Brevet FR3050268A1 — publié le 20171020

Capteur de pression capacitif à membrane DESCRIPTION Domaine technique L'invention se rapporte à un capteur de pression capacitif à membrane, un dispositif de traitement de l'information comprenant un tel capteur, et un transmetteur comprenant un tel dispositif. Etat de la technique Il est connu de réaliser des capteurs de pression en mesurant la déformation d'une membrane soumise à cette pression. Cette mesure de la déformation peut se faire par des moyens piezorésistifs ou des moyens capacitifs. Les moyens capacitifs consistent en une électrode placée sur une membrane déformable, en regard d'une autre électrode placée sur un support immobile, à une distance déterminée, les deux électrodes et l'espace interstitiel constituant un condensateur. La pression déforme la membrane et fait varier la distance entre les deux électrodes, faisant varier la capacité du condensateur. Une lecture de cette variation de capacité permet de calculer la variation de distance et par conséquent la pression exercée. Il est connu de réaliser des capteurs capacitifs de pression à membrane comportant des éléments en silicium. Un mode de réalisation connu de ces capteurs comporte des systèmes microélectromécaniques, appelé couramment MEMS (Micro Electro Mechanical Systems selon la terminologie anglo saxonne). Des empilements de couches de verre et de silicium comportent des surfaces conductrices qui forment une membrane, 3050268 2 se déplaçant par rapport à un support immobile. Ce type de capteur est issu d'une galette ou plaque de silicium isolant non dopé appelée couramment wafer selon la terminologie anglo-saxonne, et peut être de très petite dimension. 5 Des surfaces conductrices sont formées sur le silicium pour réaliser un chemin électrique et des fonctions de composants électronique. Cependant, afin de constituer l'espacement entre les électrodes, il est nécessaire de venir assembler les différentes couches entre elles par collage ou soudure. 10 De plus, du fait de la petite taille de ce type de capteur, les connexions électriques vers un dispositif de traitement des informations nécessite l'utilisation d'outils de soudure des connecteurs très précis. Dans le cas de la réalisation du dispositif de traitement directement sur le wafer formant capteur, le même degré de précision est nécessaire 15 Ces modes de réalisation nécessitent des moyens importants et particuliers pour la fabrication de ces capteurs et leur connexion électrique, tel que des salles blanches, des outils de micro soudure nécessitant de lourds investissements. 20 Un exemple connu de connexion se fait par câblage par fil ou pontage (wire bonding selon la terminologie anglo saxonne) de fil de section de l'ordre d'une vingtaine de micromètres. Un autre inconvénient est que le capteur ainsi réalisé est soumis aux 25 agressions de l'environnement. Il est connu de remédier à ce désavantage en encapsulant le capteur dans un réceptacle rempli d'huile, et en transférant la pression exercée par le biais d'une membrane constitutive de ce réceptacle. Cette opération augmente le nombre de pièces nécessaires à la fabrication 30 du capteur. 3050268 3 Il est connu également l'intégration autour du capteur d'un dispositif de traitement des informations fournies par ce capteur, apte à transmettre ensuite des informations sur la pression mesurée, soit par un connecteur filaire amovible, soit par un dispositif sans fil. 5 Cela a l'avantage de fournir une information directe de la pression exercée. Ce dispositif de traitement et de transmission est de manière connue un circuit électronique sur une plaque de circuit imprimé appelé couramment PCB (Printed Circuit Board selon la terminologie anglo-saxonne). Le capteur peut être également supporté par le PCB. 10 L'inconvénient de ce dispositif de traitement et de transmission est le nombre de pièces supplémentaires au capteur, et la connexion du capteur au PCB, nécessitant de la microsoudure. En cas de défaillance du fait d'une soudure rompue, la réparation nécessite un équipement complexe 15 que les utilisateurs n'ont pas à leur disposition, et il est habituel pour les utilisateurs de remplacer