FR2821157A1 - Capteur de pression a semiconducteurs et systeme d'echappement contenant un tel capteur - Google Patents
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Abstract
Ce capteur comprend un circuit en pont intégral (R1 , R2 , R3 , R4 ) comprenant des éléments semiconducteurs sensibles dans une structure sensible à la pression et des première et seconde bornes de sortie (C, D), un filtre (R5 , R6 , C1) servant à filtrer les signaux de sortie provenant desdites bornes et comprenant des première et seconde résistances (R5 , R6 ) et un condensateur (C1), dont une extrémité est connectée à la première borne de sortie (C) par l'intermédiaire de la première résistance (R5 ) et dont l'autre extrémité est connectée à la seconde borne de sortie (D) par l'intermédiaire de la seconde résistance (R6 ).Application notamment aux systèmes d'échappement de véhicules automobiles.
Description
par une camera video (VC1, VC2,VCl,...VCn).
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CAPTEUR DE PRESS ION A SEMI CONDUCTEURS ET SYSTEME
D'ECHAPPEMENT CONTENANT UN TEL CAPTEUR
L' invention concerne un capteur de pression à semiconducteurs servant à détecter une pression, et un
système d'échappement incluant ce capteur.
Dans un système d'échappement pour un moteur diesel, un dispositif d'élimination de constituants particulaires désigné comme étant un filtre à particules diesel (DPF) est utilisé pour éliminer des constituants particulaires présents dans les gaz d'échappement délivrés
par le moteur diesel.
La figure 4, annexée à la présente demande,
représente un tel système d'échappement de l'art antérieur.
Le filtre DPF 120 est prévu dans une partie intermédiaire d'un tuyau d'échappement 122 qui s'étend entre un moteur 121 et un silencieux, de manière à collecter des constituants particulaires de fumée noire présente dans les gaz d'échappement sortant du moteur et traversant un collecteur d'échappement 123 pour empêcher que la fumée
noire de s'échapper du silencieux.
Pendant le fonctionnement du filtre DPF 120, des constituants de fumée noire s'accumulent dans le filtre DPF 120. Par conséquent des constituants accumulés de fumée noire obstruent le filtre. Les constituants accumulés de fumée noire sont brûlées périodiquement par un dispositif
de chauffage par exemple pour réaliser un nettoyage.
Le colmatage du filtre est détecté sur la base de la différence de pression entre le côté amont et le côté aval du filtre ou de la différence de pression entre le côté amont du filtre et la pression aLmosphérique. Dans cette technique antérieure, un capteur de pression à semiconducteurs 124 est prévu entre le filtre DPF 120 et le
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moteur 121 pour détecter la pression en amont du filtre.
Cependant, le signal de détection délivré par le capteur de pression à semiconducteurs 124 inclut une composante de pression d'échappement pulsatoire comme cela est illustré sur la figure 5 annexée à la présente demande. Le capteur de pression à semiconducteurs 124
fournit une réponse en pression en quelques millisecondes.
D' autre part, la pression des gaz d' échappement présente une pulsation selon un cycle d' environ 15 ms. Par conséquent le signal de détection du capteur de pression à semiconducteurs 124 inclut la composante pulsatoire des gaz d'échappement. La courbe représentée sur la figure 5 illustre la pulsation de la pression des gaz d'échappement dans le cas o un véhicule automobile comportant un moteur diesel à turbocompresseur possédant un volume de refoulement du
piston de 3000 cm3 comportant un refroidisseur intermé-
diaire, circule sur une pente.
Ici, si l'on suppose que la gamme de détection du capteur de pression à semiconducteurs 124 est déterminée comme incluant la valeur crête-à-crête de la pulsation, la gamme de détection devient élevée étant donné que la variation de pression due au colmatage du filtre, qui doit être détectée, est égale à environ 5 kPa, mais que la valeur crête-à-crête de la pulsation est égale à environ kPa. Par conséquent la résolution du capteur de pression à semiconducteurs 24 est réduite. Ceci réduit la précision dans la variation de la pression de détection en raison du colmatage. Par conséquent la composante de pulsation doit être éliminée du signal de détection du capteur de pression
à semiconducteurs 124.
