Brevet FR2743631A1 — publié le 19970718

L'invention concerne un détecteur de pression avec au moins une membrane de mesure qui, par suite d'une force à détecter, se modifie et subit une extension Etat de la technique On connaît des détecteurs de pression du type défi- ni ci-dessus. Ceux-ci sont, par exemple,, réalisés selon ce qu'on appelle la technique céramique à plusieurs couches, selon laquelle un certain nombre de pastilles et/ou de ce qu'on ap- pelle des feuilles crues sont mises sur un substrat et sont re- liées à celui-ci au moyen d'un processus de cuisson (frittage). Les couches sont dans ce cas disposées de telle façon qu'il se forme au moins une membrane, s'étendant sur un évidement. A la suite de l'action d'une force extérieure, par exemple d'une pression, cette membrane subit une extension, qui est propor- tionnelle à la force qui s'exerce. On connaît, par la demande de brevet antérieure P- 44 41 487.0, la manière dont on peut fabriquer des membranes de ce type, exemptes de contraintes dans une large mesure, et exemptes de fissures. En outre, il est connu d'intégrer, dans les détec- teurs de forces, des composants électroniques passifs et/ou ac- tifs, qui délivrent un signal de mesure proportionnel à l'extension de la membrane et de cette façon à la force s'exer- çant de l'extérieur. Pour cela, on insère par exemple des ré- sistances piezorésistantes, dont la valeur de résistance varie sous l'action de la force. Par ailleurs, on connaît des moyens d'exploitation capacitifs, dans le cas desquels une capacité est modifiée du fait de l'extension de la membrane. Les signaux de mesure appliqués sont amenés à un circuit d'exploitation, qui met à disposition un signal analogique, fonction de l'ac- tion de la force extérieure et/ou déclenche une réaction. Dans le cas des détecteurs de force connus, on a l'inconvénient que ceuxci subissent un vieillissement au cours de leur utilisation selon leur destination. Il est connu de faire subir à intervalles choisis, un test de fonctionnement au moyen duquel on contrôle si le détecteur de force correspondant met à disposition un signal de détection, quand on lui applique une force extérieure. On ne peut toutefois pas détecter d'éven- tuels écarts du signal du détecteur en cas d'apparition d'un vieillissement. Avantages de l'invention Le détecteur de force, selon la présente invention, est caractérisé par le fait qu'on associe à la membrane de me- sure un dispositif intégré dans le détecteur de force, disposi- tif qui permet d'avoir une extension définie de la membrane de mesure indépendamment d'une force extérieure. Le détecteur de force, selon l'invention, offre ainsi par rapport à l'état de la technique l'avantage que l'on peut réaliser un contrôle exact du fonctionnement de la membrane de mesure indépendamment de la durée d'utilisation de la membrane de mesure. Le détec- teur de pression, selon l'invention, permet ainsi de façon avantageuse, au moyen de l'extension définie de la membrane de mesure, d'effectuer une comparaison entre le signal délivré par le détecteur et un signal de détection attendu en fonction de l'extension définie. On peut conclure à un vieillissement, par exemple à une modification de l'élasticité de la membrane de mesure, s'il se produit un écart entre le signal de mesure que l'on a mesuré et le signal de mesure attendu. En ce qui con- cerne la saisie et l'enregistrement de l'écart des signaux (décalage), on peut régler en conséquence un signal de mesure délivré ultérieurement par le détecteur de force, de telle sorte que puissent être corrigées les erreurs de mesure qui surviennent par suite d'une modification de la rigidité de la membrane. - Selon une configuration avantageuse de l'inven- tion, on prévoit que le dispositif est un acteur (résistance) intégrée dans la membrane de mesure, dont la courbe caractéris- tique force-tension est connue. En alimentant cet acteur piézo- électrique avec une tension définie, on connaît sa force et de cette façon l'extension correspondante, de telle sorte que l'on peut provoquer une extension exactement définie de la membrane de mesure servant au contrôle du détecteur de force. Grâce au fait que l'acteur piézo- électrique peut être intégré en même temps d'une manière simple dans le détecteur de force, il est possible d'effectuer un contrôle pendant l'utilisation du dé- tecteur de force à des intervalles de temps que l'on peut choi- sir, par exemple entre deux mesures planifiées. On peut réali- ser de cette façon une analyse directe des erreurs du détecteur de force sans une grande dépense et selon un déroulement que l'on peut rendre automatique. - Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la résistance est disposée sur un côté de la membrane de me- sure, situé à