BE879309A

BE879309A - Dispositif mesureur de pression utilisant un extensometre a resistors

Info

Publication number: BE879309A
Application number: BE0/197560A
Authority: BE
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-10
Publication date: 1980-02-01
Also published as: JPS6212458B2; JPS5552924A; IT1101056B; IT7828682A0

Description


  Dispositif mesureur de pression utilisant

  
un extensomètre à résistors. 

  
 <EMI ID=1.1> 

  
pression utilisant un extensomètre à résistors, et plus particulièrement du type comprenant un substrat déformable soumis à la pression à mesurer sur lequel est appliqué un extensomètre à résistors et un circuit électrique en masure d'enregistrer les variations de résistance des résistors en fonction de la déformation

  
du substrat.

  
Dans ces dispositifs, la déformation provoquée par une pression ou force appliquée sur le substrat donne lieu à une variation des dimensions des résistors et de leurs propriétés électriques et, par conséquent, de leur résistance.

  
Cette variation est enregistrée par un circuit électrique ou électronique auquel sont reliés les résistors, de manière à obtenir des signaux proportionnels à la déformation du substrat

  
et, par conséquent, à la pression appliquée sur celui-ci.

  
Les dispositifs actuellement employés pour la mesure des pressions ou des déformations comme extensomètres des  fils métalliques continus, des films métalliques continus, des films métalliques discontinus, des cermets et des semiconducteurs.

  
L'effet de la variation de la résistance électrique de ces éléments à la suite d'une déformation est connu sous le nom d'élasto-résistance ou piézo-résistance.

  
Un extensomètre idéal devrait naturellement avoir un effet piézo-résistif important associé à un faible effet thermo-résistif. Plus précisément, il devrait présenter, en ce qui concerne le premier effet (sensibilité à la déformation), un facteur de jauge

  
 <EMI ID=2.1> 

  
jE 

  
 <EMI ID=3.1> 

  
tion relative de l'élément-racine ) et pour le second effet
(stabilité en température), des faibles valeurs aussi bien du

  
 <EMI ID=4.1> 

  
nui 

  
la variation relative de résistance pour une variation de tempé- 

  
 <EMI ID=5.1> 

  
 <EMI ID=6.1> 

  
 <EMI ID=7.1> 

  
Les performances des extensomëtres connus dépendent généralement dans une large mesure de la structure et de la composition des résistors utilisés.

  
Le tableau qui suit indique, avec référence aux extensomètres traditionnels du type mentionné précédemment, les valeurs des coefficients les plus significatifs.

  
r:t.J  <EMI ID=8.1> 

  

 <EMI ID=9.1> 


  
L'analyse comparative des performances montre que les films métalliques discontinus et les cermets ne peuvent pas trouver des vastes secteurs d'application en raison de la stabilité insuffisante de leurs caractéristiques électriques et piézo-résistive dans le temps. Quant aux fils et aux films métalliques continus, ceux-ci trouvent un emploi dans les cas où la sensibilité à la déformation (GF) n'est pas une condition capitale, mais où un bon comportement thermique est essentiel (faibles TCR et TCGF), tandis que les semiconducteurs trouvent une application grâce à leur sensibilité élevée à la déformation, même si à cause de leur valeur élevée de TCR et de TCGF il est souvent nécessaire de recourir

  
à des techniques sophistiquées et coûteuses de compensation de l'effet thermique.

  
Une autre difficulté d'emploi concernant les extensomètres à film métallique et à semiconducteur consiste dans la difficulté de trouver un bon accouplement entre le substrat et l'extensomètre. En effet, tous les deux devraient avoir le même coefficient de dilatation linéaire thermique de manière à éviter qu'il ne se crée

  
des déformations apparentes (non liées à la présence de déformations mécaniques) causées par des dilatations engendrées par des variations de température lorsque le substrat et l'extensomètre sont caractérisés par des coefficients de dilatation thermique différents.

  
Le but de la présente invention est, par conséquent, celui de réaliser un mesureur de pression dans lequel l'extensomètre à résistors présente une sensibilité élevée à la déformation ainsi qu'une très bonne stabilité en température et une parfaite  <EMI ID=10.1> 

  
Selon 1'invention, ce but est atteint grâce à l'emploi d'un extensomètre constitué par un ou plusieurs résistors à film épais déposés par sérigraphie sur un substrat approprié.

