Brevet FR2887026A1 — publié le 20061215

Domaine de l'invention La présente invention concerne une installation de capteur haute pression comportant un élément de capteur et un circuit électrique notamment sous la forme d'un élément de composant semi-conducteur, l'élément de capteur de pression ayant une membrane déformable sous l'action de la pression ainsi qu'une couche fonctionnelle dont la propriété électrique change lorsqu'elle est déformée, et au moins une zone de branchement électrique. La présente invention concerne le domaine des capteurs de haute pression. De tels capteurs sont utilisés principalement dans le domaine de l'hydraulique pour mesurer des pressions reproductibles entre 10 et 100 bars. De tels capteurs doivent avoir une construction extrême-ment solide et fiable; de plus, ils doivent résister à la corrosion et fonctionner en sécurité. Etat de la technique On utilise un nombre particulièrement important de capteurs haute pression dans le domaine automobile pour l'injection directe d'essence, pour l'injection directe de gazole par rampe commune ou en hydraulique pour la régulation de la dynamique du châssis. Dans chacun de ces cas, pour l'application il faut une me-sure précise reproductible absolument fiable, une fiabilité et une stabilité en température ainsi qu'un faible coût. Pour les applications évoquées ci-dessus, il a déjà été pro-posé d'utiliser des éléments de capteur haute pression avec des couches fonctionnelles piézorésistantes formées dans des alliages NiCrSi. Il a également déjà été proposé de relier de tels éléments de capteur avec un circuit d'exploitation installé directement dans l'installation de capteur haute pression et de créer ainsi une installation de capteur haute pression qui d'une part peut être raccordée à une chambre de pression hydraulique et qui d'autre part peut fournir un signal de sortie prétraité. But de l'invention Dans le cas des installations de capteur haute pression existant il a déjà été proposé de fournir des signaux électriques ou des grandeurs de mesure de la couche fonctionnelle par l'intermédiaire de fils de liaison ou d' éléments de contact élastique, ou encore des films souples intégrant des conducteurs pour transmettre les signaux à un circuit d'exploitation. Le circuit d'exploitation est alors installé dans le boîtier de l'installation de capteur haute pression indépendamment de l'élément de capteur de pression et il est mis en contact avec celui-ci comme décrit à l'aide d'une liaison électrique souple. Le circuit d'exploitation se compose de façon caractéristique d'une plaque de circuit ou d'une structure en technique hybride avec au moins un circuit intégré sous la forme d'une plaquette semi-conductrice portant la partie complexe du circuit d'exploitation. D'autres éléments de circuit peuvent être prévus sous la forme d'une réalisation discrète dans le boîtier assurant l'optimisation des propriétés électromagnétiques de l'installation de capteur haute pression. Mais une telle fabrication nécessite plusieurs étapes telles que l'installation de l'élément de capteur haute pression, celle du circuit d'exploitation et la réalisation de la liaison électrique entre ces deux composants. La présente invention a pour but de simplifier de tels capteurs, et notamment leur construction pour permettre une fabrication 15 moins compliquée et plus économique. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne une installation de capteur haute pression du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que le circuit électrique est relié directement à la zone de branchement électrique par une couche de soudure. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une installation de capteur haute pression selon l'une quel-conque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le circuit électrique est relié aux zones de branchement de la couche fonctionnelle en appliquant tout d'abord une soudure sur l'un des deux éléments puis en assemblant les deux éléments et en les soudant par un procédé de soudage. Selon d'autres caractères avantageux de l'installation: - la couche fonctionnelle est reliée en surface avec la membrane, - une couche d'isolation est prévue entre la couche fonctionnelle et la membrane, - le circuit électrique est relié à deux zones de branchement de la couche fonctionnelle