Les figures 6A et 6B annexées à la présente demande représentent des structures de suppression de composantes de pulsation, de l'art antérieur. Sur la figure 6A, une partie capacitive est prévue dans le tuyau 125 pour
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l' introduction de la pression dans le capteur de pression à semiconducteurs 124, la partie capacitive 126 posséJant un diamètre supérieur à celui du tuyau 125. D'autre part, sur la figure 6B, une partie en renfoncement 127 est formée dans le tuyau 125 pour l' introduction de la pression dans le capteur de pression à semiconducteurs 124, dans lequel la partie en renfoncement 127 possède un diamètre inférieur à celui du tuyau 125. Ces structures retardent la propagation de la pression jusqu' au capteur de pression à semiconducteurs 124, pour l'élimination des composantes pulsatoires. Cependant, la normalisation de ces structures est difficile étant donné que les formes optimales de la partie capacitive 126 et de la partie en renfoncement 127
dépendent de la forme du tuyau 125.
D'autre part, la demande de modèle d'utilité japonais, N de publication provisoire 62-160342 décrit un circuit en pont intégral comportant un filtre passe-bas. La figure 7, annexée à la présente demande, représente ce circuit en pont intégral de l'art antérieur dans un capteur de pression incluant des éléments réaistifs
piézoélectriques à semiconducteurs R101, R102, R103, R104.
Des bornes d'entrce AO et BO de ce circuit en pont intégral sont connectées à une source de tension 32. Les bornes de sortie CO et DO sont connectées respectivement à une entrée non inverseuse et à une entrée inverseuse d'un
amplificateur opérationnel 31.
Lorsqu'une pression est appliquée à ce capteur de pression à semiconducteurs, les résistances des éléments
résistifs piézoélectriques à semiconducteurs R104 varient.
Ceci produit une différence de tension entre les bornes de sortie CO et DO, qui sont connectées respectivement à des premières extrémités des condensateurs C10 et C20. Les autres extrémités des condensateurs C10 et C20 sont
connectées à la masse.
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Par conséquent les condensateurs C10 et C20 et les éléments résistifs piézoélectriques à semiconducteurs
R101, R102, R103 et R104 forment des filtres passe-bas.
Ces filtres passe-bas retardent la réponse dans le circuit en pont intégral. Par conséquent ce circuit en pont intégral dans le capteur de pression 124 peut éliminer
les composantes pulsatoires.
Ce circuit en pont intégral possade deux condensateurs possédant des capacités relativement élevées, de sorte que la taille de plaquettes incluant le capteur de
pression à semiconducteurs devient conséquente.
La présente invention a pour but de fournir un capteur de pression à semiconducteurs perfectionné et un système d'échappement perfectionné incluant le capteur de
pression à semiconducteurs.
Conformément à la présente invention, il est prévu selon un premier aspect de l' invention, un capteur de pression à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte: ^ un circuit en pont intégral incluant des éléments semiconducteurs sensibles dans une structure sensible à la pression et des première et seconde bornes de sortie, et un filtre pour filtrer des signaux de sortie provenant desdites première et seconde bornes de sortie, ledit filtre comprenant: des première et seconde résistances, et un condensateur, dont une extrémité est connectée à ladite première borne de sortie par l'intermédiaire de ladite première résistance et dont l'autre extrémité est connectée à ladite seconde borne de sortie par ladite
seconde résistance.
Selon un second aspect de la présente invention, il est prévu un système d'échappement pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur,
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des moyens d'élimination de constituants particulaires pour éliminer des constituants particulaires dans des gaz d'échappement provenant dudit moteur, et un capteur de pression à semiconducteurs prévu entre ledit moteur et lesdits moyens d'élimination de constituants particulaires pour détecter une pression de gaz d'échappement provenant dudit moteur en amont desdits moyens d'élimination de constituants particulaires comprenant: un circuit en pont intégral incluant des éléments sensibles semiconducteurs dans une structure sensible à la pression et des première et seconde bornes de sortie, et un filtre pour filtrer des signaux de sortie provenant desdites première et seconde bornes de sortie, ledit filtre comprenant: des première et seconde résistances, et un condensateur, dont une extrémité est connectée à ladite première borne de sortie par l'intermédiaire de ladite première résistance et dont l'autre extrémité est connectée à ladite seconde borne de sortie par ladite
seconde résistance.
