Brevet FR2849191A3 — publié le 20040625

FR 2849191 A3 20040625 FR 0304588 A 20030411 L'invention concerne un détecteur de pression comportant un corps céramique monolithique, une membrane et une plaquette électronique d'amplification. On connaît des détecteurs de pression dans le domaine technique de détermination une pression absolue ou d'une pression relative Les détecteurs de pression à solliciter par un fluide sont ici intégrés dans le circuit du fluide dont on doit mesurer la pression L'utilisation du 10 détecteur de pression n'est pas limitée à la forme du fluide, et on peut mesurer aussi bien des pressions de fluides gazeux que des pressions de fluides liquides La pression s'applique à un côté de la membrane qui fléchit en raison de la pression appliquée Ce fléchissement s'effectue à l'encontre d'un couple de rappel, par exemple l'élasticité propre de la 15 membrane. Des détecteurs de pression absolue connus comprennent un corps avec un évidement, une plaque de couverture avec une membrane agencée sur celleci et une plaquette électronique d'amplification La plaque de 20 couverture est agencée sur l'évidement du corps de telle sorte qu'il résulte une chambre étanche au vide, nécessaire pour mesurer la pression absolue La membrane est capable de fléchir en cas de sollicitation en pression correspondante et elle porte des moyens de conversion destinés à convertir le fléchissement de la membrane en un 25 signal évaluable Dans la paroi extérieure du corps se trouvent des contacts traversants qui sont connectés aux moyens de conversion via des pistes conductrices La réalisation de tels détecteurs de pression absolue est compliquée et onéreuse. L'objectif sous-jacent à la présente invention est de proposer un détecteur de pression qui assure une haute précision de mesure pendant une longue période de fonctionnement et qui est en outre très simple et rapide à réaliser. Cet objectif est atteint par un détecteur de pression du type mentionné en introduction, dans lequel la membrane est capable de fléchir lors d'une sollicitation en pression correspondante par un fluide et porte des moyens de conversion destinés à convertir le fléchissement de la membrane en un signal évaluable, caractérisé en ce que la membrane est intégrée dans le corps céramique et porte les moyens de conversion 5 sur son côté opposé au fluide D'autres modes de réalisation préférés sont décrits dans ce qui suit. Conformément à l'invention, cet objectif est donc atteint par un détecteur de pression du type mentionné en introduction dans lequel la 10 membrane est intégrée dans le corps céramique Le corps céramique monolithique est réalisé en forme de godet, c'est-à-dire qu'il comprend une pièce de corps annulaire de préférence à paroi épaisse et un fond de godet qui forme la membrane Ainsi, la membrane est intégrée dans le corps céramique Judicieusement, le corps céramique est bloqué de 15 façon détachable dans un boîtier de détecteur, de sorte qu'en cas de besoin, on peut le démonter et remonter de manière simple A cet effet, on peut prévoir sur le corps céramique des échancrures, des épaulements ou des saillies appropriés, comme par exemple des bourrelets périphériques qui permettent un blocage sr et simple Au 20 cas o les conditions ambiantes l'exigeraient, le corps céramique peut être surmoulé dans le boîtier de détecteur au moyen d'une masse coulée durcissante, ce qui permet d'utiliser le détecteur de pression conforme à l'invention également dans des installations menacées par des explosions. De préférence, la membrane du détecteur de pression présente des épaisseurs comprises entre 0,08 mm et 2,5 mm Ces valeurs résultent de la plage de pression appliquée L'utilisation d'une membrane céramique présente l'avantage que celle-ci réagit tout au plus dans une 30 faible mesure à des fluctuations de température et qu'elle ne réagit pas par des déformations permanentes à des pointes de pression prononcées De plus, la céramique est peu exposée aux attaques chimiques, ce pourquoi elle convient particulièrement à l'utilisation conforme à l'invention De plus, en fonction de l'épaisseur de la 35 membrane, la céramique présente une élasticité suffisante pour assurer que de petits fléchissements dus à la pression à mesurer sont aussi supportés par le moyen de conversion qui a une sensibilité correspondante. Le moyen de conversion convertit le fléchissement de la membrane en 5 un signal évaluable, en particulier en une tension électrique ou en une résistance électrique Le moyen de conversion est connecté via des premières pistes conductrices radialement aux premières surfaces de contact qui sont agencées à l'extérieur de la membrane sur le corps