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Capteur de pression perfectionné à boîtier étanche
La présente invention concerne le domaine technique des capteurs de pression,
en
particulier mais non exclusivement des capteurs pour la mesure de la pression
d'un pneumatique,
par exemple d'un pneumatique pour engin de chantier. Elle peut également être
utilisée dans
d'autres domaines, notamment pour la mesure de la pression dans un milieu
corrosif, ou dans un
liquide.
Dans la demande de brevet français FR 2956796, il a déjà été proposé de
réaliser un
capteur de pression utilisant un composant électronique disposé à l'intérieur
d'un boîtier étanche
rempli d'un liquide ou d'un gel, ce boîtier étanche comprenant typiquement une
membrane
déformable sensible à la pression externe, et donc apte à transmettre cette
pression externe sur
le corps d'épreuve via ce liquide ou ce gel. Un tel fluide, sensiblement
incompressible, retransmet
en effet fidèlement la pression externe et peut avantageusement être choisi
parmi les liquides
et/ou les gels non corrosifs vis-à-vis des différents éléments du composant
électronique.
Un élément essentiel du composant électronique est le corps d'épreuve
déformable, sur
lequel s'exerce la pression à mesurer. Celui-ci comprend typiquement un
élément du type à jauge
de contraintes, apte à transformer la déformation résultant de la pression en
un signal électrique
à destination de moyens de traitement de ce signal. En variante, le corps
d'épreuve comprend un
élément de type piézo-électrique.
Le plus souvent, le corps d'épreuve est en silicium monocristallin, et
comprend un
microcircuit électrique ou électronique réalisé sur l'une de ses faces par une
ou plusieurs
technologies de l'industrie des semi-conducteurs (micro-gravure, circuit
imprimé, déposition
chimique etc.).
De façon générale, les éléments principaux du composant électronique, qui
comprennent
généralement typiquement le corps d'épreuve et un ou plusieurs substrats
généralement
solidaires de ce corps d'épreuve forment un organe électronique, à la fois
très petit et relativement
fragile, qui est logé dans une masse d'encapsulation permettant sa protection
et sa manipulation,
par exemple une masse de gomme, de matériau plastique ou de résine. Le
composant
électronique, formé par l'organe électronique ainsi encapsulé, peut alors être
manipulé sans
risque de dégradation.
La masse d'encapsulation comprend un passage d'accès fluidique à une surface
d'épreuve, sur l'une des faces du corps d'épreuve : la face d'épreuve. L'autre
face, ou face de
référence, comprend typiquement une surface de référence délimitant en partie
une chambre de
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pression de référence, étanche, pour la réalisation d'une pression de
référence. On utilise
généralement une chambre comprenant un vide partiel, de sorte que la pression
de référence
varie très peu en fonction de la température du capteur.
L'espace compris entre l'organe électronique et la masse d'encapsulation forme
un
logement typiquement rempli par du gel au moment de l'encapsulation de
l'organe électronique.
Ce gel remplit au moins une, et parfois deux fonctions :
D'une part, il facilite la mise en place de la masse d'encapsulation,
réduisant les risques
de dégradation mécanique des éléments de l'organe électronique, qui sont
relativement fragiles,
au moment de l'encapsulation. D'autre part, pour certaines applications, il
permet de placer dans
un milieu confiné non corrosif un ou plusieurs éléments de l'organe
électronique qui sont sensibles
à la corrosion, par exemple des contacts électriques avec un ou plusieurs
micro-circuits
électriques.
Un capteur tel que précédemment décrit, comprenant un composant électronique
plongé
par exemple dans un liquide non corrosif, à l'intérieur d'un boîtier étanche,
peut notamment être
utilisé dans un environnement corrosif tel que celui de l'industrie des
pneumatiques, du fait de
l'utilisation de produits chimiques pour l'entretien des jantes et des
pneumatiques.
On a toutefois constaté, lors de cycles de pression répétés comportant de
fortes variations
thermiques, par exemple avec des températures allant jusqu'à 60 et au-delà
que le capteur
pouvait, après plusieurs cycles, fournir des informations de pression
erronées.
L'invention a notamment pour but de résoudre les problèmes de fiabilité d'un
capteur de
pression, lors de cycles de fonctionnement répétés dans de larges zones de
température.
A cet effet, un objet de l'invention est un capteur de pression comprenant un
composant
électronique comportant un organe électronique logé dans une masse
d'encapsulation, l'organe
électronique comportant un corps d'épreuve, une chambre de pression de
référence étanche
délimitée par une surface de référence sur une face de référence du corps
d'épreuve, une
chambre de pression à mesurer, communiquant avec l'extérieur de la masse
d'encapsulation,
délimitée par une surface d'épreuve sur une face d'épreuve du corps d'épreuve
opposée à la face
de référence, l'organe électronique et la masse d'encapsulation délimitant
entre eux un logement
contenant du gel, le capteur de pression comprenant un orifice mettant en
communication le
logement contenant le gel avec l'extérieur de la masse d'encapsulation, le
capteur étant configuré
pour que cette communication permette également de réaliser une communication
avec
équilibrage de pression entre le logement et la chambre de pression à mesurer.