  
L'invention sera maintenant décrite, uniquement à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 montre en perspective une première forme de réalisation de l'extensomètre à rësistors selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe d'une seconde forme de réalisation de l'extensomètre selon l'invention, la figure 3 est une vue en plan de l'extensomètre de la figure 2, la figure 4 montre le circuit électrique (pont de Wheatstone) pour la mesure de la pression appliquée sur le substrat, la figure 5 montre une variante de la figure 2.

  
Conformément à la figure 1, la référence 1 indique un substrat approprié, par exemple du type céramique, assujetti par un côté, sur l'extrémité libre duquel est appliquée une force F dont on veut connaître la valeur.

  
Selon l'invention, l'extensomètre à résistors appliqué

  
 <EMI ID=11.1> 

  
 <EMI ID=12.1> 

  
trat, à proximité de son ancrage, suivant la technique sérigraphique, c'est-à-dire par impression et cuisson.

  
 <EMI ID=13.1> 

  
sur la surface supérieure du substrat, tandis que les résistors R2 et R4 sont appliqués sur sa surface inférieure (non visible), en

  
 <EMI ID=14.1> 

  
Par effet de l'application de la force F, le substrat subit une déformation (flexion) vers le bas, déformation qui est

  
 <EMI ID=15.1> 

  
de leur résistance.

  
 <EMI ID=16.1> 

  
augmente, car ils sont en tension, tandis que la résistance des résistors R2 et R4 diminue, ceux-ci étant en compression.

  
Pour pouvoir mesurer la variation de résistance des résistors à la suite de la déformation et remonter ensuite à la valeur

  
 <EMI ID=17.1> 

  
sont reliés dans un pont de Wheatstone, comme montré sur la figure 4. 

  
Les résistors sujets au même type de déformation sont insérés dans les bras opposés du pont et les flèches correspondantes,

  
 <EMI ID=18.1> 

  
en augmentation ou en diminution, de ces mêmes résistors.

  
 <EMI ID=19.1> 

  
est équilibré et aucun signal n'est présent à la sortie Vu, alors qu'une tension est appliquée à l'entrée Vi.

  
Naturellement, lorsqu'une force est appliquée sur le substrat 1 (F &#65533; 0) , celui-ci fléchit, le pont se déséquilibre et à la sortie Vu il s'engendre un signal qui est proportionnel à la variation de la résistance des résistors et en définitive à la déformation du substrat 1, c'est-à-dire à la valeur de la force F.

  
Bien que l'on ait considéré une barrette ancrée d'un seul côté, il est évident que ce qui vient d'être exposé reste valable même dans le cas d'une barrette ancrée des deux côtés et soumise à une force appliquée sur sa zone centrale.

  
Dans la variante de la figure 2 et de la figure 3, le

  
 <EMI ID=20.1> 

  
 <EMI ID=21.1> 

  
Au lieu qu'à une force concentrique, la membrane peut également être soumise à une pression sur toute sa surface. Dans cette

  
 <EMI ID=22.1> 

  
 <EMI ID=23.1> 

  
appliqués également sur le même côté, mais à la périphérie de la membrane et soumis à compression.

  
 <EMI ID=24.1> 

  
quelconque, par exemple à 90[deg.] comme montré sur la figure 3.

  
 <EMI ID=25.1> 

  
 <EMI ID=26.1> 

  
 <EMI ID=27.1> 

  
 <EMI ID=28.1> 

  
Que ce soit dans le cas de la structure de la figure 1, ou dans celui des figures 2 et 5, il est clair que le nombre et la disposition des résistors peut varier dans le but d'accroître au maximum la sensibilité à la déformation. A ce même effet les résistors doivent être disposés sur les points de déformation maximum du substrat. 

  
Toutefois, dans le cas d'une membrane fixée au bord, il peut être avantageux de. placer tous les résistors dans la zone centrale, comme indiqué sur la figure 5, afin d'obtenir une sensibilité maximum du système même au cas où la membrane ne serait pas parfaitement assujettie au bord.

