indiquer que la teneur en tanta Le du cermet, mesurée de la façon décrite ci-dessus est généralement dans la gamme de 80 à 50 % pour les résistivités de 400 à 1000 ú 2 cm. Pour obtenir des couches minces de Ta-Ta N présentant Les caractéristiques voulues, il convient de préparer tout d'abord une série de couches minces en utilisant des pressions partielles d'azote variant de 0,135 à 1,35 Pa, puis d'effectuer un traitement thermique et de mesurer ensuite les résistivités pour avoir une courbe d'étalonnage montrant comment la résistivité varie en fonction des pressions partielles d'azote A partir de cette courbe, on peut déterminer quelles sont les conditions à retenir pour obtenir la résistivité voulue. A titre d'exemple, la figure 2 est une micrographie qui illustre la structure correspondant à une couche mince de 550 pi 2 cm obtenue par le procédé de l'invention, dans les conditions suivantes: a) dépôt intensité de décharge: 2,8 A potentiel VC: 440 V pression partielle d'argon: 600 Pa " " d'azote: 200 Pa " " d'oxygène: 5 Pa durée de dépôt: 3 min 50 s. b) traitement thermique sous air: 400 C, 100 h sous vide: 550 C, 1 h. La couche mince obtenue a une épaisseur de 0,09 pm et présente une résistivité de 55 p O D cm. Sur la f igure 3, on a représenté de façon très schématique la partie active d'un capteur conforme à l'invention, qui comprend une cellule ( 20) en maté- riau sensible à la pression, réalisée par exemple en saphir en particulier en saphir monocristallin tel que l'alumine Cette cellule présente une cavité interne ( 22) dans laquelle règne une pression détermi- née et elle est soumise sur sa surface externe à la pression P à mesurer représentée par des flèches. Elle est munie par ailleurs sur sa surface externe d'un circuit de couches minces extensométriques ( 24)15 constituant l'élément de mesure La cellule peut être disposée par exemple dans une structure de capteur telle que celle représentée sur la figure 4. Sur cette figure 4, le capteur de pression comporte principalement la cellule de mesure ( 20) placée à l'intérieur du corps du capteur qui comprend un corps principal ( 26) et un corps avant ( 28) qui lui est fixé de manière solidaire La cellule ( 20) est placée à l'intérieur d'une cavité interne ( 30) ménagée à l'intérieur du corps principal ( 26) Des25 moyens de connexion constitués par des câbles de connexion ( 32) et des traversées étanches ( 34) traver- sent le corps principal ( 26) pour déboucher dans la cavité interne ( 30) autour de la cellule ( 20). La fonction principale du çorps avant ( 28) du capteur30 de pression est de mettre en contact la cellule de mesure avec la pression P du fluide environnant. A cet effet, le corps avant ( 28) possède un canal axial ( 36) débouchant, d'une part, sur l'extérieur et, d'autre part, sur La cavité interne ( 30) dans laquelle se trouve la cellu Le de mesure Toutefois, pour protéger la cellule de mesure, une membrane ( 38) est placée entre le corps principal ( 26) et le corps avant ( 28) dans leur plan de jonction La membrane ( 38) a une élasticité suffisante pour permet- tre la transmission de la pression du milieu extérieur à l'intérieur même de La cavité interne ( 30) o se trouve la cellule de mesure ( 20) Le volume de la cavité délimité par la membrane ( 38) est rempli totale- ment d'une huile introduite lors du montage du capteur de pression. Les figures 5, 6 et 7 illustrent l'effet de la résistivité (en 1 i cm) de couches minces sur le facteur de jauge y, le coefficient de température de la résistance (TCR) et la dérive du premier jour dans un capteur de pression tel que celui décrit ci-dessus Les couches ont été obtenues dans des conditions voisines de celles de la figure 2 en faisant varier les pressions partielles d'azote. Sur La figure 5, on remarque que le facteur de jauge augmente avec la résistivité des couches minces mais qu'il commence à diminuer lorsque la résistivité atteint 10 000 OO cm. Sur la figure 6, on voit que le coefficient de température de la résistance (en ppm/ C) est très faible et pratiquement égal à O dans le domaine de résistivité de 5 102 à 103 iu Q cm En revanche, il augmente très rapidement au-delà de 103 P cm. Sur la figure 7, qui représente l'évolution de la dérive de la mesure lors du premier jour (en k Pa) en fonction de la résistivité des couches minces en pn cm, dans le cas d'une pression P appliquée de 105 M Pa ( 15 kpsi) et d'une température de 150 C, on remarque que la dérive reste très faible à partir de 600 p Q cm et qu'e Lle est acceptable à partir de 450,u Q cm. Les résultats des figures 5, 6 et 7 montrent que la plage de résistivité appropriée est de 400 à 1000 p 2 cm puisque dans ces conditions, la dérive du premier jour est faible (au plus 28 k Pa), et le coefficient de température de la résistance est voisin de O Par ailleurs, le facteur de jauge est élevé dans cette gamme de résistivité. Sur la figure 8, on a représenté la dérive du capteur (en k Pa) en fonction du temps (en h) lorsque celui-ci est soumis à une pression de 7 M Pa ( 10 kpsi) à une température de 150 C Sur cette figure, la courbe I se réf ère à une couche mince Ta-Ta N avant traitement thermique, et la courbe 2 se réfère à la même couche après que celle-ci ait été soumise au traitement thermique. Au vu de cette figure, on constate que la dérive est beaucoup plus faible dans le cas de la couche traitée thermiquement Ainsi, la stabilité de la couche est nettement améliorée par le traitement thermique. REVENDICATIONS 1 Couche mince extensométrique, caractérisée en ce qu'elle -est constituée d'un cermet à base de tantale et de nitrure de tantale comprenant du Ta N, et en ce qu'elle présente une résistivité de 400 à 1000 po cm. 2 Couche mince selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente une résistivité de 500 à 600 p 2 cm. 3 Couche mince selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente une résistivité d'environ 550 pu cm. 4 Couche mince selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur de 0,03 à 0,5 pm. 5 Couche mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le nitrure de tantale du cermet est formé quasiment uniquement de Ta N. 6 Couche mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le nitrure de tantale Ta N a une structure& 7 Procédé de préparation d'une couche mince extensométrique selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) former sur un substrat isolant une couche mince de tantale contenant des nitrures de tantale par dépôt réactif à partir d'une cible de tantale dans une atmosphère constitué d'un mélange de gaz inerte, d'azote et éventuellement d'oxygène, et b) soumettre la couche mince ainsi obtenue à un traitement thermique à une température de 300 à 6000 C. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on réalise le traitement thermique b), en deux stades dont un premier stade sous air et un second stade sous vide. 9 Capteur de pression comprenant au moins une couch e mince extensométriue disposée sur une cellule soumise à la pression à mesurer, caracté- risé en ce que la couche mince extensométrique est constituée d'un cermet à base de tantale et de nitrure de tantale comprenant du Ta N, et en ce que la couche mince extensométrique a une résistivité électrique de 400 à 1000 ju D cm. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le nitrure de tantale Ta N a une structure delta. 11 Capteur selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le nitrure de tantale du cermet est formé quasiment uniquement de Ta N. 12 Capteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la cellule est réalisée en saphir. 13 Capteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que La couche mince extensométrique a une épaisseur de 0,03 à 0,51 m.