la totalité plutôt que de réparer. De plus, en cas de dysfonctionnement d'une partie du dispositif de traitement et de transmission, soit par exemple le capteur, l'unité de traitement ou l'unité de transmission, la totalité du dispositif de traitement 20 et de transmission est remplacé pour les mêmes raisons. Les coûts de maintenance s'en trouvent augmentés. Il existe donc un réel besoin de proposer un capteur palliant ces défauts, inconvénients et obstacles de l'art antérieur, en particulier d'un 25 capteur simple à réaliser sans investissements lourds, facile à assembler, à connecter et à réparer, ainsi qu'un dispositif de traitement et de transmission comportant ce capteur, permettant de réduire les coûts et de simplifier la maintenance. 30 3050268 4 Description de l'invention L'invention concerne un capteur de pression capacitif à membrane, comportant deux surfaces espacées et en regard l'une de l'autre, chacune 5 des surfaces comportant au moins une portion formant une électrode, la première surface étant celle d'une membrane déformable venue de matière avec un support rigide et la deuxième surface étant celle d'une plaque de circuit imprimé. Cela permet d'obtenir un capteur simple à réaliser sans investissement lourd, facile à assembler, à connecter et à 10 réparer. Selon une première variante, la membrane déformable est en matériau conducteur et forme l'électrode. Cela permet de simplifier la fabrication de l'électrode qui est la membrane déformable. 15 Selon une seconde variante, le support rigide est en appui sur la plaque du circuit imprimé. Cela permet de limiter les pièces constitutives du capteur à une membrane déformable et une plaque de circuit imprimé. Cela permet également de pouvoir connecter simplement l'électrode sur la surface de la 20 membrane déformable à la plaque du circuit imprimé. Selon un mode de réalisation illustré ici, le capteur de pression capacitif à membrane comporte un joint d'étanchéité. Cela permet d'améliorer l'étanchéité du capteur. 25 Selon une troisième variante, le support rigide est maintenu en appui sur la plaque du circuit imprimé par un moyen de retenue. Selon un mode de réalisation illustré ici, le moyen de retenue est réalisé 30 par sertissage. Ce moyen de retenue est simple à mettre en oeuvre et ne nécessite pas d'équipement complexe. 3050268 5 Selon une quatrième variante, l'électrode de la membrane déformable est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé. Cela permet d'augmenter les capacités mesurées et leurs variations. 5 Selon une cinquième variante, l'électrode de la membrane déformable est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé par le socle rigide. Cela permet de réduire le besoin de souder à la surface de la membrane déformable un connecteur électrique et donc rend le capteur plus robuste et plus simple à fabriquer. 10 Il est aussi prévu, selon l'invention, un dispositif de mesure d'une pression comportant un capteur capacitif à membrane présentant au moins l'une des caractéristiques techniques précédentes. Cela permet de traiter le signal sur la plaque du circuit imprimé et donc de simplifier la fabrication, 15 rendre l'ensemble compact et robuste et réduire les coûts. Le dispositif est relié à au moins une électrode du circuit imprimé et à une seconde électrode de l'un parmi le circuit imprimé ou la membrane déformable. 20 Il est aussi prévu, selon l'invention, un transmetteur de la mesure d'une pression comportant un dispositif de mesure d'une pression présentant la caractéristique technique précédente. Cela permet de récupérer les données pour les enregistrer ou les analyser à un autre endroit, limitant donc l'encombrement nécessaire du dispositif de mesure, le rendant plus 25 compact. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif. 30 3050268 6 Brève description des figures - La figure 1 représente une vue isométrique d'un mode de réalisation d'un dispositif de mesure d'une pression comportant un capteur capacitif à membrane selon l'invention. 