Brevet FR3086058A1 — publié le 20200320

Titre de l'invention Capteur de pression miniaturisé Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des capteurs de pression, et plus particulièrement des capteurs de pression comprenant une jauge extensométrique. Les capteurs de pression comprennent généralement une jauge extensométrique formée par un pont de Wheatstone installé sur un corps 10 déformable. Le corps de déformation est soumis à la pression d'une ligne de fluide et la pression dudit fluide est déterminée par mesure de la déformation du corps de déformation. De tels capteurs de pression permettent une mesure de 15 pression précise, et sont ainsi typiquement utilisées dans le domaine aérospatial. Les capteurs peuvent par exemple être utilisés pour mesurer la pression d'un fluide stocké dans un réservoir, ou bien pour mesurer la pression d'un fluide circulant dans un circuit fluidique. 20 Toutefois, les capteurs de pression actuels possèdent un encombrement important. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier un tel 25 inconvénient en proposant, selon un aspect possible, un capteur de pression comprenant un pont de Wheatstone formé par quatre résistances réparties en une première paire et en une deuxième paire, le capteur de pression comprenant un dispositif d'alimentation électrique connecté au pont de Wheatstone par une borne d'alimentation positive et une borne 30 d'alimentation négative, le capteur de pression comprenant un dispositif de mesure configuré pour mesurer la valeur de résistance des résistances du pont de Wheatstone qui est connecté au pont de Wheatstone par une borne de mesure positive et une borne de mesure négative, caractérisé en ce que la première paire comprend un premier axe de symétrie par 35 rapport auquel les deux résistances formant ladite première paire sont symétriques, la deuxième paire comprend un deuxième axe de symétrie 2 par rapport auquel les deux résistances formant ladite deuxième paire sont symétriques, le premier axe de symétrie étant perpendiculaire au deuxième axe de symétrie, et en ce que la borne d'alimentation positive, la borne d'alimentation négative, la borne de mesure positive et la borne 5 de mesure négative sont réparties autour du pont de Wheatstone. Le capteur peut également comprendre l'une des caractéristiques suivantes, prise seule ou en combinaison suivant les possibilités techniques : - le pont de Wheatstone, la borne d'alimentation positive, la borne d'alimentation négative, la borne de mesure positive et la borne de mesure négative sont situés sur une face principale d'un corps de déformation du capteur, et dans lequel le dispositif d'alimentation et le dispositif de mesure sont situés sur un substrat qui est situé à distance de la face principale du corps de déformation ; - le substrat est situé en regard de la face principale du corps de déformation, ledit substrat étant maintenu à distance de ladite face principale du corps de déformation par des plots métalliques situés entre ledit substrat et ladite face principale du corps de déformation ; - la borne d'alimentation positive, la borne d'alimentation 20 négative, la borne de mesure positive et la borne de mesure négative sont chacune formées par des points de colle conductrice ou de brasure par lesquels les plots métalliques sont fixés au corps de déformation ; - les plots métalliques sont en cuivre ou en alliage de cuivre ; - les résistances sont formées d'une part par une pluralité de 25 premiers segments et qui sont formés par un premier métal, et d'autre part par une pluralité de deuxièmes segments, qui relient chacun deux premiers segments entre eux, et qui sont formés par un deuxième métal comprenant une conductivité électrique supérieure au premier métal ; - le premier métal est un alliage de nickel comprenant du 30 chrome, et le deuxième métal est de l'or ou un alliage d'or. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un réservoir à l'intérieur duquel est stocké un fluide, le réservoir comprenant en outre un capteur selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes qui est configuré pour mesurer la pression du fluide stocké à l'intérieur du 35 réservoir. Selon une caractéristique possible, le fluide est un gaz liquéfié, comme par exemple du dioxygène liquide, du méthane liquide, ou du dihydrogène. Selon un troisième aspect, l'invention propose un moteur 5 cryogénique comprenant un réservoir selon la caractéristique précédente. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 10 annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un capteur selon un mode de réalisation possible du capteur selon l'invention ; 15 - la figure 2 représente une vue schématique du pont de Wheatstone formé sur le corps de déformation du capteur dans laquelle la répartition des résistances par paire est détaillée ; - la figure 3 représente la même vue schématique que la figure 2 sur laquelle la structure des résistances est détaillée. Description détaillée de lInvention Comme visible sur la figure 1, un capteur 1 de pression comprend un corps de déformation 2 situé à l'intérieur d'une cavité 3 qui est formée à l'intérieur d'un capot 4. La cavité 3 débouche à une première 25 extrémité 41 et à une deuxième extrémité 42 du capot 4. Le capteur 1 de pression comprend également un corps de prise de pression 5 qui est fixé à la première extrémité 41 du capot 4. Le corps de pression 5 comprend un canal interne 51 qui débouche en regard du corps de déformation 2. Le canal interne 51 permet d'acheminer un fluide 30 dont la pression est à mesurer par le capteur 1 vers le corps de déformation 2. Le corps de déformation 2 peut être fixé au capot 4 selon une variante possible, ou bien ledit corps de déformation 2 peut être fixé au corps de prise de pression 5, comme cela est illustré sur la figure 1. 35 Ainsi, sous la pression du fluide acheminé par le canal interne 51 du corps de prise de pression 5, le corps de déformation 2 se déforme, 4 la déformation dudit corps de déformation 2 étant fonction de la pression du fluide. Une traversée étanche 6 est disposée à la deuxième extrémité 42 du capot 4 afin de permettre à la connectique de sortir du capot 4 de 5 manière étanche, pour permettre de relier le capteur 1 à un dispositif de mesure de pression. Afin de mesurer la déformation du corps de déformation 2, comme cela est illustré sur la figure 2, le capteur 1 comprend un pont de Wheatstone 7, qui est formé par quatre résistances 71 qui possèdent 10 toutes une valeur de résistance identique, et qui est situé sur une face principale 21 dudit corps de déformation 2. Le corps de déformation 2 comprend en effet une face principale 21 et un rebord 22, la face principale 21 étant la face du corps principale qui est déformée, le rebord 22 permettant d'assurer l'encastrement du corps de déformation 2 avec le 15 capot 4 ou le corps de prise de pression 5. Le capteur 1 de pression comprend également un dispositif d'alimentation électrique 81 qui est configuré pour alimenter en énergie électrique ledit capteur 1, et un dispositif de mesure 82 qui est configuré pour mesurer la variation de résistance des résistances 71 du pont de 20 Wheatstone 7. Comme illustré sur les figures 2 et 3, le dispositif d'alimentation électrique 81 est connecté au pont de Wheatstone 7 par une borne d'alimentation positive 81a et une borne d'alimentation négative 81b, et le dispositif de mesure 82 est connecté au pont de Wheatstone 7 par une borne de mesure positive 82a et une borne de mesure négative 82b. La borne d'alimentation positive 81a, la borne d'alimentation négative 81b, la borne de mesure positive 82a et la borne de mesure négative 82b sont chacune connectée au pont de Wheatstone 7 entre une deux résistances 71. Chacune des résistances 71 du pont de Wheatstone 7 s'étend selon un axe principal d'élongation O. De plus, comme détaillée sur la figure 2, mais comme cela est également visible sur la figure 3, les résistances 71 sont réparties de manière à former deux paires, une première paire 7a et une deuxième paire 7b. Dans la variante illustrée, la première paire 7a et la deuxième paire 7b comprennent chacune deux résistances 71 qui sont parallèles. 5 Une première résistance 71 est parallèle à une deuxième résistance 71 lorsque l'axe principal d'élongation 9 de la première résistance 71 est parallèle à l'axe principal d'élongation 6 de la deuxième résistance 71. Une première résistance 71 est perpendiculaire à une 5 deuxième résistance 71 lorsque l'axe principal d'élongation 6 de la première résistance 71 est perpendiculaire à l'axe principal d'élongation 9 de la deuxième résistance 71. La première paire 7a comprend un premier axe de symétrie Aa par rapport auquel les deux résistances 71 qui forment la première paire 10 7a sont symétriques. Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 2, les deux résistances 71 qui forment la première paire 7a sont parallèles par rapport au premier axe de symétrie Aa. De même, la deuxième paire 7b comprend un deuxième axe de symétrie Ab par rapport auquel les deux résistances 71 qui forment la 15 deuxième paire 7b sont symétriques. Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 2, les deux résistances 71 qui forment la deuxième paire 7b sont parallèles par rapport au deuxième axe de symétrie Ab. Le premier axe de symétrie Aa de la première paire 7a est perpendiculaire au deuxième axe de symétrie Ab de la deuxième paire 7b. 20 Une telle caractéristique permet d'augmenter la compacité du capteur par rapport à une répartition dans laquelle toutes les résistances sont parallèles. De plus, une telle caractéristique permet d'améliorer la précision du capteur 1, notamment par obtention d'un zéro plus précis, par rapport à une disposition dans laquelle les résistances forment bien 25 deux paires de résistances parallèles mais dont les axes de symétrie ne sont pas parallèles. De plus, comme visible sur la figure 2, la borne d'alimentation positive 81a, la borne d'alimentation négative 81b, la borne de