  
Dans l'exposé qui précède, on a fait référence aux forces F et F' appliquées sur un seul côté des substrats 1 et 1', mais

  
il est clair que ces forces peuvent être la résultante de forces opposées appliquées sur les deux côtés du substrat, dans lequel cas le signal fourni par le pont de Wheatstone se référera à des pressions ou forces différentielles.

  
Les capteurs de déformation et de pression montrés sur les figures 1, 2 et 5 comportent une amélioration de la technologie de fabrication des capteurs de ce type.

  
La partie active, c'est-à-dire l'élément extensimétrique, est constituée, comme déjà dit, par des résistors à couche déposés par sérigraphie sur des substrats isolants et traités thermiquement suivant les méthodes traditionnelles appliquées aux résistors à couche pour la micro-électronique des circuits hybrides. Les pâtes sérigraphables qui permettent de réaliser des résistors

  
à film épais avec des sensibilités à la déformation adéquates sont nombreuses.

  
Elles sont généralement constituées par un composant diélectrique et par un composant conducteur. Le composant ou matrice diélectrique peut être constitué par un verre du type borosilicate, plomb-borosilicate, alumino-silicate ou plomb-silicate, éventuellement avec addition de petites quantités d'oxydes du type CdO,

  
 <EMI ID=29.1> 

  
Le composant conducteur peut être constitué par un métal noble (Ag, Au, Pd) ou par un de ses oxydes ou mélange de celui-ci
(par exemple PdO, PdO/Ag) ou bien encore par un oxyde conducteur

  
 <EMI ID=30.1> 

  
Après avoir mesuré les propriétés piézo-résistives de résistors réalisés avec des pâtes de formulation différente, on a constaté que plus la concentration de conducteur dans la pâte est faible, plus la résistivité du rësistor et le facteur de jauge dans l'extensimètre réalisé sont élevés.

  
Les résistors à film épais présentent de bons facteurs de jauge, par exemple GF 10 + 15, des faibles coefficients de tempéra-

  
 <EMI ID=31.1>  coefficients de température du facteur de jauge : TCGF &#65533; 100+400 ppm/[deg.]C avec une très bonne stabilité et résistance à la fatigue après des nombreux cycles de déformation. 

  
La sensibilité à la déformation (GF) se révèle par conséquent intermédiaire entre celle des extensomètres à fils métalliques, qui est la plus faible, et celle des extensomètres

  
à semiconducteurs, qui est la plus élevée.

  
D'autre part, la stabilité en température (TCR, TCGF) est comparable à celle des fils métalliques, qui sont les plus stables, laquelle e&#65533;t nettement meilleure que celle des semiconducteurs.

  
Un des avantages liés à l'emploi des résistors sérigraphiés réside dans le fait qu'ils présentent une valeur positive

  
du facteur de jauge lorsqu'ils sont soumis à des déformations transversales et longitudinales par rapport au sens du résistor. Il

  
en découle que les résistors appliqués au centre de la membrane dans un mesureur de pression à membrane (figures 2 et 5) et ensuite soumis simultanément à une déformation transversale et longitudinale redoublent leur sensibilité à la déformation.

  
Les extensomètres peuvent être réalisés en déposant les résistors sur des substrats différents, dotés de propriétés mécaniques différentes.

  
Différentes céramiques, parmi lesquelles l'alumine, l'oxyde de béryllium, l'oxyde de zirconium, ainsi que des feuilles de métal émaillé, se prêtent très bien à l'utilisation.

  
On va maintenant exposer quelques exemples de performances des mesureurs de déformation et de pression.

  
En appliquant à la structure à barrette de la figure 1

  
une force suffisante pour provoquer dans les quatre résistors

  
 <EMI ID=32.1> 

  
2 et 5 une pression suffisante pour provoquer sur les bords de

  
 <EMI ID=33.1> 

  
quatre résistors reliés en pont, réalisés à base de verre borosi-

  
 <EMI ID=34.1> 

  
importants obtenus par la réalisation des capteurs de déformation et de pression selon la présente invention peuvent être résumés  dans les observations suivantes. 

  
Il n'est requis aucun agent de collage entre l'élément extensométrique et la barrette eu la membrane, car le résistor piézo-résistif est réalisé directement par application sérigraphique sur le substrat qui fait fonction de barrette ou de membrane.