5 - La figure 2 représente une vue en coupe selon AA du dispositif de la figure 1. - La figure 3 représente une vue de détail d'une membrane déformable de la figure 2. - La figure 4 représente une vue en coupe selon BB du dispositif 10 de la figure 1. - La figure 5 représente une vue éclatée isométrique des éléments constitutifs du dispositif de la figure 1. - La figure 6 représente une seconde vue éclatée isométrique des éléments constitutifs du dispositif de la figure 1. 15 - Les figures 7 à 9 représentent des vues en coupe selon AA d'un support et d'un circuit imprimé du dispositif de la figure 1 selon différentes variantes de réalisation. - Les figures 10 et 11 représentent des vues en coupe selon AA de dispositifs selon l'invention selon deux variantes de réalisation. 20 Le dispositif de mesure d'une pression comportant un capteur capacitif à membrane est référencé dans l'espace selon la figure 2 pour les termes tel que haut, bas, latéral, avant ou arrière. Le dispositif est considéré comme placé verticalement sur la figure 2, 25 la partie haute du dispositif est considérée comme étant en haut. Le terme circuit imprimé tel qu'utilisé dans la description et les revendications est défini de la manière suivante: 30 Un circuit imprimé appelé couramment PCB (Printed circuit board selon la terminologie anglo-saxonne) est un support, en général une 3050268 7 plaque, permettant de maintenir et de relier électriquement un ensemble de composants électroniques entre eux, dans le but de réaliser un circuit électronique. Le circuit imprimé peut comporter des pistes conductrices sur un 5 support isolant, mono ou multicouches. Le support peut être rigide ou semi rigide en regard de la membrane. Les plaques silicium utilisés dans le domaine de la microélectronique n'entrent pas dans la désignation du circuit imprimé tel que défini car elles ne supportent pas de composants électroniques. 10 A titre d'exemple de supports isolant ou diélectrique utilisable pour réaliser un circuit imprimé, on peut citer des support organiques laminés ou pré-imprégnés en matériaux tel que des Epoxydes, de la bakélite, des Polyimides, du papier, ou des composites à matrice organique présentant des renforts tels que des fibre de verre, 15 Il est possible d'utiliser des supports non organiques tel que des céramiques pour réaliser un circuit imprimé. Le PCB peut être constitué de manière connue par une plaque alternant des couches isolantes et des couches fines de cuivre sur laquelle est 20 dessiné le routage, soit le schéma du circuit électrique. Le PCB peut être constitué de manière connue par une plaque céramique sur laquelle est déposé le routage du schéma électrique par un moyen d'impression tel que la sérigraphie par exemple. 25 Le terme conducteur pour une surface signifie qu'elle peut est capable de laisser passer un courant électrique. EXEMPLES OU MODES DE REALISATION 30 La figure 1 présente un transmetteur de la mesure d'une pression 1 comportant un dispositif de mesure d'une pression 11, lui-même 3050268 8 comprenant un capteur de pression capacitif à membrane 2 selon un mode de réalisation. Le transmetteur de la mesure d'une pression 1 comporte une partie massive 3 destinée à être monté sur un réservoir de fluide sous pression 5 non illustré ici. Cette partie massive 3 présente un filetage 3a dans sa partie inférieure pour le montage sur le réservoir de fluide sous pression. Cette partie massive 3 est venue de matière avec une membrane déformable 32 délimitant un espace inférieur 36 et un espace supérieur 35. Le transmetteur de la mesure d'une pression 1 comporte également 10 un capotage partiellement ouvert 4 destiné à protéger des broches 5 connectées à un circuit électronique 7, supporté par un circuit imprimé appelé PCB 6 placé dans l'espace supérieur 35 Le transmetteur 1 comporte également un joint torique 8 placé entre le capotage partiellement ouvert 4 et le circuit imprimé 6. 15 Les broches 5 connectées au circuit électronique 7 supporté par le circuit imprimé PCB 6 permettent la transmission de la mesure d'une pression via un câble, non illustré ici, qui vient se brancher sur les broches 5. 