Selon un troisième aspect de la présente invention, il est prévu un système d'échappement, caractérisé en ce que ledit filtre élimine une composante pulsatoire dans lesdits gaz d'échappement provenant dudit moteur. Selon un quatrième aspect de la présente invention, il est prévu un système d'échappement, caractérisé en ce qu'une constante de temps dudit filtre est déterminée en fonction d'une fréquence pulsatoire
desdits gaz d'échappement provenant desdits moteurs.
D'autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront de la description donnée
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
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- la figure 1 est une vue en coupe du capteur de pression à semiconducteurs selon l 'invention; - la figure 2 est une vue en élévation latérale à plus grande échelle de la partie de détection de pression du capteur de pression à semiconducteurs, dans la direction A représentée sur la figure 1; - la figure 3A est un schéma équivalent du circuit en pont et du circuit de traitement selon la présente invention; - la figure 3B est un schéma équivalent partiel du circuit en pont et d'un filtre selon l 'invention; - la figure 4, dont il a déjà été fait mention, est une illustration d'un système d'échappement de l'art antérieur; - la figure 5, dont il a déjà été fait mention, est un dess in graphique de composante s pul satoires dans l es gaz d'échappement dans l'art antérieur; - les figures 6A et 6B, dont il a déjà été fait mention, sont des illustrations de structures de filtres de l'art antérieur; - la figure 7, dont il a déjà été fait mention, est le schéma d'un circuit en pont intégral de l'art antérieur; et - la figure 8 est une illustration du système
d'échappement selon la présente invention.
Les éléments ou parties, qui sont identiques ou se correspondent, sont désignés par les mêmes chiffres de
référence sur l 'ensemble des dessins.
Le capteur de press ion à semi conducteurs selon la présente invention est utilisé pour détecter un colmatage dans le filtre diesel à particules (DPF) pour un véhicule
automobile à moteur diesel par exemple.
La figure 1 est une vue en coupe du capteur de pression à semiconducteurs selon cette forme de réalisation. La figure 2 est une vue en élévation latérale
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partielle à plus grande échelle de la partie de détection de pression du capteur de pression à semiconducteurs, dans la direction A représentée sur la figure 1. La figure 3A est un schéma équivalent du circuit du capteur de pression à semiconducteurs 40, incluant le circuit en pont et un circuit de traitement formé sur la surface du capteur de
détection de pression 3.
En se référant maintenant à la figure 1, le capteur de pres s ion à semiconducteurs se lon cette forme de réalisation comprend une plaquette de capteur 1 et une base en verre 2 qui forment la partie de détection de pression 3 possédant une section rectangulaire. La partie de détection de pression 3 comporte le circuit de traitement servant à convertir la pression détectée en un signal de détection
électrique, Conformément à une fonction prédéterminée.
La partie de détection de pression 3 est connectée électriquement à des broches 6 d'un connecteur, au moyen de fils 4 et de conducteurs 5. Par conséquent le signal de détection électrique converti par la partie de détection de pression 3 peut être envoyé à un circuit
externe par l'intermédiaire des broches 6 du connecteur.
En outre la partie de détection de pression est fixée par adhérence à une partie creuse dans un élément en matière plastique moulée 7, à l' aide d'un adhésif du type fluorosilicone. l'élément en matière plastique moulé 7 est fixé par adhérence à un boîtier 9 au moyen d'un caoutchouc fluoré 8 et est également recouvert par le caoutchouc
fluoré 8.
