Définition d’un capteur de pression

Parmi les capteurs les plus courants (température, pression et accélération), les capteurs de pression connaissent, depuis les années 80 un essor de plus en plus important. Ils représentaient déjà, en 1989 un chiffre d’affaires de 750 millions de dollars avec une progression de 20 % par an. Ce chiffre devrait atteindre les 15 milliards de dollars vers l’an 2000 [1-1]. Cet essor s’est surtout ressenti depuis le développement des capteurs miniatures sur silicium, c’est-à-dire depuis l’utilisation des techniques issues de la micro-électronique. Cette nouvelle filière a inévitablement favorisé un élargissement considérable de leurs domaines d’applications et par suite, a introduit de nouvelles motivations au niveau de leurs cahiers des charges aussi bien économiques que techniques.

La pression est un paramètre important dans de nombreuses disciplines comme la thermodynamique, l’aérodynamique, l’acoustique, la mécanique des fluides, la biophysique, etc.. Aussi, les capteurs de pression se retrouvent dans de nombreux domaines comme étant le premier maillon d’un système de perception, de contrôle ou de mesure. Jusque dans les années 70-80, les principales applications industrielles étaient le contrôle de la pression dans les systèmes d’alarme, c’est-à dire la surveillance permanente de pressions à ne pas dépasser dans les systèmes de production, ou encore dans les canalisations à risque des réseaux de distribution et/ou d’exploitation des gaz et des fluides. Par ailleurs, le domaine d’application des capteurs de grande précision a toujours été l’aéronautique pour les mesures d’altitude et pour le contrôle de commande des systèmes hydrauliques ainsi que l’instrumentation avec de nombreuses applications particulières comme la prospection pétrolière par exemple.

Depuis le début des années 80, une demande de plus en plus forte s’est fait ressentir dans des domaines bien plus variés comme la robotique, le génie biologique et médical, l’environnement (notamment dans la métrologie et météorologie), la domotique et surtout l’automobile qui représente le secteur qui tire le marché des capteurs grâce à son grand volume de production [1-2]. Par contre, contrairement à leurs prédécesseurs, ces nouveaux capteurs ne sont plus utilisés pour un simple contrôle de la pression mais pour en faire une mesure relativement précise et qui plus est, dans des milieux difficilement accessibles comme l’intérieur du corps humain. De plus, nous pouvons ajouter que la diversité des capteurs est d’autant plus grande que la gamme de pression mesurable est étendue (de l’ultravide aux très hautes pressions).

Définition d’un capteur de pression 

La pression, comme chacun sait, constitue une variable essentielle pour l’étude métrologique d’un milieu environnant qui peut-être soit un gaz soit un fluide. La mesure de cette variable est réalisée à l’aide d’un capteur de pression, dispositif capable d’associer à la grandeur mesurée, un signal électrique reconnaissable appelé « réponse ». Nous définirons tout le long de ce mémoire, le capteur de pression comme étant un système constitué de deux parties : une partie détection que nous appellerons « Cellule sensible » et une partie traitement de l’information par l’intermédiaire d’un circuit électronique que l’on peut appeler « Circuit électronique de traitement » ou encore « Circuit convertisseur ». La partie détection est quant à elle constituée d’un « corps d’épreuve » et d’un « transducteur » qui transforme la déformation de ce corps d’épreuve en une grandeur physique, la plupart du temps électrique.

Evolution des principes de détection 

La conception d’un capteur de pression passe par des choix techniques et technologiques lesquels sont généralement guidés par l’application même du capteur. Aussi, la diversification des applications a conduit à une évolution des techniques utilisées.

Les corps d’épreuve 

Avant les années 70
Pour la plupart des capteurs existants sur le marché dans cette période, la partie détection faisait appel à l’électromécanique et utilisait des techniques dont les performances étaient relativement modestes mais acceptables par rapport à l’application qui leur était destinée. Parmi ces techniques on peut citer :
– le tube de Bourdon,
– le tube vrillé,
– le tube borgne,
– la capsule manométrique,
– les pistons,
– les membranes encastrées et les membranes ondulées,
– ou encore différents soufflets .

Il faut noter que ces techniques sont encore utilisées de nos jours, malgré leur grande taille et leur coût unitaire élevé.