l'opposé de la force à mesurer; - le dispositif est une membrane d'enregistrement piézo-électr- ique, dont on connaît la courbe caractéristique force- tension; - la membrane d'enregistrement piézo-électrique est un compo- sant de la membrane de mesure; - le détecteur de forces est un détecteur capacitif; - le détecteur de forces est un détecteur piézorésistant; - le détecteur de forces présente plusieurs membranes de me- sure, auxquelles est associé respectivement un dispositif; - le dispositif est disposé dans un substrat du détecteur de forces. Dessins On va décrire ci-après, plus en détail, la présente invention à partir de plusieurs exemples de réalisation repré- sentés sur les dessins, dans lesquels: - la figure 1 montre une représentation schématique en coupe à travers un détecteur de forces, - la figure 2 montre une représentation schématique en coupe à travers un détecteur de forces selon un second exemple de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique en coupe à travers un détecteur de forces selon un troisième exemple de réalisation, et - la figure 4 montre une représentation schématique en coupe à travers un détecteur de forces selon un quatrième exemple de réalisation Description des exemples de réalisation La figure 1 montre un détecteur de forces désigné, de façon générale, par la référence 10. Dans la présente des- cription, on partira en général d'un détecteur de forces, alors qu'il est clair que celui-ci peut être par exemple un détecteur de pression, un détecteur d'accélération ou un autre détecteur qui détecte une force s'exerçant de l'extérieur. Le détecteur de forces 10 présente une construction à plusieurs couches qu'il n'est pas nécessaire ici d'évoquer plus en détail. La construction par couches peut par exemple avoir lieu selon la demande de brevet antérieure P 44 41 487 O. Le détecteur de forces 10 présente un substrat 12, qui porte une couche 14. La couche 14 peut se composer d'une couche partielle ou même, comme dans l'exemple représenté, de deux couches partielles. La couche 14 enjambe localement un évidement 16 et forme de cette façon sur l'évidement 16 une membrane de mesure 18. L'évidement 16 peut par exemple être constitué par une structure correspon- dante, ouverte au moins d'un côté, dans une couche associée au substrat 12. La membrane 18 porte sur son côté, tourné vers l'évidement 16, une première électrode 20, et une seconde élec- trode 22, disposée en regard de la première, est placée au fond de l'évidement 16. Les électrodes 20 et 22 forment un moyen d'exploitation capacitif 24. A l'intérieur de la membrane on a placé un dispositif, désigné de façon générale par la référence 26, dans l'exemple représenté une résistance piézo-électrique. La résistance 28 comme aussi les électrodes 20 et 22 sont re- liées par des liaisons électriquement conductives, non repré- sentées, à un circuit. Le détecteur de forces, représenté à la figure 1, exerce les fonctions suivantes: Pendant l'utilisation, selon sa destination, du dé- tecteur de forces 10, par exemple dans un véhicule à moteur pour détecter des effets d'accélération ou des pressions prove- nant de fluides déterminés (liquide de freins), la membrane 18 est soumise à une force F. La force F provoque une extension de la membrane 18. En fonction du vecteur de la force F, la mem- brane 18 s'étend soit en direction de l'évidement 16, soit à l'opposé de l'évidement 16. Selon l'élasticité de la membrane 18, il se produit dans le cas de l'action d'une force F avec une grandeur déterminée une extension déterminée. Par suite de l'extension, la distance entre les électrodes 20 et 22 du moyen d'exploitation capacitif 24 se modifie, de telle sorte que, d'une manière connue en général, on peut sur la base de la va- riation de la capacité conclure à la grandeur de la force F. Par suite de l'apparition naturelle d'un vieillissement, la membrane 18 subit pendant son utilisation selon sa destination une modification de sa rigidité, de telle sorte que, quand s'exerce sur elle une force F de même grandeur, à un instant beaucoup plus tardif, il se produit une extension et de cette façon, une autre variation de la capacité qui conduit à un si- gnal de mesure affecté en conséquence d'une erreur. Au moyen de la résistance piézo-électrique 28, qui possède une courbe caractéristique force-tension connue, on peut provoquer lors de l'application d'une tension déterminée, définie, par suite de l'action de la force qui se produit de façon connue, une extension définie de la membrane 18. Par suite de cette extension définie, il se produit une variation définie de l'écartement entre les électrodes 20 et 22 du moyen d'exploitation capacitif 24, de telle sorte que l'on peut pré- lever un signal correspondant de détection. Si la