par l'intermédiaire de la couche de soudure, et le circuit électrique comporte entre les deux zones de branchement, moins un élément de forme élastique pour compenser les dilatations thermiques, - la membrane est en acier, - la couche fonctionnelle est en une matière piézoélectrique. La structure selon l'invention permet de fixer le circuit électrique notamment le composant semi-conducteur directement sur l'élément de capteur de pression et cela sur sa couche fonctionnelle par l'intermédiaire d'une soudure tout en assurant également la liaison électrique dans ses zones de branchement. L'élément de capteur de pression peut ainsi porter également le circuit électrique. Ces deux éléments ne sont pas installés indépendamment l'un de l'autre dans le boîtier. La liai-son électrique et la liaison mécanique du circuit électrique ou du composant semi-conducteur avec l'élément de capteur sont ainsi regroupés par une seule étape opératoire et en une seule caractéristique constructive à savoir la soudure assurant la liaison. Comme effet secondaire positif, on a le bon couplage thermique du circuit électrique sur l'élément de capteur de pression ainsi que la réduction extrême de la longueur des lignes d'alimentation et la réduction correspondante de la fragilité par l'effet d'un rayonnement électromagnétique. La liaison soudée peut être réalisée de manière simple en appliquant sur l'une des deux pièces à relier, soit la couche fonctionnelle de l'élément de capteur de pression, soit la face inférieure du circuit électrique tournée vers l'élément de capteur de pression, notamment le composant semi-conducteur, une soudure par un procédé d'impression ou d'une manière analogue et en ce qu'ensuite, on soumet les deux parties dans un four à un procédé de reflux. Des éléments de circuit discrets, supplémentaires tels que des condensateurs et des résistances peuvent être reliés solidairement au composant semi-conducteur ou être logés dans le boîtier de l'installation de capteur à haute pression et être ultérieurement noyés avec de la résine. La technique de liaison du composant semi-conducteur à la couche fonctionnelle se fait avec le procédé connu selon la technique Flip-Chip. Sur la face inférieure du composant semi-conducteur tournée vers l'élément de capteur de pression, et qui est de façon caractéristique principalement en silicium, on peut appliquer une métallisation d'aluminium en mélangeant quelques pourcent de silicium et de cuivre, et recouvrir cette couche avec une couche de nickel. La couche de nickel peut avoir une épaisseur par exemple comprise entre 1 et 5 m; cette couche est appelée métallisation sous les bosses. Elle peut en outre être couverte d'une mince couche d'or de 50 nm constituant une couche anticorrosion. La couche fonctionnelle de l'alliage NiCrSi peut en outre être munie d'une couche de nickel d'une épaisseur de couche de quelques m. Selon un procédé connu de réalisation de bosses , on utilise par exemple le procédé d'impression par pochoir, des billes de sou-dure formées de PbSn ou dans le cas d'un mélange sans plomb de SnAgCu d'un diamètre de l'ordre de 100 m sur les deux faces. Puis, on assemble les pièces dans la position de consigne et on utilise un four de reflux, de manière connue pour faire fondre électriquement la soudure et assurer la liaison mécanique. Il est facile dans ces conditions de couvrir une distance minimale d'environ 200 m entre les bosses de contact. Dans la zone comprise entre le composant semi-conducteur et la couche fonctionnelle non remplie par la soudure fondue, il est intéressant d'assurer un remplissage (remplissage par en dessous) avec un liant organique par exemple une résine époxyde. Le liant doit être élastique pour ne pas gêner la déformation de la couche fonctionnelle nécessaire à la mesure des variations de pression. Comme la membrane d'un élément de capteur de pression utilisée de manière caractéristique pour mesurer les pressions élevées est souvent en acier, on prévoit une couche d'isolation entre la membrane et la couche fonctionnelle piézoélectrique en particulier si celle-ci comporte plusieurs zones de branchement séparés électriquement les unes des autres. La structure proposée permet un traitement automatisé et la plupart des étapes s'orientent sur la surface extérieure de la membrane (plan