Brevet FR2740217A1 — publié le 19970425

Etat de la technique L'invention part d'un capteur de pression pour détecter la pression dans une chambre de combustion de moteurs à combustion interne, en particulier de véhicules automobiles, dans le carter duquel est ménagé un perçage, et dans le perçage est agencé un poinçon qui agit par l'une de ses extrémités sur un élément de mesure, de sorte qu'un signal de mesure proportionnel à la pression à déterminer est produit. Dans de tels capteurs de pression connus, on a ménagé dans le carter un perçage dans lequel est agencé un poinçon. Le perçage est refermé sur un côté par un diaphragme contre lequel s'appuie également l'une des extrémités du poinçon. L'autre extrémité du poinçon est en liaison d'action avec un élément de mesure. Pour transmettre la pression, une calotte sphérique est en outre collée à cette extrémité du poinçon. Dans d'autres réalisations, les différents éléments sont collés les uns avec les autres. Un collage de différents éléments présente cependant l'inconvénient que ces liaisons sont difficiles à traiter dans une fabrication en série, et seulement avec des coûts élevés. Au cours du temps, ces liaisons peuvent se modifier quant à leur forme, ce pourquoi apparaissent des modifications du point zéro dans des détecteurs de pression absolue. Ces modifications peuvent être particulièrement désavantageuses pendant le fonctionnement. La résistance à la température de ces liaisons collées n'est pas optimale non plus. Même des effets de fluage apparaissent pendant la durée de vie du détecteur de pression au niveau des couches d'impression utilisées entre l'élément de mesure et le poinçon, et ces effets mènent à des modifications incontrôlées du point zéro et ainsi à une falsification de la valeur mesurée. Avantages de l'invention Le capteur de pression conforme à l'invention se caractérise par le fait que le poinçon s'appuie directement sur l'élément de mesure, que la limite apparente d'élasticité du matériau du poinçon est inférieure à la limite de rupture du matériau de l'élément de mesure, que l'une des extrémités du poinçon est réalisée de façon convexe et que l'extrémité convexe du poinçon s'appuie sur l'élément de mesure par une surface de contact aussi importante que les contraintes qui apparaissent ne dépassent pas une valeur de consigne prédétermnninée. Ce capteur de pression conforme à l'invention présente l'avantage par rapport à l'art antérieur qu'aucune dérive du point zéro ne peut apparaître pendant la durée de vie du capteur de pression. Simultanément, le capteur de pression présente une structure relativement simple et économique. Aucune modification des liaisons entre les éléments individuels et aucun encaissement de la précontrainte du poinçon n'apparaissent. Grâce au module d'élasticité choisi pour les matériaux, une linéarité élevée de la courbe de mesure est possible. Etant donné qu'aucune modification de la forme géométrique des éléments individuels n'est possible, on peut atteindre une stabilité élevée de la sensibilité de cette courbe de mesure. De plus, aucune couche ou éléments amortisseurs n'existent dans le capteur de pression, de sorte que la courbe de mesure présente une faible hystérésis. Il est possible de réaliser des développements avantageux du capteur de pression conforme à l'invention, qui seront décrits dans ce qui suit. Dessins Un exemple de réalisation de l'invention est illustré dans les dessins et sera décrit plus en détail dans la description qui suit. La fig. 1 montre une coupe à travers un capteur de pression illustré schématiquement, la fig. 2 montre un détail et la fig. 3 est une vue de dessus sur l'élément de mesure. Description de l'exemple de réalisation A la fig. 1, la référence 10 désigne le carter d'un capteur de pression 11 pour déterminer la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Il présente un perçage central continu étagé 12. L'ouverture 13 du carter 10 orientée vers la chambre de combustion est refermée par un diaphragme 14. Le diaphragme 14 est soudé dans la région de la bordure contre la face frontale 15 du carter 10. Dans la région médiane du diaphragme 14, c'est-à-dire dans la région de flexion du diaphragme, un poinçon 18 s'appuie par l'une de ses extrémités, qui agit par son autre extrémité sur l'élément de mesure 19. Le diaphragme 14 lui-même n'est pas forcément nécessaire. On peut appliquer la pression également directement sur le poinçon. On peut utiliser comme élément de mesure par exemple des éléments piézo-résistifs ou bien piézoélectriques. On entendra par éléments piézo-résistifs des éléments qui modifient leur valeur de résistance sous l'effet de pression. A cet effet, on peut utiliser par exemple des résistances à couche épaisse. On peut utiliser ici en tant que matériau du cermet, de la matière plastique de contact ou du métal, etc. L'élément de mesure 19 lui-même est constitué par ces résistances 25 qui sont agencées sur un support 26 en silicium, ce que l'on appelle une plaquette en silicium, c'est-à-dire qu'elles sont gravées ou imprimées. L'élément de mesure 19 s'appuie à son tour par ce support 26 contre un élément de montage complémentaire 20 qui est mis en place dans le perçage 12 et qui est fermement relié au carter 10. On peut agencer des composants électriques d'un circuit d'évaluation, qui ne sont pas illustrés dans les figures, sur le support 26 de l'élément de mesure 19. Grâce à des perçages non illustrés dans l'élément de montage complémentaire 20, les lignes de sortie du circuit d'évaluation ou de l'élément de mesure 19 peuvent être sorties hors du carter 10 du capteur de pression 11 et amenées à un circuit d'évaluation non illustré et à un dispositif de commande du moteur à combustion interne. Un évidement 21 est ménagé dans la région de l'ouverture 13, de telle sorte que l'ouverture 13 présente une forme étagée. Une fente étroite 23 existe entre la paroi du perçage 12 et le poinçon 18. Cette