La partie de détection de pression 3 et les fils 4 sont recouverts par un matériau désigné sous le nom Parylène de manière à être isolé électriquement et est en outre recouvert par un gel 10 qui est inséré dans la partie creuse de l'élément en matière plastique moulée 7 pour les protéger vis-à-vis de substances polluantes telles qu'un
brouillard d'huile moteur ou du carbone.
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La partie de détection de pression 3 est logée dans l' orifice 12 possédant une forme de dôme et comportant un trou d' introduction de pression 11 de manière à réaliser une étanchéité à l'air et à introduire la pression devant être détectée. L' orifice 12 est fixé par adhérence au
boîtier 9 au moyen d'un adhésif formé d'une résine époxy.
L' orifice 12 possède une paroi intérieure conique étagée, dont la section dans la direction radiale s'étend en direction de la partie de détection de pression 3. En d'autres termes, l'espace conique est prévu entre l' orifice
12 et la partie de détection 3.
En se référant maintenant à la figure 2, la partie de détection de position 3 possède une plaquette en silicium 1 sur la base en verre 2. Au centre de la plaquette 1 du capteur, un diaphragme 13 est formé par
attaque anisotrope.
Au niveau de la surface de la plaquette de capteur 1, des éléments résistifs piézorésistifs semiconducteurs R1, R2, R3 et R4 sont formés par dopage avec une impureté de type P comme par exemple du bore dans la plaquette en silicium (substrat) 1, par injection d'ions. En outre, des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R1, R2, R3, R4 et des configurations de câblage (non représentées sur la figure 2) comme par exemple des configurations d'impuretés diffusoes et des configurations de réseaux d'impuretés diffusées et des
réseaux en aluminium forment un pont intagral.
Lorsqu'une pression est appliquée au diaphragme 13, le diaphragme 13 est déformé élastiquement, c'est-à dire qu'il est coudé. Ensuite, les résistances des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R1, R2, R3 et R4
varient en fonction de l'amplitude de la pression.
En outre, au niveau du bord de la plaquette de capteur 1, une partie formant plot (non représentée sur la figure 2) est formée de manière à délivrer le signal de
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détection électrique, recevoir une tension d'alimentation
et établir une connexion avec la masse.
En se référant maintenant à la figure 3A, le capteur de pression à semiconducteurs 40 possède le circuit en pont intégral équipé des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R1, R2, R3 et R4. Avec l'accroissement de la pression, les valeurs résistives d'un
couple d'éléments résistifs piézoélectriques semiconduc-
teurs R1 et R4 disposés sur les côtés situés en vis-à-vis dans le quadrilatère du pont intégral dans le schéma du circuit équivalent augmente. D'autre part, avec l'accroissement de la pression, les valeurs résistives d'une paire d'éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R2 et R3 disposés sur les côtés situés en vis-à-vis dans le rectangle du pont intégral dans le schéma
équivalent du circuit diminuent.
Le circuit en pont intégral est alimenté par une source de courant constant incluant des résistances R7, R8
et R9 et un amplificateur opérationnel 41.
De façon plus spécifique, le courant déterminé par division d'une différence de tension entre la tension d'alimentation et une tension de référence, qui est obtenue par division de la tension d'alimentation avec les résistances R7 et R8, est obtenu à la borne A (point de jonction entre les éléments résistifs piézoélectriques
semiconducteurs R1 et R3).
Lorsqu'il est alimenté par le courant constant, le circuit en pont intégral délivre des tensions V1 et V2, dont les amplitudes dépendent de l'amplitude de la pression
appliquée.
Les tensions de sortie V1 et V2 sont traitées avec un circuit amplificateur différentiel contenant des amplificateurs opérationnels 43, 44 et 45, et des
transistors 46, 47 et des résistances R10, Rll et R12.
De façon plus spécifique, l'entrée non inverseuse
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de l'amplificateur opérationnel 44 est reliée par l'inter-
médiaire d'une résistance R5 à la tension V1 provenant de la borne C entre les éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R1 et R2, qui sont voisins l'un de l'autre dans le circuit en pont intégral. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 44 est alimentée par la tension V2 provenant de la borne D (point de jonction entre les éléments respectifs piézoélectriques semiconducteurs R3 et R4, qui sont voisins l'un de l'autre) par l'intermé diaire de la résistance R6, 1' amplificateur opérationnel 43 fonctionnant en tant que tampon, et par l'intermédiaire de la résistance R10. Par conséquent la différence amplifiée entre les tensions V1 et V2 est délivrée par
l'amplificateur opérationnel 44.