  
On obtient d'autre part une adaptation adéquate des coefficients de dilatation des substrats et des résistors sérigraphiés.

  
On a également la possibilité de corriger l&#65533;s valeurs des résistances des résistors sérigraphiés (ou d'éventuels résistors de compensation obtenus avec la même technique et non soumis à déformation, disposés en parallèle ou en série à une des branches du pont), au moyen d'un trimmer à laser ou à sable, afin d'assurer une tension de sortie nulle du pont de Wheatstone en l'absence de déformation ou de pression sur la substrat.

  
A déformation nulle, on peut facilement obtenir des

  
 <EMI ID=35.1> 

  
Tl existe enfin la possibilité de réaliser des ponts avec des impédences d'entrée et de sortie avec une grande plage de valeurs, en choisissant convenablement la géométrie et la résistivité de couche des résistors.

  
La technologie de réalisation des extensomètres, analogue à celle des circuits hybrides pour la micro-électronique, est assez simple et d'un coût peu élevé, et par conséquent tout à fait indiquée pour la production en grande série.

  
Le dispositif pour la mesure de la pression qui vient d'être décrit trouve naturellement une application dans tous les cas où il est nécessaire de disposer d'un capteur de déformation d'une sensibilité élevée et d'une très bonne stabilité à la température.

  
Il peut, par conséquent, trouver une application avantageuse dans l'industrie automobile pour le contrôle de l'injection,

  
de l'allumage, de l'avance à l'allumage et pour tout contrôle hydraulique. 

  
Bien que dans la description on se soit référé au dispositif pour la mesure de la pression dans son ensemble, il est évident que l'invention se réfère également à l'extensomètre en soi, utilisant des résistors à film épais pour la mesure et le contrôle de grandeurs physiques telles que déformation, pression,force,

  
 <EMI ID=36.1> 

  
Il va de soi que les solutions décrites et illustrées sont susceptibles de variantes, suivant les exigences pratiques, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

  
 <EMI ID=37.1>  

REVENDICATIONS 

  
 <EMI ID=38.1> 

  
substrat déformable soumis à la pression à mesurer, sur lequel 

  
 <EMI ID=39.1> 

  
que en mesure de relever les variations de résistance des résis- 

  
 <EMI ID=40.1> 

  
par le fait que l'extensomètre est formé par des résistors à film

  
épais appliqués par sérigraphie sur le substrat.

Claims

1, caractérisé par le fait que les résistors à film épais sont appliqués sur une seule ou sur les deux faces du substrat et

dans des positions sensibles aux déformations.

2. Dispositif mesureur de pression selon la revendication

3. Dispositif mesureur de pression selon l'une quelconque

des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le

substrat a la forme d'une barrette scellée et par le fait qu'une

paire de résistors est appliquée sur une face du substrat à proximité de son scellement, tandis qu'une autre paire est appliquée

sur l'autre face dans une position opposée (fig.l).

4. Dispositif mesureur de pression selon l'une quelconque

des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le substrat

a la forme d'une membrane scellée sur sa périphérie et qu'une

paire de résistors est appliquée sur une face du substrat et dans

sa zone centrale,tandis que les résistors d'une autre paire sont disposés le long du bord de la membrane (fig.2 et 3).

5. Dispositif mesureur de pression selon l'une quelconque

des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le substrat

a la forme d'une membrane scellée sur sa périphérie et par le

fait qu'une paire de résistors est appliquée sur une face du substrat et dans sa zone centrale, tandis qu'une autre paire de

résistors est appliquée dans une position opposée sur l'autre face

du substrat (fig.5).

6. Dispositif mesureur de pression selon l'une quelconque

des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les résistors à film épais sont obtenus à partir d'une pâte sérigraphiable contenant comme composants fondamentaux un ou plusieurs <EMI ID=41.1>

Pd et leurs alliages dans une matrice diélectrique telle que

verre borosilicate, alumino-silicate, plomb-borosilicates, plombsilicates et similaires.

7. Dispositif mesureur de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le substrat est du type céramique, en particulier à base d'oxyde d'aluminium, béryllium, zirconium ou métaux émaillés.