fente 23 devrait être la plus petite possible, afin de permettre une bonne transmission thermique entre le carter 10 et le poinçon 18. De plus, on devrait également envisager un guidage latéral du poinçon 18 dans le perçage 12. Dans la fig. 2, la région d'appui du poinçon 18 sur l'élément de mesure 19 est illustrée plus en détail. L'extrémité du poinçon 18 est réalisée en forme d'une calotte sphérique 24. Le rayon de cette calotte sphérique 24 est ici si important que la région de contact 29 entre la calotte sphérique 24 et l'élément de mesure 19, c'est-à-dire la surface d'appui atteint seulement une certaine contrainte mécanique en prenant en considération l'élasticité du matériau de l'élément de mesure 19, c'està- dire du support 26 (de la plaquette en silicium). Bien entendu, aucun encrassement ne doit exister dans cette région de contact 29, car ces encrassements peuvent causer des pointes de contrainte et ainsi des endommagements des composants. On entendra par encrassements tant des encrassements dans matériau du poinçon 18 et dans matériau de l'élément de mesure 19, que des particules situées dans la fente entre le poinçon 18 et l'élément de mesure. De plus, on doit veiller à ce que la rugosité de la surface de l'élément de mesure 19 corresponde approximativement à la rugosité de la surface de la calotte sphérique 24 du poinçon 18. En d'autres termes, on peut dire que la différence entre les rugosités de la surface de la calotte sphérique 24 et de la surface de l'élément de mesure 19 devrait être inférieure à un micromètre. De plus, la limite apparente d'élasticité du matériau du poinçon 18 devrait être inférieure à la limite de rupture de l'élément de mesure 19. Lorsque l'on part, dans un exemple, du fait que le rayon de la calotte sphérique 24 du poinçon 18 s'élève à R 20 (c'est-à-dire un rayon de 20 mm), il en résulte un diamètre de la région de contact 20 d'environ 0,3 mm. Les contraintes qui en résultent sont de l'ordre de 300 N/mm2. De plus, la rugosité du silicium, c'est-à-dire du matériau du support 26 de l'élément de mesure 19 est de l'ordre de quelques nanomètres (nm). La rugosité de la surface de l'hémisphère 24 du poinçon 18, qui peut être constitué par exemple en métal ou en céramique, est ici de l'ordre de 100 nanomètres (nm). De plus, le silicium présente une résistance à la rupture nettement plus élevée à la limite apparente d'élasticité du matériau du poinçon, c'està- dire d'environ 500 à 600 N/mm2. Les résistances 25 de l'élément de mesure 19 sont agencées en carré sous la forme d'un circuit de pont Wheatstone sur le support 26 de l'élément de mesure 19. Les résistances 25 se trouvent à l'extérieur de la région de contact 29. En outre, les résistances 25 se trouvent au-dessous d'une couche de passivation 27 (Si3N4). Etant donné que cette couche de passivation 27 présente une faible solidité, cette couche de passivation est enlevée dans la région de contact. Le silicium, ou bien dans le cas d'une structure en couches du support 26, le silicium et également l'oxyde de silicium (SiO2) présentent des valeurs de solidité supérieures à celles de la couche de passivation 27. De plus, l'extrémité du poinçon 18 est entourée d'un gel 28, de sorte qu'aucun encrassement ne peut pénétrer dans la fente 30 entre la calotte sphérique 24 et l'élément de mesure 19. De préférence, la différence entre la rugosité de la surface de l'une des extrémités du poincçon 18 et la rugosité de la surface de l'élément de mesure 19 est inférieure ou égale à deux micromètres ( Revendications 1. Capteur de pression (11) pour détecter la pression dans une chambre de combustion de moteurs à combustion interne, en particulier de véhicules automobiles, dans le carter (10) duquel est ménagé un percç, age (12), et dans le perçage (12) est agencé un poinçon (18) qui agit par l'une de ses extrémités sur un élément de mesure (19), de sorte qu'un signal de mesure proportionnel à la pression à déterminer est produit, caractérisé en ce que le poinçon (18) s'appuie directement sur l'élément de mesure (19), en ce que la limite apparente d'élasticité du matériau du poinçon (18) est inférieure à la limite de rupture du matériau de l'élément de mesure (19), en ce que l'une des extrémités du poinçon (18) est réalisée de façon convexe et en ce que l'extrémité convexe du poinçon (18) s'appuie sur l'élément de mesure (19) par une surface de contact aussi importante que les contraintes qui apparaissent ne dépassent pas une valeur de consigne prédéterminée. 2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence entre la rugosité de la surface de l'une des extrémités du poinçon (18) et la rugosité de la surface de l'élément de mesure (19) est inférieure ou égale à deux micromètres ( 3. Capteur de pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que la différence est inférieure ou égale à un micromètre ( 4. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de mesure (19) est une plaquette en silicium (26) dans laquelle sont agencées des résistances (25) branchées en pont de Wheatstone. 5. Capteur de pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que les résistances (25) sont des résistances piézo-résistives. caractérisé en ce que le poinçon (18) est guidé dans le perçage (12) du carter (10). 7. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'une des extrémités du perçage (12) est refermé par un diaphragme (14), et en ce que la seconde extrémité du poinçon (18) s'appuie contre le diaphragme (14). 8. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, o10 caractérisé en ce que la région de contact (29) du poinçon (18) et de l'élément de mesure (19) ne présente aucune couche de passivation (27) recouvrant les résistances. 9. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une masse en forme de gel (28) se trouve dans la fente entre la surface de l'élément de mesure (19) et la surface du poinçon (18) et au moins partiellement sur la couche de passivation (27).