Le signal de sortie délivré par l'amplificateur
opérationnel 44 commande les transistors 46 et 47.
Cette opération convertit la tension de sortie (V1-V2) du circuit en pont en un courant qui est en outre amplifié par l'amplificateur opérationnel 45. Le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 45 est délivré en tant que signal de détection électrique sur la bande de
sortie du capteur.
Conformément à cette forme de réalisation, une extrémité d'un condensateur C1 est connectée au point de jonction C par l'intermédiaire de la résistance R5, et l'autre extrémité du condensateur C1 est connoctée au point
de jonction D par l'intermédiaire de la résistance R6.
I1 en résulte que les résistances R5 et R6 et le condensateur C1 forment un filtre passe-bas qui retarde la réponse à des tensions V1 et V2. Ceci supprime la
composante pulsatoire dans les tensions V1 et V2.
En outre cette structure réduit le nombre et la capacité des condensateurs utilisés dans le capteur de pression. De façon plus spécifique par exemple si la
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microLurbine comportant un moteur à quatre cylindres tourne à 5000 tr/mn, le cycle de la composante pulsatoire est fourni par: [s]/500[tr/mn]/2 = 0, 24[s] Ic i on établ it une comparai son entre la présente
invention et l'art antérieur représenté sur la figure 7.
Si on suppose que les valeurs résistives des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R101 à R104 de l'art antérieur représenté sur la figure 7 sont
égales à 15 kQ.
Les capacités des condensateurs C10 et C20 sont fournies par: 0,24[s] / 15 [kQ] = 10 [F] D'autre part, la structure du circuit du capteur de press ion à semiconducteurs selon cette forme de réalisation contient le condensateur C1, dont les extrémités sont connectées aux points de jonction C et D
par lintermédiaire des résistances respectives R5 et R6.
Par ailleurs le point médian imaginé entre les points de jonction C et D peut être considéré comme un point à tension fixe. Par conséquent le filtre passe-bas contenu dans le circuit équivalent représenté sur la figure 3A peut être converti en un autre schéma de circuit équivalent
représenté sur la figure 3B.
Sur la figure 3s, le condensateur C1 est divisé en deux condensateurs C', et une masse imaginaire 48 est
représentée entre les condensateurs C'.
Si on suppose que les valeurs réaistives des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs R1 à R4 et des résistances R5 et R6 dans cette forme de réalisation sont égales à 15 k.Q, la capacité du condensateur C1 est fournie par: 0,24[s] / 15 [kQ] / 2 = 10[pF] C'est-àdire que, étant donné que le condensateur C1 répond aux deux condensateurs C' branchés en série, de
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telle sorte que la capacité du condensateur C1 est égale à la moitié du condensateur C10 ou C20 (20 F) de l'art antérieur, c'est-à-dire est égale à 10 F. Par conséquent, conformément à cette forme de réalisation, le nombre des condensateurs peut être réduit de deux à un, et la capacité du condensateur C1 peut être
réduite de moitié.
La forme de réalisation mentionnée précédemment peut être modifiée. Par exemple, dans cette forme de réalisation, les valeurs réaistives des résistances R5 et R6 sont supposées être égales à 15 kQ et la capacité du condensateur C1 est supposée être égale à 10 F. Cependant
ces valeurs peuvent être modifiées.
En outre, dans cette forme de réalisation, le nombre des éléments résistifs piézoélectriques semiconducteurs sur un côté du circuit en pont est égal à un. Cependant un tel élément réaistif piézoélectrique semiconducteur situé d'un côté du circuit en pont peut être
divisé par deux ou plus.