céramique Dans un mode de réalisation préféré, le moyen de 10 conversion est constitué par des jauges de contrainte qui sont déposées par sérigraphie sur la surface de la membrane Ceci mène à un agencement très favorable et reproductible avec une haute qualité du moyen de conversion Grâce à ce procédé, on applique par exemple un circuit en pont de Wheatstone sur la membrane Ainsi, le moyen de 15 conversion est agencé sur le côté de la membrane qui n'est pas sollicité en pression Grâce à ceci, on n'a pas besoin de prévoir d'autres moyens d'étanchéité De plus, il présente l'avantage que les lignes électriques nécessaires du moyen de conversion se trouvent déjà sur le côté de la membrane sur lequel est agencée la plaquette électronique 20 d'amplification. Dans un mode de réalisation, une bague de protection en mousse à cellules fermées est agencée dans le corps céramique en forme de godet On entend par mousse à cellules fermées une mousse qui 25 comprend une peau extérieure solide et un intérieur cellulaire Une traversée cylindrique de la bague de protection assure que le fluide qui sollicite la membrane en pression, par exemple de l'eau, a un accès libre à la membrane Dans ce cas, le diamètre de la bague de protection correspond au diamètre intérieur du corps céramique en forme de 30 godet Le côté de la bague de protection tourné vers la membrane est écarté de la membrane, de sorte que le mode de fonctionnement de celle-ci n'est pas influencé par la bague de protection Un tel détecteur de pression est utilisé de préférence à des températures basses et dans des appareils à pressions faibles, car on peut ainsi réduire le risque de 35 formation de glace et la membrane n'est ainsi pas endommagée. Dans un mode de réalisation préféré, le détecteur de pression est un détecteur de pression absolue Dans ce cas, on prévoit, entre la plaquette électronique d'amplification et le corps céramique, une plaque de couverture qui est fixée par un moyen de liaison sur le corps 5 céramique de telle sorte qu'une chambre étanche au vide est formée par le côté de la plaque de couverture tourné vers la membrane et par le côté de la membrane opposé au fluide Des premières surfaces de contact agencées sur le corps céramique sont connectées aux deuxièmes surfaces de contact de la plaquette électronique 10 d'amplification via des contacts traversants métalliques de la plaque de couverture, comme on le décrira plus loin Les détecteurs de pression absolue conformes à l'invention peuvent être réalisés de manière très rationnelle, ils ont un très petit encombrement et ils sont hautement fiables Ils peuvent présenter des dimensions très petites; par exemple, 15 ils peuvent avoir un diamètre de 1,5 cm. Le moyen de liaison (on pourrait imaginer un apport de brasage métallique) est de préférence une couche de brasage en verre, c'est-àdire que l'on dépose sur le corps céramique un verre de brasage ou de la 20 poudre de verre qui est fritté(e) à des températures supérieures à 430 C. Un autre moyen de liaison possible est de l'apport de brasage métallique Grâce à la réalisation du moyen de liaison à partir du verre de brasage à une température élevée, la dépression de référence nécessaire pour la mesure de la pression absolue s'établit dans la 25 chambre. La plaque de couverture qui est constituée de préférence en matériau céramique présente des contacts métalliques traversants Ces contacts traversants aboutissent sur le côté tourné vers la membrane par des 30 troisièmes surfaces de contact et sur le côté tourné vers la plaquette électronique d'amplification par des quatrièmes surfaces de contact Les quatrièmes surfaces de contact sont connectées via des deuxièmes pistes conductrices à des cinquièmes surfaces de contact qui sont également agencées sur le côté tourné vers la plaquette électronique 35 d'amplification Dans un mode de réalisation préféré, la plaque de couverture présente un renfoncement sur le côté tourné vers la membrane, renfoncement dont la surface s'étend au maximum jusqu'au moyen de liaison et dont la hauteur dépend de l'application du détecteur de pression absolue Grâce au renfoncement dans la plaque de couverture, le volume de la chambre étanche au vide est augmenté, par comparaison avec une chambre dans laquelle la plaque de couverture ne présente pas d'échancrure. La plaquette électronique d'amplification est une plaquette de support, en particulier une plaquette à circuits sur laquelle sont agencés des composants électroniques connus de l'homme du métier pour un circuit 10 d'amplification De préférence, il s'agit ici d'un circuit hybride Sur la face inférieure de la plaquette électronique d'amplification, c'est-àdire sur le