Brevet FR2730055A1 — publié le 19960802

CAPTEUR DE PRESSION DE FLUIDE La présente invention concerne les capteurs destinés à fournir un signal électrique représentatif de la pression d'un fluide. Elle est notamment applicable dans le domaine automobile, qui exige des capteurs de coût peu élevé, capables de fournir un signal représentatif de la pression d'un fluide hydraulique ou d'huile de lubrification. De tels fluides sont souvent de nature corrosive ou à température élevée. On a déjà proposé des capteurs destinés à cet usage. Souvent ils utilisent une membrane à travers laquelle la pression à mesurer est transmise vers un autre fluide, qui agit sur un détecteur. Ainsi, on soustrait le détecteur à l'action du premier fluide. Mais la présence de la membrane a une action défavorable sur la qualité de la mesure. De plus, cette membrane doit être très mince et pour ne pas introduire une erreur, en conséquence, elle risque d'être déchirée. La présente invention vise notamment à fournir un capteur de pression de fluide répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il soustrait, à l'action du fluide dont la pression est à mesurer, les éléments actifs susceptibles d'être endommagés par lui. Dans ce but, l'invention propose notamment un capteur de pression de fluide comportant un boîtier définissant une cavité interne munie d'un passage de liaison avec le fluide dont la pression est à mesurer, séparée d'une zone soumise à une pression de référence par un détecteur à état solide dont la face soumise à la pression de référence porte au moins une jauge de contrainte à sortie électrique. Le détecteur sera généralement constitué par une plaquette en quartz, ou plus fréquemment en silicium, dont la partie centrale est évidée de façon à constituer une paroi déformable et dont la périphérie est solidarisée du boîtier. Un problème qui se pose alors est celui de la solidité de la liaison entre la partie périphérique de la plaquette en silicium et le boîtier, souvent en métal. Ce problème peut être résolu, conformément à un aspect de l'invention, en fixant le détecteur sur une pièce intermédiaire tubulaire en un matériau ayant un coefficient de dilatation comparable, placée dans un évidement annulaire du boîtier et solidarisée du boîtier par collage à sa partie périphérique. Ainsi, la liaison entre la pièce intermédiaire et le boîtier travaille en cisaillement, et non plus en arrachement, et elle peut donc être extrêmement robuste. En général, le passage de liaison avec le fluide comporte une partie terminale étranglée, destinée à atténuer les variations brutales de pression. Cette partie étranglée terminale peut être ménagée dans une cheminée de faible diamètre du boîtier, constituant la face interne de l'évidement annulaire. I1 n'est souvent pas possible d'écarter totalement le risque de rupture ou d'arrachement du détecteur, provoquant l'envahissement de la zone soumise normalement à la pression de référence. Pour éviter dans ce cas les fuites vers l'extérieur, diverses mesures peuvent être adoptées. Dans un premier mode de réalisation, la zone soumise à la pression de référence est délimitée par une membrane souple, dont la périphérie est fixée au boîtier et dont la face opposée à celle qui délimite ladite zone est normalement soumise à la pression atmosphérique. La membrane peut présenter une forme telle qu'elle vient fermer des passages de communication avec l'atmosphère lorsque la zone normalement soumise à la pression de référence est envahie par du fluide sous pression. Dans un autre mode de réalisation, la zone soumise à la pression de référence est séparée de l'atmosphère par un bouchon de gel déformable, dont la partie interne présente une pureté élevée et une bonne flexibilité et dont la partie externe est prévue pour résister chimiquement ou thermiquement au fluide dont la pression est à mesurer. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2, similaire à une fraction de la figure 1, montre une variante de réalisation - la figure 3, encore similaire à la figure 1, montre un autre mode de réalisation ; et - la figure 4 montre une variante de réalisation. Le capteur montré en figure 1 comporte un boîtier en deux pièces 10 et 12 assemblées par des vis 14 et délimitant une cavité. L'une des pièces 10 est percée d'un passage 22 par lequel le fluide dont la pression est à mesurer vient agir sur un détecteur 16 pour y exercer une contrainte représentative de la pression. Pour cela, la pièce 10 peut comporter un prolongement 26 dans lequel est ménagé le passage, destiné à être monté à travers la paroi d'un récipient (représenté en traits mixtes sur la figure 1) où la pression doit être mesurée. Le détecteur sépare une zone de la cavité soumise à la pression à mesurer et une zone de la cavité soumise à une pression de référence, généralement la pression atmosphérique. La face du détecteur 