rigidité de la membrane de mesure s'est alors modifiée par rapport à son état initial, l'application de la force définie sur la résis- tance piézo-électrique 28 conduit à une extension modifiée de la membrane de mesure 18. En conséquence, on en arrive à une modification qui varie de la distance entre les électrodes 20 et 22, et de cette façon à un signal de détection qui présente un écart. Cet écart du signal de détection entre l'état de la rigidité initiale de la membrane de mesure et l'état de la ri- gidité modifiée de la membrane de mesure, ce qu'on appelle le décalage, peut être saisi dans un circuit d'exploitation cor- respondant, c'est-à-dire être mis en mémoire, de telle sorte que l'on puisse, lors de mesures ultérieures au moyen du détec- teur de forces 10, prendre en considération des écarts dus à une variation de la rigidité de la membrane de mesure 18. Une correction correspondante du signal de mesure du détecteur de forces 10 a lieu en fonction du décalage qui se produit juste- ment de la membrane de mesure 18.35 Il existe une autre possibilité de test qui con- siste, à des intervalles réguliers, par exemple entre les mesu- res qui se déroulent régulièrement au moyen du détecteur de forces 10, à activer le dispositif 26. En exerçant sur la mem- brane de mesure 18 une force définie, on peut comparer l'exten- sion effective de la membrane de mesure 18 à une extension at- tendue de la membrane de mesure 18, pour tenir compte ainsi dans le cas d'écarts d'une modification de la rigidité de la membrane de mesure 18. En fonction du domaine respectif d'uti- lisation du détecteur de forces 10, on peut faire intervenir un signal lors du dépassement d'une valeur que l'on peut choisir, entre l'extension effective et l'extension attendue de la mem- brane de mesure 18, signal qui indique qu'il faut changer le détecteur de forces 10. Au total, il est donc possible d'effectuer une ana- lyse directe d'erreur de la membrane de mesure 18, au moyen du dispositif 26 intégré dans le détecteur de forces 10. L'inté- gration du dispositif 26, par exemple de la résistance piézo- électrique 28, dans le détecteur de forces 10, est possible grâce à des techniques de fabrication connues. En particulier, on peut combiner la structuration et la fabrication du détec- teur de forces 10 avec l'intégration du dispositif 26, de telle sorte qu'il ne soit pas nécessaire d'avoir recours à des sé- quences additionnelles coûteuses du procédé. Avant tout, on peut détecter de nets écarts du signal de mesure du détecteur de forces 10 se rapportant à des erreurs de la membrane de me- sure 18. Sur la figure 2, on a représenté une vue schémati- que en coupe à travers un autre détecteur de forces 10. On a pourvu les mêmes pièces qu'à la figure 1, des mêmes références numériques et on ne les décrira pas encore une fois. Le détecteur de forces 10, représenté à la figure 2, est un détecteur piézo-électrique. Dans ce cas, on a disposé dans la membrane de mesure 18 des résistances piézorésistantes, qui fournissent un moyen d'exploitation 32. Le dispositif 26, constitué par la résistance piézo-électrique 28, est disposé sur le côté de la membrane de mesure 18, qui est tourné vers l'extension 16.35 Une extension de la membrane de mesure 18 a lieu par suite de la force F agissant de l'extérieur. L'extension de la membrane de mesure 18 conduit dans les résistances piézoré- sistives 30 à une sollicitation d'étirement et/ou à une solli- citation de pression. Du fait de cette sollicitation des résis- tances 30, il s'établit une extension correspondante de la mem- brane de mesure 18, proportionnellement à la tension du détecteur, qui peut être détectée et retraitée au moyen d'un circuit d'exploitation, non représenté. Au moyen de la résis- tance piézo-électrique 28, on peut avoir à son tour une exten- sion définie de la membrane de mesure 18, - comme on l'a déjà évoqué à la figure 1. On peut donc à nouveau déterminer une mo- dification de la rigidité de la membrane de mesure 18 et cette modification est possible quand le signal de détection du dé- tecteur de forces 10 exerce une influence correspondante On a représenté sur la figure 3 une autre variante de réalisation d'un détecteur de forces 10. On a pourvu les mê- mes parties que celles qui sont sur les figures précédentes des 15 mêmes références numériques et on ne les évoquera pas encore une fois. Dans ce cas, il s'agit à nouveau d'un détecteur capa- citif. Le dispositif 26 n'est pas disposé, dans ce cas, dans la membrane de mesure 18, mais en dessous de l'évidement 16 dans le substrat 12. Le fonctionnement du dispositif 26 est à nou-20 veau le même que dans le cas des exemples selon les figures 1 et 2. L'agencement du dispositif 26 dans le substrat 12 pré- sente l'avantage que ce