20 Selon une variante de réalisation non illustrée ici, la transmission de la mesure d'une pression se fait par l'émission d'onde radio, par technologie Bluetooth, par ondes infra-rouge ou par tout autre moyen sans fil. Le transmetteur peut comporter un émetteur avec sa source d'énergie 25 embarquée ou qui nécessite une alimentation extérieure. Selon une autre variante de réalisation, le circuit électronique 7 et les composants électroniques 70 supportés par le circuit imprimé PCB 6 permettent de réaliser cette fonction de transmission par émission ou la fonction d'alimentation en énergie du transmetteur selon des moyens 30 connus dans le domaine. 3050268 9 Un circuit imprimé PCB supporte un circuit électronique permettant de mesurer une pression à partir de données issues d'un capteur de pression capacitif à membrane 2. Ce circuit imprimé PCB et ce circuit électronique sont, dans l'exemple illustré ici, confondus avec le circuit 5 imprimé PCB 6 et le circuit électronique 7 permettant la transmission de la mesure de pression du capteur capacitif à membrane 2. La réalisation d'un tel circuit électronique 7 ainsi que les composants électroniques 70 nécessaires pour mesurer une pression à partir des informations issues d'un capteur capacitif sont connus de l'art antérieur. 10 Selon un autre mode de mise en oeuvre non illustré ici, un circuit intégré propre à une application appelé couramment ASIC (Application Specific Integrated Circuit selon la terminologie anglo-saxonne), permettant le traitement des informations issues du capteur de pression capacitif à membrane 1 peut être directement collé à côté dudit capteur 1. 15 Les connexions électriques peuvent être réalisées par pontage. Le circuit électrique 7 reliant les composants électroniques 70 est alors réalisé par les fils de câblage, et le circuit imprimé PCB 6 est alors constitué du circuit ASIC et du capteur de pression 1 assemblés. 20 Un capteur de pression capacitif à membrane 2 est réalisé selon l'invention. Il comporte deux surfaces 30,60 espacées et en regard l'une de l'autre par une espace ou un entrefer « e ». chacune des surfaces 30,60 comportant au moins une portion formant au moins une électrode 61,31, la première surface 30 étant celle d'une membrane déformable 32 venue de 25 matière avec un support rigide 33 et la deuxième surface 60 étant celle d'une plaque de circuit imprimé 6. Cela permet d'obtenir un capteur de pression 2 simple à réaliser sans investissement lourds, facile à assembler, à connecter et à réparer. Selon un mode de réalisation de l'invention illustré figure 3, 30 l'espacement ou entrefer « e » peut correspondre à un décroché réalisé dans la partie massive 3. 3050268 10 Mais l'espacement ou entrefer « e » peut correspondre à un décroché réalisé dans le circuit imprimé PCB6 comme illustré sur la figure 8 selon un autre mode de réalisation. Selon un autre mode de réalisation illustré figure 9, l'espacement ou 5 entrefer « e » est obtenu par un anneau d'épaisseur « e » intercalé entre le circuit imprimé PCB et le support rigide 33 de la membrane déformable. Bien entendu, l'espacement ou entrefer « e » peut être obtenu par une combinaison des solutions présentée ou par tout autre moyen équivalent. 10 Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 1 à 6, le support rigide 33 est au moins partiellement périphérique et est venu de matière avec la partie massive 3. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 7 et 8, le support 15 rigide 33 de la membrane déformable 32 est un élément indépendant de la partie massive 3, en forme générale de disque. Selon une première variante, la membrane déformable 32 est en matériau conducteur et forme l'électrode 31. Cela permet de simplifier la fabrication 20 de l'électrode. Selon un autre mode de réalisation, la membrane déformable 32 est en matériau non conducteur tel qu'en matériau plastique par exemple, et la surface 30 de la membrane déformable 32 est revêtue d'un revêtement métallique conducteur électrique formant électrode 31. Le dépôt de ce 25 revêtement peut être fait à tire d'exemple par dépôt galvanique, vernis conducteur comportant des particules métalliques, au tout autre moyen apte à rendre cette surface 31 conductrice. Selon un mode de réalisation non illustré ici, la membrane déformable 32 30 est un circuit imprimé PCB. 3050268 11 Selon une seconde variante, le support rigide 33 est en appui sur la plaque du circuit imprimé 6. Cela signifie que le support rigide 33 et la plaque 6 du circuit imprimé 6 sont en contact l'une contre l'autre. 