FR2601133A1 - Dispositif de mesure des pressions et notamment des hautes pressions - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE MESURE DES PRESSIONS ET NOTAMMENT DES HAUTES PRESSIONS. CE DISPOSITIF COMPREND UN ELEMENT SENSIBLE, DIT A COUCHE EPAISSE 2 PIEZORESISTIVE APPLIQUE SUR UN SUBSTRAT ISOLANT 1 NON DEFORMABLE, LES VARIATIONS DE RESISTANCE ELECTRIQUE DUDIT ELEMENT SENSIBLE IMMERGE DANS LE MILIEU 6 A MESURER EN FONCTION DE LA PRESSION ETANT MESUREES PAR UN CIRCUIT ELECTRIQUE CLASSIQUE DU TYPE A PONT DE WHEATSTONE OU ANALOGUE.

Description

DISPOSITIF DE MESURE DES PRESSIONS ET NOTAMMENT DES
HAUTES PRESSIONS.

La présente invention concerne un dispositif de mesure des pressions et notamment des hautes pressions.

On connaît par la demande de brevet français n0 79 25084 un dispositif mesureur de pression de fluide du type comprenant un substrat scellé déformable soumis extensométriquement à la pression à mesurer, sur lequel est appliqué un élément sensible piezorésistif à couche épaisse déposée par sérigraphie, et un circuit électrique de type pont de
WHeatstone ou analogue en mesure de relever les variations de résistance dudit élément piezorésistif en fonction de la déformation du substrat.

Un tel dispositif trouve une application dans la mesure des pressions de moyenne importance (inférieure, à 200 bars), telle que le contrôle de l'injection dans l'industrie automobile ou pour tout contrôle hydraulique, cependant pour de plus hautes pressions de l'ordre de quelques centaines de bars à quelques kilobars et plus il n'est plus possible d'utiliser les déformations extensométriques du substrat qui se rompt soit au niveau du scellement, soit par déformation excessive.

L'invention a pour but essentiel la mesure des hautes pressions, de l'ordre de quelques centaines de bars à quelques kilobars, en milieu hydrostatique homogène ou hétérogène (milieux pulvérulents), ces pressions pouvant être statiques ou rapidement variables.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure des pressions et notamment des hautes pressions, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible, dit à couche épaisse piézorésistive appliqué sur un substrat isolant non déformable, les variations de résistance électrique dudit élément sensible immergé dans le milieu à mesurer en fonction de la impression étant mesurées par un circuit électrique classique d type pont de Wheatston ou analogue.

L'élément sensible, c'est-à-dire la couche piézo résistive est déposée sous forme de pâte par sérigraphie ou impression sur ledit substrat isolant et traitée thermiquement suivant les techniques classiques de la microélectronique des circuits à couche épaisse.

Les pâtes sérigraphiables pouvant être utilisées à cet effet sont nombreuses. Elles sont généralement constituées par une matrice diélectrique et un composant conducteur métallique.

La matrice diélectrique est constituée essentiellement de verre, par exemple à base de plomb-borosilicate, d'alumino-silicate ou de plomb-silicate, éventuellement avec addition de petites quantités d'oxydes tels que
CdO, Ga203, AI203, etc...

Le composant conducteur peut être un métal précieux ou un de ses oxydes ou un mélange de ceux-ciou bien encore un oxyde conducteur d'autre métal (Ru02, Bi2 Ru207, Rb2Ru206, TlO2, Ir02, etc...).

Ces pâtes présentent une sensibilité piézorésistive importante (sensibilité à la déformation) et donc un bon coefficient de sensibilité aux contraintes, sont peu influencées par les variations de température (faible coefficient de température du coefficient de sensibilité) et demeurent très stables dans le temps.

Les substrats non déformables utilisés sont des céramiques, par exemple à base d'alumine, d'oxyde de béryllium, d'oxyde de zirconium, de métaux passivés durs, de verre, ou d'autres matériaux isolants durs. Ces substrats peuvent avoir une forme et des dimensions diverses, indépendantes du fonctionnement du système.

Le dispositif de mesure doit être placé au sein du milieu dont il s'agit de mesurer la pression. De cette façon, la pression du milieu agissant sur toutes les faces du substrat n'a aucune action de déformation sur ce dernier, de sorte que les seules déformations sont celles de l'élément sensible dont le volume varie en fonction de la variation de pression.

Cette disposition relativement aux systèmes extenso métriques classiques à couches piézorésistive épaisse, confère au dispositif de l'invention des avantages de simplicité de structure et donc de faible coût de fabrication, et en outre des possibilités nettement étendues qaant à la mesure des pressions qui vont bien au-delà des limites de ces derniers.

Les avantages et particularités de l'invention apparaîtront davantage par la description ci-dessous d'exemples de réalisation avec référence aux dessins annexés sur lesquels
La figure 1 est une vue en perspective schématique partielle d'un dispositif de mesure de pression selon l'invention
La figure 2 est une vue d'un montage possible de ce dispositif, et
La figure 3 est une vue d'un autre montage de ce dispositif.

Avec référence aux dessins, la partie sensible du dispositif de l'invention est constituée d'un substrat indéformable 1 en céramique à base d'alumine, d'une bande piézorésistive 2 solidaire dudit substrat, de deux connexions électriques 3 reliées aux extrémités de ladite bande 2 et d'une couche protectrice 4 recouvrant la bande 2 et une partie des connexions 3. Les connexions électriques 3 sont reliées à un circuit de mesure, type pont de Wheatstone ou analogue, qui est bien connu et n'a pas été représenté.