mesure positive 82a et la borne de mesure négative 82b sont réparties autour du 30 pont de Wheatstone 7. Ainsi, la borne d'alimentation positive 81a, la borne d'alimentation négative 81b, la borne de mesure positive 82a et la borne de mesure négative 82b sont chacune située en regard d'un angle différent du rectangle formé par les résistances 71. Dit autrement, la borne d'alimentation positive 81a, la borne d'alimentation négative 81b, la 35 borne de mesure positive 82a et la borne de mesure négative 82b sont chacune située dans un quart distinct du corps de déformation 21, les 6 quarts du corps de déformation 21 étant délimités par le premier axe de symétrie Aa et le deuxième axe de symétrie Ab. Par ailleurs, les bornes d'alimentation positive 81a, d'alimentation négative 81b, de mesure positive 82a et de mesure 5 négative 82b peuvent être symétriquement réparties autour du centre de symétrie du corps de déformation 21, le corps de déformation 21 possédant une symétrie centrale. Les inventeurs se sont rendus compte que, le fait que le premier axe de symétrie Aa et le deuxième axe de symétrie Ab soient 10 perpendiculaires, et le fait que les bornes d'alimentation positive 81a, d'alimentation négative 81b, de mesure positive 82a et de mesure négative 82b soient réparties autour desdites résistances 71, est une disposition plus compacte, notamment par rapport à une disposition dans laquelle les résistances sont toutes parallèles et les bornes sont toutes 15 situées d'un même côté du corps de déformation. Le dispositif d'alimentation 81 et le dispositif de mesure 82 sont situés sur un substrat 9 qui est situé à distance de la face principale 21 du corps de déformation 2, permettant ainsi de réduire la taille de la face principale 21. Le substrat 9 peut être un circuit imprimé sur lequel sont 20 fixés le dispositif d'alimentation 81 et le dispositif de mesure 82. De manière avantageuse, le substrat 9 est situé en regard de la face principale 21 du corps de déformation 2 et est maintenu à distance de ladite face principale 21 par des plots métalliques 91. Les plots métalliques 91 permettent d'assurer que le corps de déformation 2 puisse 25 se déformer sans être perturbé par le substrat 9. De plus, une telle caractéristique permet de réduire la largeur du capteur 1 de pression, notamment par rapport à une variante dans laquelle le substrat 9 est fixé sur le rebord 22 du corps de déformation 2. De manière préférentielle, afin de limiter la différence de 30 température entre le substrat 9 et le pont de Wheatstone 7, et ainsi augmenter la précision du capteur 1, les plots métalliques 91 sont en cuivre ou en alliage à base de cuivre. Par alliage à base de cuivre on comprend ici un alliage dont le principal constituant est le cuivre. De plus, afin de simplifier le capteur 1 et de réduire d'avantage 35 l'encombrement dudit capteur 1, les bornes d'alimentation positive 81a, d'alimentation négative 81b, de mesure positive 82a et de mesure 7 négative 82b sont formées par des points de colle conductrice ou de brasure. Ces points de colle conductrice ou de brasure assurent la fixation des plots métalliques 91 au corps de déformation 2. Ainsi, dans cette variante le capteur comprend quatre plots métalliques 91, et les plots 5 métalliques 91 assurent également une fonction de connexion entre le pont de Wheatstone 7 et les composants électroniques présents sur le substrat 9, notamment le dispositif d'alimentation 81 et le dispositif de mesure 82. Comme visible sur la figure 3, les résistances 71 sont 10 formées par une pluralité de premiers segments 71a et de deuxièmes segments 71b, chaque deuxième segment 71b reliant deux premiers segments 71a entre eux. Les premiers segments 71a de chaque résistance 71 peuvent être parallèles entre eux, par exemple en étant perpendiculaires à l'axe principal d'élongation 0 de la résistance 71. Les 15 deuxièmes segments 71b de chaque résistance 71 peuvent également parallèles entre eux, et peuvent être perpendiculaires aux premiers segments 71a, par exemple en étant parallèles à l'axe principal d'élongation O. Les premiers segments 71a sont en un premier métal, et les 20 deuxièmes segments 71b sont en un deuxième métal, le deuxième métal possédant une conductivité électrique supérieure au premier métal. Le premier métal peut notamment être un alliage de nickel qui comprend du chrome, et le deuxième métal est de l'or ou bien est un alliage d'or. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, les premiers 25 segments 71a possèdent une longueur supérieure aux deuxièmes segments 71b. Les résistances 71 sont ainsi fabriquées par dépôt en couche mince des premiers segments 71a et des deuxièmes segments 71b. L'invention n'est pas limitée au seul exemple de réalisation 30 illustré sur les figures 1 et 2, mais d'autres variantes sont possibles. Ainsi, par exemple, d'autres formes sont possibles pour le corps de déformation 2 qui n'est pas limité à une forme ayant une section droite circulaire comme cela est illustré sur la figure 2, mais d'autres formes sont possibles, comme par exemple une section droite carrée. 