5 Cela permet de limiter les pièces constitutives du capteur 2 à une membrane déformable 32 et une plaque de circuit imprimé PCB 6. Cela permet de conserver un espace ou entrefer « e » constant et garantir une mesure répétable de la pression exercée sur la membrane déformable 32. 10 Selon un mode de réalisation illustré ici, le capteur de pression capacitif à membrane 2 comporte un joint d'étanchéité 8. Ce joint d'étanchéité est un joint torique en matière élastiques telle qu'un caoutchouc Cela permet d'améliorer l'étanchéité du capteur 2 et de limiter ainsi les agressions de l'environnement à l'encontre du circuit imprimé 6. 15 Cela permet également de limiter les contraintes exercées sur le circuit imprimé PCB 6 et le support 33 de la membrane déformable 32 pour les maintenir en appui l'un contre l'autre. Cela permet également de rattraper des jeux éventuels des pièces constitutives d'un moyen d'appui du circuit imprimé PCB 6 contre le 20 support rigide 33 de la membrane déformable 32. Comme illustré sur les figures 2 et 4, ce joint d'étanchéité 8 permet également d'étanchéifier l'espace ou entrefer « e » entre les deux surfaces 31,61 en regard. Cela permet de créer un volume d'air confiné, ce qui 25 permet de réaliser une mesure de pression en pression absolue. Comme illustré sur la figure 6, la surface 60 du circuit imprimé PCB 6 peut comporter plusieurs portions formant électrodes 61, 62, 63. Ces électrodes fonctionnent toutes avec l'électrode 31 de la membrane 30 déformable 32 pour former des capteurs capacitifs concentriques. Cela permet d'avoir une mesure relative de la pression plus précise. 3050268 12 En effet, ces variation capacitives obtenues par des électrodes 61,62,63 concentriques permettent de prendre en compte dans le calcul de la mesure de pression les déformations de la membrane déformable 32 importantes en son centre et réduite au fur et à mesure d'un 5 rapprochement des bords du support rigide 31 de la membrane déformable 32. Le support rigide 32 est maintenu en appui sur la plaque du circuit imprimé PCB 6 par un moyen de retenue 34. 10 Ce moyen de retenue peut être constitué par exemple de deux anneaux encapsulant le capteur et vissé ensemble autour du capteur, ou collés, ou soudés non représenté ici. Comme illustré sur les figures 2 et 4, le moyen de retenue 34 est réalisé 15 par sertissage et correspond à une collerette périphérique 34 sur la partie haute de la partie massive 3 est rabattue sur le capotage partiellement ouvert 4 par sertissage, roulage, ou déformation plastique. Ce moyen de retenue 34 est simple à mettre en oeuvre et ne nécessite pas d'équipement complexe. 20 Selon une variante de réalisation, l'électrode 31 de la membrane déformable 32 est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé PCB 6. Cela permet de simplifier la connexion des électrodes 31,61 au circuit électronique 7 du dispositif de mesure de pression 7 pour le 25 traitement des informations. Selon un mode de réalisation alternatif non illustré ici, la connexion de l'électrode 31, 61 au circuit électronique de mesure de la pression 7 se fait par des fils électriques 30 Selon un autre mode de réalisation, la surface 30 de la membrane déformable 32 formant électrode 31 n'est pas connectée électriquement au 3050268 13 reste du dispositif. De plus la surface 60 du circuit imprimé PCB 6 en regard de cette électrode 31 de la membrane déformable 32 comporte au moins deux portions formant deux électrodes 61, 62 sur le circuit imprimé. Ces deux électrodes 61, 62 du circuit imprimé PCB 6 forment les deux 5 électrodes du capteur de pression capacitif 2. L'électrode 31 de la membrane déformable 32 sert d'intermédiaire entre les deux électrodes 61, 62 du circuit imprimé PCB 6 et permet ainsi de former deux capacités ou condensateurs montés en série. Cela permet de simplifier la connexion des électrodes, car seules les électrodes 61,62 du circuit imprimé doivent 10 être connectées électriquement au circuit électronique 7 pour