A partir des années 70
Suivant les domaines d’applications, des impératifs de taille et de production de masse à faible coût ont induit une évolution de l’électromécanique vers la microélectronique. Cette filière a apporté des avantages autant techniques qu’économiques en permettant la fabrication collective de dispositifs de détection de petite taille, de bonne stabilité, et ayant la possibilité d’avoir le traitement de signal associé [1-1]. Les « nouveaux » capteurs sont donc principalement basés soit sur la déformation d’un substrat (capteurs GaAlAs [1-4]), soit sur celle d’une membrane de silicium qui, de nos jours, est le corps d’épreuve le plus répandu.

De nos jours, la majeure partie des nouvelles cellules sensibles disponibles sur le marché, est basée sur le principe de détection de type piézorésistif. Cela signifie que la détection de la pression se fait par la mesure d’une variation de résistance [1-5] à [1-7]. L’évolution des jauges métalliques déposées vers celles en polysilicium ou encore en silicium dopé, directement implantées dans le corps d’épreuve, a permis à ces composants d’atteindre de très bonnes performances et donc de monopoliser le marché [1-8]. En dépit de leurs avantages (bonne précision, faible nonlinéarité, électronique associée simple et pas nécessairement à proximité), ces composants sont extrêmement sensibles à la température et nécessitent un circuit de compensation spécifique, ce qui élève considérablement leur prix de revient unitaire. C’est pourquoi, des efforts de recherche ont été effectués sur des structures capacitives dont les avantages potentiels sont une grande sensibilité à la pression et une faible sensibilité à la température [1-9] [1-10]. Le principe de détection de ces structures capacitives est basé sur la variation d’une capacité qui peut être aussi bien liée à celle de la surface des électrodes en regard [1-11] qu’à celle de la distance entre les électrodes (le plus courant) [1-12], ou encore celle de la permittivité du diélectrique [1-13].

De manière générale, les nouvelles cellules sensibles capacitives sont réalisées selon deux technologies différentes. La première consiste à réaliser le corps d’épreuve à partir d’un substrat multicouches de silicium et d’oxyde, en effectuant un micro-usinage de surface [1- 14]. L’avantage de cette technique est qu’elle permet de réaliser des cellules de très petites taille (diamètre inférieur à 500 µm). La deuxième technique consiste à réaliser un assemblage hétérogène d’un corps d’épreuve en silicium usiné en volume et de la partie support de la contre-électrode. Cette partie support peut être soit en silicium [1-15] soit en verre [1-16]. L’avantage d’un support en verre est qu’il minimise les capacités parasites à travers le substrat.

Les circuits de traitement

Comme nous l’avons vu dans la définition d’un capteur, le circuit de traitement sert à mettre en forme un signal électrique transportant l’information donnée par le transducteur. Autrement dit, ce signal doit être l’image de la déformation du corps d’épreuve et par suite, de la pression. En ce qui concerne les filières technologiques de circuits utilisées, elles sont au nombre de quatre :
– Bipolaire,
– MOS,
– CMOS
– et BiCMOS.

Le principe de mise en forme ainsi que la technologie utilisée est en grande partie déterminée par la nature du transducteur d’une part et celle du signal désiré en sortie d’autre part. Si l’on ne considère que les deux principaux types de cellule (piézorésistive et capacitives) et qu’il ne peut y avoir que deux types de signaux de sortie (analogique ou numérique) .

Les filières d’assemblage 

Dans certains domaines, la miniaturisation peut devenir le critère essentiel comme dans le biomédical où le volume du capteur doit être inférieur au cm3 [1-21] [1-22]. C’est dans ce but qu’un nouvel axe de recherche s’est développé sur les capteurs dits « monolithiques » c’est-à-dire sur la fabrication collective et simultanée de la cellule sensible et du circuit électronique de traitement sur un même substrat [1-23]. Cela suppose une étude préalable particulière sur la compatibilité technologique des deux éléments [1-24]. Cela dit, ce type de capteur peut faciliter la diminution du prix de revient dans la mesure où il est produit en très grande quantité. Le deuxième axe de recherche consiste à fabriquer séparément chaque partie. C’est ce que l’on appelle l’approche modulaire ou hybride. Il est bien évident que dans ce cas, la miniaturisation est moins importante. Par contre, chacune des deux puces peut être davantage optimisée. En réalité, le choix d’une approche est effectué en fonction du domaine d’application et de la taille du marché. Actuellement, l’approche monolithique n’est utilisée que pour des domaines bien particuliers comme le biomédical où le faible encombrement est considéré comme un critère essentiel [1 25]. En ce qui concerne les montages hybrides, toutes les techniques conventionnelles de report de puces sur plates-formes céramiques peuvent être utilisées, comme par exemple le « Flip-Chip », pour réaliser ce que l’on appelle un montage en surface (CMS) ou encore un « Multi Chip Module » (MCM). Des études récentes ont également été effectuées sur le montage de plusieurs puces superposées (MCM-V) [1-26].