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On a en effet constaté de façon surprenante qu'une telle mise en communication
du
logement pour le gel avec l'extérieur de la masse d'encapsulation, typiquement
avec le liquide
extérieur, se traduisant en quelque sorte par une encapsulation moins poussée
de l'organe
électronique, permettait de résoudre les problèmes dus aux cycles thermiques.
Sans être lié à une interprétation particulière unique, il a été estimé que
des cycles
thermiques d'amplitude importante peuvent conduire vraisemblablement à
l'introduction de liquide
extérieur dans le logement pour le gel. Dans un cycle thermique ultérieur, ce
liquide peut alors se
trouver piégé par le gel, qui, de par sa forte viscosité, peut faire office de
joint d'étanchéité. Le
liquide étant empêché de se dilater, il peut alors en résulter des
surpressions locales s'exerçant
sur le corps d'épreuve, induisant une erreur de mesure de la pression réelle
du fluide.
Le terme "communication avec équilibrage de pression" peut se comprendre comme
une
communication fluidique et/ou par l'intermédiaire d'un gel, sans étanchéité
même partielle
s'opposant à la communication et à l'équilibrage de pression.
De préférence, l'orifice de mise en communication du logement avec l'extérieur
de la
masse d'encapsulation est disposé, par rapport au corps d'épreuve, du côté et
en vis-à-vis de la
face de référence. C'est en effet dans cette zone, la plus éloignée de la
chambre de pression à
mesurer, et typiquement la plus confinée, que les risques que du liquide se
retrouve piégé sont
les plus importants.
De préférence, l'orifice de mise en communication du logement avec l'extérieur
de la
masse d'encapsulation est agencé de façon que la chambre de référence s'étende
entre le corps
d'épreuve et cet orifice.
La masse d'encapsulation entoure typiquement toute partie élémentaire de la
surface
d'épreuve sur un angle solide d'au moins 50%, et de préférence au moins 60% de
l'angle solide
maximum. Elle est typiquement en contact direct avec un bord du corps
d'épreuve.
En général, l'orifice à une section circulaire de diamètre compris entre 0,2
et 1,0 mm, par
exemple entre 0,3 et 0,8 mm.
On peut utiliser un, mais aussi plusieurs orifices de communication, le
logement pour un
gel formant un espace confiné en l'absence de cet ou ces orifices. En d'autres
termes, c'est bien
l'orifice, ou la pluralité d'orifices qui permet la mise en communication avec
équilibrage de pression
du logement avec la chambre de pression à mesurer.
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CA 02894577 2015-06-08
WO 2014/096744
PCT/FR2013/053239
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Le cas échéant, le capteur de l'invention comprend un boîtier étanche dans
lequel
est logé le composant électronique, ce boîtier comprenant une membrane
déformable sous l'effet de la pression à mesurer, et étant rempli par un
fluide
incompressible, par exemple un liquide ou un gel, dans lequel est plongé le
composant électronique.
Un tel capteur peut être utilisé dans un milieu très corrosif, puisque les
éléments
de l'organe électronique ne sont pas en contact avec le milieu corrosif, mais
avec un
liquide ou un gel d'interposition, qui typiquement est choisi parmi les
liquides ou gel
non corrosifs vis-à-vis des différents éléments de l'organe électronique. On
peut
utiliser par exemple une huile hydrocarbonée parafinique ou naphténique, qui
est
chimiquement neutre.
L'invention a également pour objet un pneumatique comprenant un capteur de
pression pour la mesure de sa pression interne, ce capteur étant tel que
précédemment défini.
L'invention concerne enfin également l'utilisation d'un capteur tel que
précédemment défini pour mesurer la pression d'un liquide, et en particulier
l'utilisation d'un capteur comprenant un organe électronique logé dans une
masse
d'encapsulation, plongé dans le liquide dont on veut mesurer la pression.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la figure unique annexée, qui
est
fournie à titre d'exemple et ne présente aucun caractère limitatif,
représentant
schématiquement un capteur de pression selon l'invention comprenant un organe
électronique logé dans une masse d'encapsulation, formant ainsi un composant
électronique, ce composant électronique étant plongé dans un liquide
remplissant un
boîtier externe étanche.
On se réfère maintenant à la figure 1, qui représente notamment un corps
d'épreuve 2, disposé entre deux éléments structurels, ou substrats, 4 et 6,
par
exemple en verre. La face supérieure 12 du corps d'épreuve 2 ou face d'épreuve
12
comprend une surface d'épreuve 10, au niveau d'une chambre de pression 8
accessible à un liquide environnant remplissant l'espace 42, via un orifice
24.