le traitement des informations du capteur 2 pour obtenir une mesure de la pression exercée sur la membrane déformable 32. Selon une cinquième variante, l'électrode 31 de la membrane déformable 15 32 est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé PCB 6 par le socle rigide 33. Cela permet de pouvoir connecter électriquement et simplement l'électrode 31 sur la surface 30 de la membrane déformable 32 via le support rigide 33 à la plaque du circuit imprimé PCB 6. Il est ainsi aisé de connecter les 20 deux électrodes 31,61 au circuit électronique 7 de mesure de la pression. Cela permet d'éviter de souder à la surface 30 de la membrane déformable 32 une connexion électrique et donc de rendre le capteur 2 plus robuste et plus simple à fabriquer. 25 Ainsi, selon l'une des caractéristiques des variantes ou modes de réalisation présentés, pris en combinaison ou isolément, le circuit électronique 7 supporté par le circuit imprimé PCB 6 est relié à au moins une électrode 61,62, 63 du circuit imprimé PCB 6 et à une seconde électrode 61, 62, 63, 31 de l'un parmi le circuit imprimé PCB 6 ou la 30 membrane déformable 32 pour former un capteur de pression capacitif 2. 3050268 14 Un dispositif de mesure d'une pression 11 comportant un capteur capacitif à membrane 2 présentant au moins l'une des caractéristiques techniques précédentes permet de traiter le signal directement sur la plaque du circuit imprimé PCB 6 et donc de simplifier la fabrication, rendre l'ensemble du 5 dispositif compact et robuste et réduire les coûts. Un transmetteur de la mesure d'une pression comportant un dispositif de mesure d'une pression présentant la caractéristique technique précédente permet de récupérer les données pour les enregistrer ou les analyser à un 10 autre endroit, et limite donc l'encombrement nécessaire du dispositif de mesure Sur les figures 10 et 11 sont présentées des variantes du capteur, mesureur ou transmetteur selon l'invention aptes à être insérées dans une 15 partie massive 3. Cela permet de créer un dispositif tel qu'un capteur, mesureur ou transmetteur compact et pouvant être utilisé simplement sur les équipements nécessitant la mesure d'une pression. La partie massive 3 comporte un joint torique 81 sur sa périphérie extérieure, l'ensemble pouvant être insérée dans un logement débouchant 20 sur le réservoir dont la pression doit être mesurée tout en garantissant une étanchéité satisfaisante. REVENDICATIONS1. Capteur de pression capacitif à membrane (2), comportant deux surfaces (30,60) espacées et en regard l'une de l'autre, chacune des surfaces (30,60) comprenant au moins une portion formant une électrode(31, 61), la première surface (30) étant celle d'une membrane déformable (32) venue de matière avec un support rigide (33), caractérisé en ce que la deuxième surface (60) est celle d'une plaque de circuit imprimé (6). 2. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane déformable (32) est en matériau conducteur et forme l'électrode (31). 3. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le support rigide (33) est en appui sur la plaque du circuit imprimé (6). 4. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un joint d'étanchéité (8) 5. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que le support rigide (32) est maintenu en appui sur la plaque du circuit imprimé (6) par un moyen de retenue (34). 6. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de retenue est réalisé par sertissage. 3050268 16 7. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode (31) de la membrane déformable (32) est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé (6). 5 8. Capteur de pression capacitif à membrane (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'électrode (31) de la membrane déformable (32) est connectée électriquement à la plaque du circuit imprimé (6) par le socle rigide (33). 10 9. Dispositif de mesure d'une pression (11) caractérisé en ce qu'il comporte un capteur capacitif à membrane (2) selon l'une des revendications 1 à 8. 15 10.Transmetteur de la mesure d'une pression (1) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure d'une pression (11) selon la revendication 9.