La figure 8 représente un système d'échappement pour un moteur diesel selon la présente invention. On utilise un dispositif d'élimination de constituants particulaires, désigné comme étant un filtre diesel à particules (DPF) 20 servant à retirer un constituant particulaire contenu dans les gaz d'échappement prodults
par le moteur diesel.
Sur la figure 8, un dispositif d'élimination des constituants particulaires, connu sous l 'expression filtre à particules diesel (DPF) 20 est prévu dans une partie intermédiaire d'un tuyau d'échappement 22, qui est disposé entre un moteur 21 et un silencieux 26 de manière à collecter des constituants particulaires de fumée noire dans les gaz d'échappement dégagés par le moteur 21 à travers un collecteur d'échappement 23 pour empêcher que la
fumée noire ne sorte du silencieux 26.
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Pendant le fonctionnement du filtre DPF 20, des constituants de fumée noire s'accumulent dans le filtre DPF 20. Ainsi les constituants de fumée noire cumulés obstruent le filtre. Les composantes de fumoe noire cumulés sont brûlées périodiquement avec un dispositif de chauffage contenu dans le filtre DPF 20 par exemple à des fins de nettoyage. Le colmatage du filtre est détecté sur la base de la différence de pression entre l' avant du filtre et la 1 0 pression atmosphérique par le capteur de press ion à semiconducteurs 40 disposé entre le filtre DPF 20 et le moteur 21 pour détecter la pression en amont du filtre. De façon plus spécifique, le tuyau d'échappement 22 est divisé en deux éléments dans une partie intermédiaire. Un élément est raccordé au silencieux 26 et l'autre est raccordé à l' ensemble 2 incluant le capteur de pression 40, par
l'intermédiaire d'un tuyau 25.
La constance de temps du filtre incluant les résistances R5 et R6 et la capacité du condensateur C1 sont déterminées conformément à la fréquence de pulsation des gaz d'échappement provenant du moteur diesel 21 de manière à supprimer la composante pulsatoire détectée par le capteur de pression. En outre la constante de temps du filtre incluant les résistances RS et R6 et la capacité du condensateur C1 peut être déterminée en fonction d'une
vitesse du moteur diesel 21.
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Claims (4)
1. Capteur de pression à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte: un circuit en pont intégral (R1, R2, R3, R4) incluant des éléments semiconducteurs sensibles dans une structure sensible à la pression et des première et seconde bornes de sortie (C, D), et un filtre pour filtrer des signaux de sortie provenant desdites première et seconde bornes de sortie, ledit filtre comprenant: des première et seconde résistances (R5, R6), et un condensateur (C1), dont une extrémité est connectée à ladite première borne de sortie (C) par l'intermédiaire de ladite première résistance (R5) et dont l'autre extrémité est connectée à ladite seconde borne de
sortie (D) par ladite seconde résistance (R6).
2. Système d'échappement pour véhicule automobile comportant un moteur (21) et des moyens (20) diélimination des constituants particulaires contenus dans les gaz d'échappement dudit moteur caractérisé en ce qu'il comporte: un capteur de pression à semiconducteurs (40) prévu entre ledit moteur (21) et lesdits moyens (20) d'élimination de constituants particulaires pour détecter une pression de gaz d'échappement provenant dudit moteur en amont desdits moyens d'élimination de constituants particulaires comprenant: un circuit en pont intégral (R1, R2, R3, R4) incluant des éléments semiconducteurs sensibles dans une structure sensible à la pression et des première et seconde bornes de sortie (C, D), et
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un filtre pour filtrer des signaux de sortie provenant desdites première et seconde bornes de sortie, ledit filtre comprenant: des première et seconde résistances (R5, R6), et un condensateur (C1), dont une extrémité est connectée à ladite première borne de sortie (C) par l'intermédiaire de ladite première résistance (R5) et dont l'autre extrémité est connectée à ladite seconde borne de
sortie (D) par ladite seconde résistance (R4).
3. Système d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit filtre élimine une composante pulsatoire dans lesUits gaz d'échappement
provenant dudit moteur.
4. Système d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une constante de temps dudit filtre est déterminée en fonction d'une fréquence pulsatoire
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