Il faut ajouter que l’approche hybride autorise l’utilisation d’une cellule avec son circuit relié à distance, par couplage électromagnétique ou par fibre optique ce qui est parfois indispensable lorsque la mesure de pression doit être réalisée dans des milieux hostiles (haute température par exemple).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Présentation générale et objectifs de l’étude
Introduction
1.1. Définition d’un capteur de pression
1.2. Evolution des principes de détection
1.2.1. Le corps d’épreuve
1.2.2. Les transducteurs
1.3. Les circuits de traitement
1.4. Les filières d’assemblage
1.5. Perspectives d’évolution générale
1.6. Cadre de l’étude
1.6.1. Contexte historique
1.6.2. Objectifs de la thèse
Chapitre 2 : Etude de la Cellule Sensible Capacitive
Introduction
2.1. Description de la Cellule Sensible
2.1.1. Principe de base
2.1.2. Caractéristiques physiques
2.1.3. Modèle électrique
2.2. Description du dispositif de mesure et de test
2.2.1. Caractéristiques du matériel utilisé et du banc de test
2.2.2. Montage des cellules sensibles
2.3. Caractérisation de la cellule sensible
2.3.1. Vérification des hypothèses simplificatrices
2.3.2. Conditions optimales de mesure
2.3.3. Réponse en pression de la cellule sensible
2.3.4. Modélisation de la réponse
2.3.5. Gammes de pression et de température
2.3.6. Etude des caractéristiques en pression et en température
2.3.7. Erreurs de mesure
2.3.8. Stabilité et dérives temporelles
Conclusion
Chapitre 3 : Etude du convertisseur Capacité/Fréquence
Introduction
3.1. Description
3.1.1. Principe de fonctionnement
3.1.2. Description des principaux éléments du circuit
3.1.3. Gamme de tension d’alimentation
3.2. Modélisation de l’oscillateur
3.3. Simulation du comportement du convertisseur
3.3.1. Simulation à température ambiante
3.3.2. Simulation de la sensibilité de l’oscillateur à la température
3.4. Caractérisation
3.4.1. Dispositif expérimental
3.4.2. Etude de l’oscillateur
3.4.3. Etude du convertisseur
3.5. Analyse des résultats
3.5.1. Valeurs des courants
3.5.2. Réponse du convertisseur
3.5.3. Comportement thermique
Conclusion
Chapitre 4 : Etude du capteur de pression élémentaire
Introduction
4.1. Modèle de la fonction de transfert du capteur
4.2. Résultats expérimentaux
4.2.1. Dispositif expérimental
4.2.2. Réponse à température ambiante
4.2.3. Réponse paramétrée en température
4.2.4. Influence de la tension d’alimentation
4.3. Potentialités et limites du capteur élémentaire
4.3.1. Validation du modèle sur PSPICE
4.3.2. Influence de la dispersion des paramètres du circuit
4.3.3. Influence des facteurs de non-idéalité sur les caractéristiques
Conclusion
Chapitre 5 : Etude du capteur de pression ratiométrique
Introduction
5.1. Choix de l’architecture
5.2. Comportement du capteur ratiométrique « idéal »
5.3. Etude expérimentale du capteur ratiométrique
5.3.1. Dispositif expérimental
5.3.2. Résolution et précision du dispositif de mesure
5.3.3. Réponse en pression paramétrée en température
5.4. Analyse comportementale par la simulation et la modélisation
5.4.1. Influence d’une dispersion des caractéristiques électriques sur la réponse
5.4.2. Influence de la valeur Ro sur le comportement du capteur
5.4.3. Influence des capacités parasites sur le comportement du capteur
5.5. Intégration du capteur ratiométrique
5.5.1. Conception
5.5.2. Réalisation
5.5.3. Caractérisation du capteur miniature
Conclusion
Conclusion générale
Annexes

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