côté tourné vers la plaque de couverture, on prévoit les deuxièmes surfaces de contact qui sont connectées par des moyens métalliques aux composants électroniques Ceux-ci se trouvent dans 15 des positions qui correspondent aux cinquièmes surfaces de contact sur le côté de la plaque de couverture opposé à la membrane. Ainsi, les premières surfaces de contact du corps céramique reliées au moyen de conversion via des premières pistes conductrices sont 20 connectées de façon conductrice aux deuxièmes surfaces de contact de la plaquette électronique d'amplification via les contacts traversants de la plaque de couverture Bien entendu, d'autres types de liaisons métalliques, connus de l'homme du métier, sont également possibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit et des figures, un mode de réalisation préféré de l'invention étant expliqué plus en détail en se rapportant à un exemple. Les figures montrent: figure 1, une coupe longitudinale à travers un détecteur de pression 30 absolue conforme à l'invention; figure 2, une vue de dessus sur un détecteur de pression absolue conforme à l'invention avant le montage de la plaque de couverture; figure 3, une vue de dessus sur un détecteur de pression absolue conforme à l'invention; figure 4, une coupe longitudinale à travers un détecteur de pression relative; et figure 5, un détecteur de pression comportant une bague de protection. Dans la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne un détecteur de pression absolue tel qu'il est monté à titre de cellule de mesure dans un capteur de pression Conformément à l'invention, le détecteur de pression absolue comprend un corps céramique monolithique 3 Le corps céramique monolithique 3 est en forme de godet, c'est-à-dire qu'il 10 comprend une partie de corps annulaire à paroi épaisse et un fond de godet à paroi mince Le fond de godet du corps céramique 3 représente une membrane 5 Ainsi, la membrane 5 est intégrée dans le corps céramique 3 Le corps céramique se présente de préférence d'un seul tenant, mais il est également possible de le réaliser en deux pièces et de 15 les relier ensuite de manière appropriée La partie de corps annulaire et la membrane délimitent une chambre de mesure 27 Un moyen de conversion 7 est agencé directement sur le côté de la membrane 5 opposé à la chambre de mesure Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de conversion 7 sont des jauges de contrainte agencées dans 20 un circuit en pont de Wheatstone, qui, en cas d'allongement en longueur, modifient la résistance Celles-ci peuvent être déposées sur la membrane au moyen d'une pate résistive par sérigraphie Le moyen de conversion 7 est connecté radialement à des premières surfaces de contact 19 via des premières pistes conductrices, les premières surfaces 25 de contact 19 étant agencées à l'extérieur de la membrane sur le corps céramique. La plaque de couverture 9 constituée de préférence en céramique comprend un certain nombre de contacts traversants métalliques 15. 30 Les troisièmes surfaces de contact 17, situées sur la face inférieure de la plaque de couverture, des contacts traversants 15 sont connectées aux premières surfaces de contact correspondantes 19 par une liaison de brasage. Sur le côté d'une plaque de couverture 9 tourné vers la membrane ou encore sur le côté du corps céramique 3 tourné vers la plaque de couverture, on prévoit radialement à l'extérieur de la membrane 5 un moyen de liaison 11 qui est constitué de préférence d'un apport de brasage en verre Dans ce cas, aussi bien la membrane 5 et les premières surfaces de contact 19 que les troisièmes surfaces de contact 5 17 sont exemptes de moyen de liaison Ainsi, une chambre 13 est formée qui est délimitée latéralement par le moyen de liaison 11, en haut par le côté de la plaque de couverture 9 tourné vers la membrane et en bas par la membrane 5 Dans la chambre 13, un vide est établi de par les hautes températures du procédé pendant la réalisation de la 10 chambre La chambre 13 est étanche au vide, ce pourquoi la mesure de la dépression de référence nécessaire pour mesurer la pression absolue est possible. Une plaquette électronique d'amplification 21 comportant une plaque 15 en céramique ou en un autre matériau approprié et une unité électronique réalisée sous forme de circuit hybride comprend des deuxièmes surfaces de contact 25 dans les positions qui correspondent aux cinquièmes surfaces de contact 33 situées sur la surface de la plaque de couverture 9, voir également la figure 3 Ainsi, les moyens 20 de conversion 7 sont connectés à la plaquette électronique d'amplification 21 par une connexion électrique, plaquette qui est réalisée par les premières