du support de pièce) tournée vers le composant semi-conducteur. Sur ce plan, on applique tout d'abord la couche d'isolation et ensuite la couche fonctionnelle et sur celle-ci les bosses de soudure; puis, on positionne le circuit d'exploitation sous la forme du composant semi-conducteur. Avant et après le procédé de reflux, on introduit la matière de liaison organique (sous remplissage) et on protège ainsi la couche fonctionnelle contre les influences extérieures (passivation). Cela permet d'exécuter des étapes de travail les plus complexes et les plus sensibles dans la construction de l'installation de capteur à haute pression à partir d'une seule surface de référence. Ensuite, on peut relier le capteur haute pression à un ajutage de pression en soudant et l'ensemble ainsi obtenu reçoit un boîtier. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une installation de capteur haute pression, - la figure 2 est une vue de dessus d'un composant semi-conducteur appliqué à la figure 1, - la figure 3 montre les éléments fonctionnels de la couche fonctionnelle située sous le composant semi-conducteur représenté à la figure 2, - la figure 4 montre les parties d'une installation à haute pression représentée schématiquement en coupe longitudinale avec des contacts différents du composant semi-conducteur par rapport à la figure 1, - la figure 5 est une vue de dessus du composant semi-conducteur de la figure 4, - la figure 6 montre schématiquement les parties de l'installation de capteur haute pression de la figure 1 à l'état monté dans un boîtier, -la figure 7 est une vue d'ensemble d'une installation de capteur haute pression représentée schématiquement en coupe longitudinale, - la figure 8 est une vue d'ensemble d'une installation de capteur haute pression selon l'état de la technique en coupe longitudinale, et - la figure 9 est une vue éclatée d'une installation de capteur haute pres- sion selon la figure 8 correspondant à l'état de la technique. Description des modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement un élément de capteur de pression 1 ayant un substrat en acier 2, une membrane 3, une couche d'isolation 4 et une couche fonctionnelle 5. Le substrat en acier 2 entoure globalement avec la membrane 3 également en acier, une chambre de pression 6; cette chambre est couplée à un branchement hydraulique de façon que la pression puisse agir dans la chambre hydraulique ainsi raccordée sur la membrane 3. Son épaisseur est dimensionnée pour que sous l'effet des pressions envisagées, elle subisse une déformation mécanique élastique. Une couche fonctionnelle 5 est appliquée sur la membrane 3 avec interposition d'une couche d'isolation 4 par exemple en oxyde de silicium, en nitrure de silicium ou en oxyde métallique. La couche fonctionnelle 5 est en une matière piézorésistante par exemple en un alliage NiCrSi. Cette couche produit une variation de résistance ou une tension piézoélectrique lors de la déformation comme conséquence du débatte-ment de la membrane 3. Cette variation ou cette tension peuvent être détectées et mesurées. La figure 3 montre les éléments fonctionnels 7, 8 de la couche fonctionnelle 5 formant un montage en pont avec des zones de branchement 9, 10, 11, 12. Des signaux électriques peuvent être détectés dans ces zones de branchement et être appliqués à un circuit d'exploitation comme le montre la figure 2 sous la forme d'un composant semi-conducteur 13. Celui-ci est formé d'une puce en silicium qui contient les éléments fonctionnels semi-conducteurs sous la forme de portes logiques ou éléments analogues. Comme le montre la figure 2, les zones de branchement électrique 9, 10, 11, 12 de la couche fonctionnelle sont raccordées aux points de branchement de l'élément de composant semi-conducteur 13 situé chaque fois sur les languettes 14, 15, 16, 17 de cet élément de composant semiconducteur 13. Les languettes sont reliées par des ponts étroits au noyau de l'élément de composant semi-conducteur. On arrive ainsi à une forte élasticité de sorte que sous l'effet de dilatation thermique différente de la couche fonctionnelle 5 et de l'élément de composant semi-conducteur 13, ces dilatations sont compensées par la déformation élastique des languettes 14, 15, 16, 17. Les languettes sont installées sur l'élément de composant semi-conducteur 