La face du corps d'épreuve opposée à la face d'épreuve est une face de
référence 18 comprenant une surface de référence 16, au niveau d'une chambre
de
pression de référence 14 étanche, disposée en vis-à-vis de la chambre de
pression
à mesurer 8. La chambre de pression de référence comprend typiquement un gaz
sous un vide partiel, voir poussé. Ce vide peut être maintenu, l'élément
structurel 6
étant monté étanche avec le corps d'épreuve 2, dans une zone périphérique
autour
de la chambre de pression de référence 14. Du fait de ce vide partiel, la
pression du
gaz résiduel dans la chambre de pression de référence 14 n'est que peu
modifiée
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lors d'une montée en température du capteur. Ainsi, lorsque la pression à
mesurer
dans la chambre de pression à mesurer 8 évolue, la contre pression sur la
surface
de référence 16 en vis-à-vis de la chambre de pression à mesurer 8 reste
sensiblement constante, ce qui permet de relier la déformation du corps
d'épreuve 2
à la pression dans la chambre de pression à mesurer 8.
L'élément structurel 4 est lui aussi monté étanche d'une part avec le corps
d'épreuve 2, autour de la chambre de pression 8, et d'autre part avec un
élément de
support métallique 20.
Le corps d'épreuve 2 comprend également un microcircuit typiquement
électronique, non représenté sur la figure, relié à des moyens externes non
représentés de traitement d'un signal corrélé à la pression à mesurer, ce
signal étant
transmis par des moyens de transmission (par exemple une pluralité de
connexions
électriques) représentés schématiquement sous le numéro de référence 32.
L'ensemble formé par les éléments structurels 4, 6, et 20, et par le corps
d'épreuve 2, avec son circuit électronique et ses connexions, forme un organe
électronique, logé dans une masse d'encapsulation 22. Le logement compris
entre
l'organe électronique et la masse d'encapsulation 22, formé par le volume
inférieur
28 et le volume latéral 30 est rempli d'un gel de protection au moment de
l'encapsulation de l'organe électronique. Ce gel permet notamment de limiter
les
contraintes mécaniques et/ou thermiques sur l'organe électronique pendant la
phase
d'encapsulation, et d'éviter sa dégradation.
Le composant électronique, formé par l'organe électronique logé dans la masse
d'encapsulation 22 est plongé dans un liquide remplissant tout l'espace 42
entre ce
composant électronique et un boîtier étanche 38 comprenant une membrane souple
40 apte à retransmettre la pression externe au liquide remplissant l'espace 42
autour
du composant électronique, et remplissant également la chambre de pression à
mesurer 8.
Lorsque la pression externe au boîtier 38 évolue, cette pression se transmet
automatiquement au liquide compris dans l'espace 42, via la membrane 40, la
pression de ce liquide s'exerçant également sur la surface d'épreuve 10, dans
la
chambre de pression à mesurer 8. Cette pression provoque alors une déformation
du corps d'épreuve 2, qui se traduit par un signal corrélé à la pression
s'exerçant
dans la chambre de pression à mesurer 8, signal qui est transmis par les
moyens de
transmission 32 vers des moyens de traitement du signal permettant de calculer
la
pression dans la chambre de pression mesurer 8, cette pression étant
sensiblement
identique à la pression externe au boîtier 38.
Selon l'invention, le capteur comprend un orifice 34 mettant en communication
le
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logement 28, 30 pour le gel avec l'espace 42 extérieur à la masse
d'encapsulation
22.
On a pu constater expérimentalement qu'un tel orifice permettait de résoudre
les
dysfonctionnements du capteur de pression lors de cycles répétés comprenant de
fortes amplitudes thermiques. On pense que lors de tels cycles, du liquide
provenant
de l'espace 42 peut s'infiltrer dans le logement pour le gel via la surface
supérieure
36 ou la surface inférieure 37 entre la partie supérieure de l'organe
électronique, le
support métallique 20, et la masse d'encapsulation 22, et finit par parvenir
notamment dans le volume inférieur 28. Lors du cycle thermique ultérieur, ce
liquide
peut se trouver piégé par le gel qui forme en quelque sorte un joint. Ce
liquide,
enfermé dans un volume déterminé, peut alors générer une surpression par
dilatation lorsque la température augmente notamment dans le volume 28. Cette
dilatation est susceptible de déformer l'organe électronique et donc le corps
d'épreuve 2.
La réalisation d'un orifice 34 permet d'éviter une telle surpression, le
liquide
pouvant sortir du logement pour le gel via cet orifice 34.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation présenté et d'autres
modes
de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