pistes conductrices 29, par les premières surfaces de contact 19, par les troisièmes surfaces de contact 17, par les contacts métalliques traversants 15, par les quatrièmes surfaces de 25 contact 23, par les deuxièmes pistes conductrices 31, par les cinquièmes surfaces de contact 33 et par les deuxièmes surfaces de contact 25. Lors d'une montée en pression dans la chambre de mesure centrale 27, 30 la membrane 5 intégrée dans le corps céramique 3 est fléchie vers le haut en direction de la chambre 13 Le moyen de conversion 7 agencé sur la membrane 5 convertit le fléchissement en un signal évaluable, par exemple par une modification de la résistance, qui est transmis par la connexion électrique vers la plaquette électronique d'amplification 35 21. Le détecteur de pression absolue illustré dans la figure 1 est réalisé de préférence par quatre étapes de travail Dans une première étape, on ajoute radialement le moyen de liaison 1 l 1 soit sur le côté, détourné du fluide, du corps céramique 3 avec la membrane 5 sur laquelle est 5 agencé le moyen de conversion 7, lequel est connecté aux premières surfaces de contact via des premières pistes conductrices 29, soit sur le côté de la plaque de couverture tourné vers la membrane, de telle sorte que la membrane 5 et les premières surfaces de contact 19 restent exemptes de moyen de liaison Dans une deuxième étape, on agence la 10 plaque de couverture 9 sur le corps céramique 3 de telle sorte que le verre de brasage est agencé entre ceux-ci, et on la relie à des températures élevées Grâce aux températures élevées, le vide nécessaire pour mesurer la pression absolue s'établit dans la chambre après refroidissement Dans une troisième étape, on relie les premières 15 surfaces de contact 19 agencées sur le corps céramique 3 aux troisièmes surfaces de contact 17 de la plaque de couverture 9 par brasage à travers les contacts traversants en forme de douille Dans une dernière étape, on agence la plaquette électronique d'amplification 21 sur la plaque de couverture 9 de telle sorte que les petites billes 20 d'apport de brasage agencées sur les deuxièmes surfaces de contact 25 viennent en contact avec les cinquièmes surfaces de contact 33 et sont reliées par voie métallique à celles-ci par augmentation de la température. La figure 2 montre une vue de dessus sur le détecteur de pression absolue 1 conforme à l'invention avant le montage de la plaque de couverture Le corps céramique monolithique 3 comprend la membrane intégrée 5 avec le moyen de conversion 7 En l'occurrence, il s'agit de résistances RI, R 2,R 3, R 4, R 6 et R 8 agencées dans un circuit en pont 30 de Wheatstone, qui modifient la résistance en cas de modification en longueur; l'homme du métier connaît le mode de réalisation exact Le moyen de conversion 7 est connecté via des premières pistes conductrices 29 aux premières surfaces de contact 19 qui sont agencées à l'extérieur de la membrane 5 sur le corps céramique 3 Le moyen de 35 liaison 11 sous forme d'apport de brasage en verre est agencé radialement à l'extérieur de la membrane 5, aussi bien la surface de la membrane 5 que les premières surfaces de contact 19 étant exemptes de moyen de liaison, de sorte que la mesure de la pression n'est pas influencée par celles-ci Les premières surfaces de contact 19 sont entourées radialement par le moyen de liaison 11 de manière à être refermées de façon étanche à l'air lorsque la plaque de couverture est montée. La figure 3 montre une vue de dessus sur le détecteur de pression absolue conforme à l'invention 1 Les quatrièmes surfaces de contact 23 situées sur le côté de la plaque de couverture tourné vers la plaquette 10 électronique d'amplification sont connectées aux cinquièmes surfaces de contact 33 via des deuxièmes pistes conductrices 31 s'étendant en direction périphérique Ces cinquièmes surfaces de contact 33 sont reliées par voie métallique aux deuxièmes surfaces de contact 25 de la plaquette électronique d'amplification 21. 