35 De plus, les résistances 71 illustrées sont de forme rectiligne, mais les résistances 71 peuvent également être en forme d'arcs de cercle. 8 La forme en arc de cercle des résistances 71 peut être réalisée en utilisant des deuxièmes segments 71b en arc de cercle, les premiers segments 71a pouvant quant à eux rester rectilignes. Le capteur 1 de pression peut typiquement être utilisé pour 5 mesurer la pression d'un fluide stocké dans un réservoir. Plus particulièrement, le réservoir est un réservoir de gaz liquéfié pour moteur cryogénique d'une fusée. Un moteur cryogénique est un moteur à propulsion chimique dans lequel le carburant et le comburant sont stockés à l'état liquide. 10 Ainsi, le réservoir dans lequel le capteur 1 mesure la pression du fluide stocké peut être un réservoir de dioxygène liquide, un réservoir de méthane liquide, ou bien encore un réservoir de dihydrogène liquide. Le capteur 1 de pression est avantageux pour mesurer la pression d'un réservoir de gaz liquéfié car le capteur 1 est un capteur 15 cryogénique, c'est-à-dire capable de fonctionner à des températures très basses (-180°C pour le dioxygène liquide, -250°C pour le dihydrogène liquide, REVENDICATIONS1. Capteur (1) de pression comprenant un pont de Wheatstone (7) formé par quatre résistances (71) réparties en une première paire (7a) 5 et en une deuxième paire (7b), le capteur (1) de pression comprenant un dispositif d'alimentation électrique (81) connecté au pont de Wheatstone (7) par une borne d'alimentation positive (81a) et une borne d'alimentation négative (81b), le capteur (1) de pression comprenant un dispositif de mesure (82) configure pour mesurer la valeur de résistance 10 des résistances (71) du pont de Wheatstone (7) qui est connecté au pont de Wheatstone (7) par une borne de mesure positive (82a) et une borne de mesure négative (82b), caractérisé en ce que la première paire (7a) comprend un premier axe de symétrie (Aa) par rapport auquel les deux résistances (71) formant ladite 15 première paire (7a) sont symétriques, la deuxième paire (7b) comprend un deuxième axe de symétrie (Ab) par rapport auquel les deux résistances (71) formant ladite deuxième paire (7b) sont symétriques, le premier axe de symétrie (Aa) étant perpendiculaire au deuxième axe de symétrie (Ab), et en ce que la borne d'alimentation positive (81a), la borne d'alimentation 20 négative (81b), la borne de mesure positive (82a) et la borne de mesure négative (82b) sont réparties autour du pont de Wheatstone (7). 2. Capteur (1) selon la revendication 1, dans lequel le pont de Wheatstone (7), la borne d'alimentation positive (81a), la borne 25 d'alimentation négative (81b), la borne de mesure positive (82a) et la borne de mesure négative (82b) sont situés sur une face principale (21) d'un corps de déformation (2) du capteur (1), et dans lequel le dispositif d'alimentation (81) et le dispositif de mesure (82) sont situés sur un substrat (9) qui est situé à distance de la face principale (21) du corps de 30 déformation (2). 3. Capteur (1) selon la revendication 2, dans lequel le substrat (9) est situé en regard de la face principale (21) du corps de déformation (2), ledit substrat (9) étant maintenu à distance de ladite face principale 35 (21) du corps de déformation (2) par des plots métalliques (91) situés 10 entre ledit substrat (9) et ladite face principale (21) du corps de déformation (2). 4. Capteur (1) selon la revendication 3, dans lequel la borne d'alimentation positive (81a), la borne d'alimentation négative (81b), la borne de mesure positive (82a) et la borne de mesure négative (82b) sont chacune formées par des points de colle conductrice ou de brasure par lesquels les plots métalliques (91) sont fixés au corps de déformation (2). 5. Capteur (1) selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel les plots métalliques (91) sont en cuivre ou en alliage de cuivre. 6. Capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les résistances (71) sont formées d'une part par une pluralité de premiers segments (71a) et qui sont formés par un premier métal, et d'autre part par une pluralité de deuxièmes segments (71b), qui relient chacun deux premiers segments (71a) entre eux, et qui sont formés par un deuxième métal comprenant une conductivité électrique supérieure au premier métal. 7. Capteur (1) selon la revendication 6, dans lequel le premier métal est un alliage de nickel comprenant du chrome, et le deuxième métal est de l'or ou un alliage d'or. 8. Réservoir à l'intérieur duquel est stocké un fluide, ledit réservoir comprenant en outre un capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 qui est configuré pour mesurer la pression du fluide stocké à l'intérieur du réservoir. 9. Réservoir selon la revendication 8, dans lequel le fluide est un gaz liquéfié. 10. Moteur cryogénique comprenant un réservoir selon la 35 revendication 8 ou la revendication 9. 30