16 séparée du fluide porte une jauge 18 de mesure de contrainte qui est ainsi soustraite à l'action corrosive et thermique du fluide arrivant par le passage. Plusieurs jauges peuvent être prévues, soumises à des contraintes différentes sur le détecteur. Le passage 22 comporte généralement une partie étran glée, destinée à créer une perte de charge atténuant les sautes brutales de pression. En général, c'est la partie terminale du passage 22 qui est étranglée. I1 est en conséquence possible de percer la partie étranglée dans une cheminée 26 de faible diamètre et de constituer, dans la pièce 10, une cavité annulaire 24 autour de la cheminée. La présence de la cavité annulaire 24 permet de fixer par une liaison robuste le détecteur 16 à la pièce 10, généralement constituée en un métal ayant un coefficient de dilatation thermique très différent de celui du matériau constitutif du détecteur 16. Souvent ce détecteur sera en effet constitué par une plaquette de silicium monocristallin, micro-usinée de façon à présenter une partie centrale très mince, portant la jauge de mesure de contrainte 18, à sortie électrique. La partie périphérique du détecteur peut être fixée, par exemple par scellement anodique, sur une pièce intermédiaire tubulaire 28 logée dans la cavité annulaire 24. La pièce intermédiaire 28, de diamètre externe légèrement inférieur à celui de la cavité, peut être fixée à la paroi de cette dernière par une pellicule de colle souple 30, de nature telle qu'elle résiste au fluide dont la pression est à mesurer. Dans le cas où ce fluide est de l'huile chaude, on peut notamment utiliser une colle souple fluoro-siliconée. La pellicule de colle travaille en cisaillement, et non pas en arrachement, et elle donc extrêmement résistante. La partie périphérique du détecteur 18 peut de son côté être fixée sur une surface large de la pièce intermédiaire 28, constituée en un matériau de coefficient de dilatation thermique proche de celui du silicium. Les sorties électriques de la jauge 18 ou des jauges 18 peuvent être reliées par des fils fins 32 soudés, en or ou en aluminium, à des plages de contact d'une carte de circuit imprimé 34, fixée dans le boîtier par des moyens classiques quelconques. La carte peut porter des composants actifs ou passifs 36 de prétraitement des signaux de sortie et d'alimentation de la jauge ou des jauges. Le signal de mesure et le courant d'alimentation sont transmis par des moyens de traversée de paroi. Dans le cas illustré sur la figure 1, ils comportent des broches 38 reliées à des conducteurs 40, relié à un ou des passages de sortie 42. Ces passages traversent la pièce 10 par un passe-fils 44 en matériau élastomère. L'étanchéité et la tenue à larrache- ment peuvent être complétées par un enrobage 46. La zone de la cavité à laquelle est exposée la jauge 18 doit être soumise à la pression atmosphérique, dans le mode de réalisation illustré. Mais il est en général souhaitable d'éviter les fuites de fluide sous pression vers l'extérieur en cas de rupture ou d'arrachement du détecteur. Dans le cas illustré sur la figure 1, ce résultat est atteint en transmettant la pression atmosphérique, qui constitue la pression de référence, à travers une membrane souple 48, en matériau élastomère. La périphérie de cette membrane 48 est pincée de façon étanche entre les pièces 10 et 12. La membrane présente des plis qui d'une part augmentent sa flexibilité, d'autre part lui permettent de remplir une fonction de séparation, comme on le verra plus loin. La partie centrale de la membrane constitue un champignon 50 qui s'encliquette dans un trou central de la pièce 12.Une ou plusieurs encoches radiales 52 permettent à la pression de s'équilibrer de part et d'autre de la paroi de la pièce 12, aussi longtemps qu'une surpression ne s'établit pas dans la zone de la cavité en contact avec la jauge 18. Si en revanche une telle surpression s'établit, elle refoule la membrane 48 autour du champignon et l'applique contre une portion galbée 54 entourant le champignon, de façon à obturer les encoches radiales 52, évitant ainsi les fuites. En même temps le fond de la pièce 12 soutient la membrane et l'empêche de se déchirer. Le mode de réalisation montré en figure 2 diffère de celui de la figure 1 essentiellement par le mode de fixation mutuel des deux pièces 10 et 12, qui sont cette fois encliquetées à l'aide de pattes élastiques 56, au nombre de trois ou davantage, solidaires de la pièce 12. D'autres modes de fixation encore sont évidemment possibles, par exemple à l'aide d'un collier. Le mode de réalisation montré en figure 3 se différencie des précédents par la nature des moyens destinés à éviter les fuites en cas de rupture ou d'arrachement du détecteur. Le capteur montré en figure 3 (où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) ne comporte pas de membrane souple 48. Le fond de la