15 La figure 4 montre un détecteur de pression relative 35 avec un boîtier céramique 3 comportant une membrane intégrée 5 Sur la membrane 5 est agencé un moyen de conversion 7 qui est connecté via des premières pistes conductrices 29 à des premières surfaces de contact 19 20 sur le corps céramique 3 Celles-ci sont reliées par voie métallique aux deuxièmes surfaces de contact 25 de la plaquette électronique d'amplification 21. On peut réaliser de tels détecteurs de pression relative de manière très 25 économique dans une ligne de fabrication pour des détecteurs de pression absolue, simplement en omettant l'étape de montage de la fixation de la plaque de couverture et en amenant la plaquette électronique d'amplification directement en contact avec le corps céramique Grâce aux quatrièmes et cinquièmes surfaces de contact de 30 la plaque de couverture du détecteur de pression absolue agencées en direction périphérique et reliées via des deuxièmes pistes conductrices, on peut omettre sans problème cette plaque de couverture, car les deuxièmes surfaces de contact 25 de la plaquette électronique d'amplification et les premières surfaces de contact 19 du corps 35 céramique 3 peuvent ainsi être amenées en contact les unes aux autres sans problème Ainsi, avec des composants identiques, on peut réaliser des détecteurs de pression absolue et des détecteurs de pression relative fiables, en grandes quantités. La figure 5 montre un corps céramique monolithique 3 comportant une 5 membrane 5 Une chambre 13 est réalisée dans le volume intérieur du corps céramique monolithique 3 Une bague de protection annulaire 37 est agencée dans la chambre 13 Une traversée cylindrique 39 de la bague de protection 37 assure que le fluide sollicitant la membrane en pression, par exemple de l'eau, a un accès libre à la membrane 5 Dans 10 ce cas, le diamètre de la bague de protection 37 correspond au diamètre intérieur du corps céramique 3 en forme de godet Le côté de la bague de protection 37 tourné vers la membrane 5 est écarté de la membrane, de sorte que le mode de fonctionnement de celle-ci n'est pas influencé par la bague de protection 37 Un tel détecteur de pression est utilisé de 15 préférence à des températures basses et dans des appareils à pressions faibles, car on peut ainsi réduire le risque de formation de glace et la membrane n'est ainsi pas endommagée. Revendications 1 Détecteur de pression ( 1) comportant un corps céramique monolithique ( 3), une membrane ( 5) et une plaquette électronique 5 d'amplification ( 21), dans lequel la membrane ( 5) est capable de fléchir lors d'une sollicitation en pression correspondante par un fluide et porte des moyens de conversion ( 7) destinés à convertir le fléchissement de la membrane en un signal évaluable, caractérisé en ce que la membrane ( 5) est intégrée dans le corps céramique ( 3) et porte les moyens de 10 conversion ( 7) sur son côté opposé au fluide. 2 Détecteur de pression ( 1) selon la revendication 1, comportant en outre une plaque de couverture ( 9), le corps céramique ( 3) et la plaque de couverture ( 9) formant conjointement une chambre étanche au vide, 15 caractérisé en ce que la plaque de couverture ( 9) est agencée entre la plaquette électronique d'amplification ( 21) et le corps céramique ( 3), la plaque de couverture ( 9) étant fixée par un moyen de liaison annulaire ( 11) sur le corps céramique ( 3) de telle sorte que la chambre ( 13) étanche au vide est réalisée par le côté de la plaque de couverture ( 9) 20 tourné vers la membrane et par le côté de la membrane ( 5) opposé au fluide. 3 Détecteur de pression ( 1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de liaison ( 11) entre la plaque de couverture ( 9) et le 25 corps céramique ( 3) est une couche annulaire de brasage en verre. 4 Détecteur de pression ( 1) selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la plaque de couverture ( 9) présente du côté membrane un renfoncement qui agrandit le volume de la chambre ( 13) 30 étanche au vide. Détecteur de pression ( 1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de conversion ( 7) sont connectés radialement à des premières surfaces de contact ( 19) via des premières 35 pistes conductrices ( 29), les premières surfaces de contact ( 19) étant agencées à l'extérieur de la membrane ( 5) sur le corps céramique ( 3) et étant entièrement entourées par le moyen de liaison ( 11). 6 Détecteur de pression ( 1) selon l'une des revendications 2 à 5, 5 caractérisé en ce que la plaque de couverture ( 9) comprend des contacts métalliques traversants ( 15) radialement à l'extérieur de la membrane ( 5), les contacts traversants ( 15) comprenant du côté membrane des troisièmes surfaces de contact ( 17) connectées aux premières surfaces de contact et du côté tourné vers la plaquette électronique 10 d'amplification des quatrièmes surfaces de contact ( 23) qui sont connectées à des cinquièmes surfaces de contact ( 33) de la plaque de couverture ( 9) via des deuxièmes pistes conductrices ( 31), les cinquièmes surfaces de contact ( 33) étant en outre connectées par des moyens métalliques à des deuxièmes surfaces de contact ( 25) de la 15 plaquette électronique d'amplification ( 21). 7 Détecteur de pression ( 1) selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de conversion ( 7) sont des jauges de contrainte agencées dans un circuit en pont de Wheatstone. 20