dispositif est disposé de façon proté- gée par rapport aux agents qui interviennent de l'extérieur et qui donnent naissance à la force F. On peut effectuer à nouveau un contrôle du fonctionnement du détecteur de forces 10 avec le dispositif 26, disposé dans le substrat 1. En appliquant à la résistance piézo- électrique 28 une tension définie, il s'éta- blit dans le substrat 12 une force, qui conduit à une extension de l'électrode 22. De cette façon, on modifie la distance entre30 les électrodes 20 et 22, de telle sorte que l'on peut mesurer une modification correspondante du signal de détection. Il est possible de cette façon d'avoir un contrôle du fonctionnement du détecteur de forces 10. L'agencement du dispositif 26 dans le substrat 12 n'offre pas toutefois la possibilité avanta-35 geuse, comme sur les figures 1 et 2, en plus du contrôle du fonctionnement, de détecter en même temps une modification de la rigidité de la membrane de mesure 18. Sur la figure 4, on a représenté une autre variante de réalisation d'un détecteur de forces 10, dont la construc- tion et le mode de fonctionnement correspondent, quant au prin- cipe, au détecteur de forces 10 déjà décrit à la figure 1, de telle sorte que l'on s'arrêtera seulement sur les différences. Le dispositif 26, intégré dans le détecteur de forces 10, est formé dans ce cas par une membrane d'enregistrement piézo- électrique 32, qui est en même temps un composant de la mem- brane 18 qui recouvre l'évidement 16. Au moyen de la membrane d'enregistrement piézo-électrique 32, qui présente une courbe caractéristique connue force-tension, on peut produire à nou- veau une extension définie de toute la membrane 18 et de cette façon une modification de la distance définie entre les élec- trodes 20 et 22. Grâce à l'intégration de la membrane d'enre- gistrement piézo-électrique 32 dans la membrane de mesure 18, on obtient des avantages quant à la technique de fabrication, en particulier quand la membrane d'enregistrement piézo- électrique 32 doit recouvrir en même temps plusieurs détecteurs de forces 10 d'un substrat. Dans les exemples de réalisation des figures 1 à 4, on a représenté respectivement un détecteur de forces 10 avec une membrane de mesure 18. Il va de soi qu'il est possible de constituer un détecteur de forces 10 avec plusieurs membranes de mesure 18, c'est-à-dire que le détecteur de forces 10 pré- sente un nombre correspondant d'évidements 16, sur lesquels est constituée respectivement une membrane de mesure 18. En tout cas, à chacune des membranes de mesure 18 ou à chacun des évi- dements 16, est associé un dispositif 26, de telle sorte que les membranes de mesure 18 soient testées individuellement et qu'on puisse déterminer après coup celles dans lesquelles il s'est produit un écart, par suite de la modification de l'élas- ticité des membranes de mesure 18. R E V E N D I C A T I ONS ) Détecteur de force, en particulier détecteur de pression, avec au moins une membrane de mesure qui, par suite d'une force à détecter, se modifie et subit une extension, caractérisé en ce qu' on associe à la membrane de mesure (18) un dispositif (26) in- tégré dans le détecteur de force (10), dispositif qui permet d'avoir une extension définie de la membrane de mesure (18) in- dépendamment d'une force extérieure F. 2 ) Détecteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (26) est une résistance piézo-électrique (28), dont on connaît la courbe caractéristique force-tension. 3 ) Détecteur de force selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la résistance (28) est intégrée dans la membrane de mesure (18). 4 ) Détecteur de force selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que25 la résistance (28) est disposée sur un côté de la membrane de mesure (18), situé à l'opposé de la force F à mesurer. ) Détecteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (26) est une membrane d'enregistrement piézo- électrique (32), dont on connaît la courbe caractéristique force- tension. 6 ) Détecteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane d'enregistrement piézo-électrique (32) est un com- posant de la membrane de mesure (18). 7 ) Détecteur de force selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de forces (10) est un détecteur capacitif. 8 ) Détecteur de force selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de forces (10) est un détecteur piézorésistant. 9 ) Détecteur de force selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de forces (10) présente plusieurs membranes de me- sure (18), auxquelles est associé respectivement un dispositif (28). ) Détecteur de force selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que le dispositif (26) est disposé dans un substrat (12) du détec- teur de forces (10).