pièce 12 constitue une cheminée 58 occupée par une masse de gel suffisamment souple pour transmettre la pression. Dans un mode avantageux de réalisation, cette masse est en plusieurs parties. Une partie interne 60 est constituée par un gel siliconé ne contenant pas d'éléments susceptibles de perturber la jauge ou le détecteur. Il existe de tels gels à base de silicone ne comportant pratiquement pas d'éléments alcalins. Une partie externe 62 de la masse est choisie en un matériau capable de résister aux agressions extérieures. Dans le cas d'utilisation sur automobile, on choisira un gel résistant à l'essence, à l'acide sulfurique susceptible de rejaillir des batteries, aux huiles et au brouillard salin. Une partie intermédiaire 64 de transmission de pression peut encore être prévue.Les parties 62 et 64 constituent un bouchon soumis à la pression extérieure et la retransmettant à la partie interne déformable 60. Un tel mode de réalisation sera notamment avantageux lors de l'emploi du capteur dans un environnement agressif. Pour éviter que la masse des gels ne soit chassée en cas de rupture du détecteur, un clapet de sécurité peut être prévu. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3, il est constitué par une bille 66. Au repos, cette bille repose sur une butée 68. En cas de rupture du détecteur, elle est projetée par la différence de pression de la position où elle est montrée en traits mixtes à la position où elle est montrée en traits pleins sur la figure 3. Elle s'applique alors sur un siège fermant le passage 22. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un capteur du genre montré en figure 1 a été réalisé pour mesurer la pression de l'huile dans une boîte de vitesse automatique. Le capteur présentait un diamètre de quelques centimètres. Le détecteur était constitué par une plaquette de silicium monocristallin ayant une épaisseur, au bord, de 400 um. Elle était fixée sur une pièce tubulaire en verre dur, dit pyrex", de 1 mm d'épaisseur radiale. Le passage étranglé avait un diamètre de 1,5 mm. Ce capteur permettait de mesurer des pressions différentielles de quelques bars. Une autre variante de réalisation encore est montrée par la figure 4 ; dans cette configuration un bouchon en matériau élastique 66a est emprisonné entre un rétrécissement de butée 68a et un siège. Sa forme au repos est telle qu'il laisse subsister des passages 70, délimités par exemple par des méplats. En cas de rupture du détecteur ce bouchon élastique est déformé par la pression et obstrue de façon irréversible le passage 22. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression de fluide, comportant un boîtier (10,12) définissant une cavité interne munie d'un passage (22) de liaison avec le fluide dont la pression est à mesurer, séparée d'une zone soumise à une pression de référence par un détecteur à état solide (16) dont la face soumise à la pression de référence porte une jauge de contrainte (18) à sortie électrique. 2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en que le détecteur est fixé à une pièce intermédiaire tubulaire (28) logée dans une cavité annulaire (24) entourant une partie terminale étranglée dudit passage. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face interne de ladite cavité est constituée par une cheminée entourant la partie terminale étranglée. 4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (28) tubulaire est en un matériau ayant un coefficient de dilatation comparable à celui du détecteur et solidarisée du boîtier par collage à sa partie périphérique. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone soumise à la pression de référence est délimitée par une membrane souple, dont la périphérie est fixée au boîtier et dont la face opposée à celle qui délimite ladite zone est prévue pour être soumise à la pression atmosphérique. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la membrane (48) présente une forme telle qu'elle est appliquée contre des passages de communication avec l'atmostphère lorsque la zone normalement soumise à la pression de référence est envahie par du fluide sous pression. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite membrane présente un champignon central (50) emboîté dans un trou du boîtier prolongé par des encoches radiales (52) d'équilibrage de pression. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone soumise à la pression de référence est séparée de l'atmosphère par un bouchon de gel déformable. 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bouchon de gel déformable comprend une partie interne souple (60) en contact avec la jauge et une partie externe (62) en matériau résistant aux agressions externes. 10. Capteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par un clapet ou bouchon (66,66a) à fermeture automatique en cas de rupture du détecteur, placé dans ledit passage (22).