La bande piézorésistive 2 est issue d'un dépôt d'une couche de pâte ou encre résistive sérigraphiable classique dans le domaine de la micro-électronique des circuits à couche épaisse. Cette pâte, ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, contient en mélange des métaux précieux pulvérulents ou leurs oxydes, des verres spéciaux en poudre, un liant organique et un diluant constitué d'un mélange de solvants. Ce mélange est déposé par le procédé d'impression sérigraphique sur le substrat, selon un dessin tramé de géométrie et d'épaisseur variables selon la résistivité désirée. Une fois la pâte déposée sur le substrat, l'ensemble est séché à 100-1500C afin d'éliminer les solvants, puis cuit dans un four entre 500 et 1 0000C.

Durant cette dernière phase le liant organique est complètement décomposé et il s'établit un frittage des particules de verre adhérent sur la surface du substrat et une vitrification de l'ensemble qui verrouille les caractéristiques résistives de ladite bande. La couche protectrice est constituée par exemple d'un simple dépôt de résine siliconée ou d'une couche de verre.

Les éléments de connexions électriques pourront également être issus de dépôt par impression en sérigraphie.

On notera que l'on peut de cette manière constituer des résistances à plusieurs bandes adjacentes sur une même pièce de substrat, telles que des résistances bipolaires (à deux bandes), tripolaires (à trois bandes) ou quadripolaires (quatre bandes).

Ces résistances sont soumises directement à la pression du milieu à mesurer et les variations de résistance électrique de ces dernières sont mesurées par le circuit demeure à pont de Wheatstone alimenté en tension ou courant continu ou alternatif de 0,5 Volt à plusieurs dizaines de Volts, ce qui permet de déterminer en fonction de leur coefficient de sensibilité piézorésistif (linéaire ou non) la pression du milieu.

Elles pourront être immergées profondément dans le milieu à mesurer 6 (figure 2) ou être disposées à proximité de la surface interne de l'enceinte 5 contenant le milieu en pression. Dans ce dernier cas, on utilise un raccord 7 (figure 3) vissé dans un perçage taraudé de l'enceinte monté avec joint d'étanchéité et contenant dans sa partie interne lesdites résistances.

La ou les résistances étant dans cette configuration en présence directe avec le fluide, il peut se produire si celui-ci est corrosif, une attaque de l'élément sensible.

Pour palier à cet inconvénient on peut adjoindre un système séparateur constitué par une membrane 8 qui isole le liquide 9 neutre chimiquement qui est contenu dans le raccord et qui transmet la pression du liquide 6, la raideur de cette membrane étant très faible.

Dans cette configuration, le mode de travail est le même que celui décrit précédemment.

Un exemple pratique est donné ci-dessous.

On part de deux éléments de mesure selon l'invention, de 10 k# de résistivité et de sensibilité #R linéaire
R égale à -2,5.10 3/100 bars. On dispose ces éléments au sein du milieu à mesurer et on les relie à un circuit électrique en pont de Wheatstone alimenté à 50 volts.

Pour une pression du milieu égale à 1 000 bars on observe une tension de sortie au sein du circuit de 100 mV, peu influencée par le bruit de fond (2.10 4 de l'étendue de mesure) et qui est donc nettement détectable.

La présente invention apporte donc un dispositif de mesure de pression dont l'assoziation pâte résistive et substrat isolant crée un ensemble intégré sensible, performant et fiable.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1.- Dispositif de mesure des pressions et notamment des hautes. pressions, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible, dit à couche épaisse (2) piézorésistive appliqué sur un substrat isolant (1) non déformable, les variations de résistance électrique dudit élément sensible immergé dans le milieu (6) à mesurer en fonction de la pression étant mesurées par un circuit électrique classique du type à pont de Wheatstone ou analogue.

2.- Dispositif de mesure des pressions selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche piézerésis- tive (2) est déposée par sérigraphie ou impression sur ledit substrat (1) et traitée thermiquement suivant les techniques classiques de la micro-électronique des circuits à couche épaisse.

3.- Dispositif de mesure des pressions selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite couche piézorésistive (2) est constituée d'une matrice diélectrique et d'un composant conducteur, la matrice diélectrique étant constituée essentiellement de verre, par exemple à base de plomb borosilicate, alumino-silicate ou plomb-silicate, éventuellement avec addition de petites quantités d'oxydes, tels que CdO, Ga203 ; Al203 et le composant conducteur étant constitué d'un métal précieux ou un de ses oxydes ou un mélange de ceux-ci ou bien encore d'un oxyde conducteur d'autre métal (RuO2, Bi2 Ru207,

Rb2 Ru206).

4.- Dispositif de mesure des pressions selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit sybstrat non déformable (1) est une pièce en céramique par exemple à base d'alumine, d'oxyde de béryllium, d'oxyde de zirconium, d'un métal passivé dur, de verre ou d'autre matériau isolant dur.

5.- Dispositif de mesure des pressions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat non déformable (1) a une forme et des dimensions diverses, le fonctionnement d1 système étant indépendant de la forme du substrat.

6.- Dispositif de mesure des pressions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément sensible est formé d'une ou plusieurs bandes piézorésistives (2) sérigraphiées sur le substrat non déformable.

7.- Dispositif de mesure des pressions selon la revendication 6, caractérisé en ce que les connexions électriques (3) menant audit circuit électrique de mesure, éventuellement sérigraphiées, sont reliées solidairement auxdites bandes piézorésistives (2).

8.- Dispositif de mesure des pressions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est recouvert d'une couche (4) d'un matériau isolant de protection, par exemple de résine siliconée ou de verre