13 en étant tout d'abord logées par un côté dans des rainures de l'élément qui ne traversent pas complètement l'élément mais ont une profondeur définie; puis, on usine l'élément de composant semi-conducteur à partir de l'autre côté jusqu'à atteindre le fond de la rainure pour séparer les languettes du noyau de l'élément de composant semi-conducteur. L'élément de composant semi-conducteur 13 comporte en plus des points de branchement indiqués, d'autres branchements 18, 19 qui fournissent les signaux de mesure prétraités par l'élément de composant semi-conducteur. Des bosses de soudure appropriées comme celles présentées à la figure 1 par exemple sous les références 20, 21 et qui réali- sent une liaison conductrice entre le composant semi-conducteur 13 et la couche fonctionnelle 5, appliquent ces signaux de sortie à la couche fonctionnelle 5 d'où ils sont transmis par les fils de branchement 22, 23 à un branchement extérieur de l'installation de capteur haute pression. La figure 4 montre un élément de capteur de pression 1 muni d'une couche d'isolation 4 et d'une couche fonctionnelle 5 comme celle représentée à la figure 1; l'élément de composant semi-conducteur 13' est relié électriquement à la couche fonctionnelle 5 par des bosses de soudure 20, 21 assurant la liaison électrique; à la différence toutefois de la figure 1, après traitement par l'élément de composant semi-conducteur 13', les signaux de sortie ne sont pas renvoyés à la couche fonctionnelle 5 mais sont appliqués par les contacts traversant 24, 25 directement sur le côté supérieur du composant semi-conducteur 13' et de là ils sont trans- mis par les fils de branchement 26, 27 à un branchement extérieur de l'installation de capteur haute pression. La figure 5 montre une vue de dessus correspondante de l'élément de composant semi-conducteur 13'. Les zones de branchement 9, 10, 11, 12 correspondent à la disposition de la figure 2. Toutefois, les branchements supplémentaires 18, 19 sont réalisés différemment à savoir à l'aide de contacts traversant 24, 25 comme cela a déjà été indiqué à l'aide de la figure 4. La figure 6 montre schématiquement l'installation des parties décrites cidessus d'une installation de capteur à haute pression dans un boîtier en référence à un mode de réalisation selon les figures 1, 2, 3. A la différence des figures 1 et 4, l'élément de composant semiconducteur 13 est encore plus simplifié et il n'y a pas de remplissage par en dessous comme celui portant la référence 28 aux figures 1 et 4. Ce remplissage est formé de manière caractéristique d'une résine époxyde et occupe l'intervalle entre l'élément de composant semi-conducteur 13, 13' et la couche fonctionnelle respective 5, entre les bosses de soudure 20, 21. De plus, la matière organique permet de relier solidairement les deux parties; toutefois il faut que la matière assurant ce remplissage présente une certaine élasticité pour éviter d'influencer la couche fonctionnelle lors des débattements de la membrane. La figure 6 montre que l'élément de capteur de pression 1 est soudé solidairement et de manière étanche du point de vue hydraulique dans la zone 29 avec l'ajutage de pression 30. Cette zone est reliée solidairement à une bride à six pans 31. La bride à six pans 31 porte un boîtier en matière plastique 32 qui entoure l'élément de composant semi- conducteur 13. Le boîtier 32 porte en outre des branchements extérieurs fixes sous la forme de broches métalliques 33, 34; ces broches peuvent par exemple constituer des broches de connecteur. Les broches métalli- ques 33, 34 sont reliées par une soudure ou par de la matière coulée 35 solidairement au boîtier 32. Les lignes d'alimentation 22, 23 servent à re- lier l'élément de composant semi-conducteur 13 aux branchements exté-rieurs 33, 34. Des éléments de commutation discrets peuvent être prévus dans le boîtier 32 ou dans un autre boîtier non représenté à la figure 6, situé plus à l'extérieur; ces éléments de commutation sont reliés aux lignes d'alimentation 22, 23 ou intégrés à celles-ci par exemple sous la forme de résistances ou de condensateurs qui servent à protéger le circuit de l'installation de capteur haute pression par exemple contre les rayonnements électromagnétiques parasites. A l'intérieur du boîtier 32 et/ou les parties du boîtier situées plus à l'extérieur et qui sont représentées à la figure 7, peuvent être au moins en partie noyées avec une matière coulée, usuelle pour assurer la solidité, l'étanchéité et la protection électrique. L'installation de capteur haute pression telle que représentée est simple et économique à fabriquer et se raccorde d'une manière particulièrement simple à une installation haute pression; les signaux de mesure émis sont prétraités et peuvent ensuite être simplement traités. La présente invention relie l'installation décrite de faible hauteur avec une grande fiabilité et une grande tenue. Il est évident que les différentes caractéristiques peuvent être combinées de différentes manières sans sortir du cadre de l'invention. NOMENCLATURE 14, 15, 16, 17 18, 19 20, 21 22, 23 24, 25 26, 27 28 29 31 32 33, 34 Elément de capteur de pression Substrat en acier Membrane Couche d'isolation Couche fonctionnelle Chambre de pression Eléments fonctionnels Zones de branchement Circuit électrique; élément de composant semi-conducteur Languettes Autres branchements Bosses de soudure Fils de branchement Contacts traversant Fils de branchement Remplissage par en dessous Zone Ajutage de pression Bride à six pans Boîtier en matière plastique Branchements extérieurs REVENDICATIONS 1 ) Installation de capteur haute pression comportant un élément de capteur (1) et un circuit électrique (13, 13') notamment sous la forme d'un élément de composant semi-conducteur, l'élément de capteur de pression (1) ayant une membrane (3) déformable sous l'action de la pression ainsi qu'une couche fonctionnelle (5) dont la propriété électrique change lorsqu'elle est déformée, et au moins une zone de branchement électrique (9, 10, 11, 12), caractérisée en ce que le circuit électrique (13, 13') est relié directement à la zone de branche-ment électrique par une couche de soudure. 2 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce que la couche fonctionnelle (5) est reliée en surface avec la membrane (3). 3 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce qu' une couche d'isolation (4) est prévue entre la couche fonctionnelle (5) et la 20 membrane (3). 4 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce que le circuit électrique (13, 13') est relié à deux zones de branchement (9, 10, 11, 12) de la couche fonctionnelle (5) par l'intermédiaire de la couche de soudure (20, 21), et le circuit électrique (13, 13') comporte entre les deux zones de branchement (9, 10, 11, 12), au moins un élément de forme élastique (14, 15, 16, 17) pour compenser les dilatations thermiques. 5 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce que la membrane (3) est en acier. 6 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, 35 caractérisée en ce que la couche fonctionnelle (5) est en une matière piézoélectrique. 7 ) Installation de capteur haute pression selon la revendication6, caractérisée en ce que la couche fonctionnelle (5) est en un alliage NiCrSi. 8 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, 5 caractérisée en ce que le circuit électrique se présente sous la forme d'un élément de composant semi-conducteur (13, 13') dont la face inférieure tournée vers la couche fonctionnelle (5) a une métallisation en aluminium additionnée de quelques pourcent de silicium et de cuivre, couverte par une couche de nickel. 9 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce que dans au moins une zone sans couche de soudure, le circuit électrique (13, 13') est relié à la couche fonctionnelle (5) par l'intermédiaire d'un matériau 15 de liaison organique (28). 10 ) Installation de capteur haute pression selon la revendicationl, caractérisée en ce que le circuit électrique (13, 13') et l'élément de capteur (1) sont entourés par un boîtier comportant un branchement extérieur électrique (33, 34) et logeant en outre des composants de comuntation du circuit électrique (13, 13') et/ou de l'élément de capteur de pression (1). 11 ) Procédé de fabrication d'une installation de capteur haute pression 25 selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le circuit électrique (13, 13') est relié aux zones de branchement (9, 10, 11, 12) de la couche fonctionnelle (5) en appliquant tout d'abord une soudure sur l'un des deux éléments puis en assemblant les deux éléments et en les soudant par un procédé de soudage.