La présente invention concerne un capteur de pression d'un fluide, utilisable par exemple sur une roue de véhicule pour détecter la pression de gonflage d'un pneumatique de cette roue.

Dans les applications nécessitant des capteurs de faible encombrement, il est connu de recourir à des capteurs formés par gravure dans des plaques de matériau cristallin. Un tel capteur de pression, dit de type résonant et reconnu pour avoir des performances supérieures aux capteurs micro-usinés courants à jauge de contrainte sur membrane, comprend un boîtier définissant un logement, au moins un résonateur reçu dans le logement et suspendu par des poutres flexibles à au moins une membrane élastiquement déformable fermant le logement. Le logement contient également des moyens d'excitation du résonateur pour mettre en vibration le résonateur et des moyens de détection d'une fréquence de vibration du résonateur. La membrane déformable est ainsi en interaction avec le résonateur de telle manière qu'une déformation de la membrane sous la pression du fluide environnant entraîne une variation correspondante de la fréquence du résonateur. Les moyens d'excitation sont agencés pour mettre en vibration le résonateur à sa fréquence de résonance et les moyens de détection sont par exemple des éléments capacitifs ou des jauges de contrainte qui fournissent à une unité de commande un signal représentatif de la fréquence de vibration du résonateur. L'unité de commande est agencée pour déduire, de la fréquence détectée, la pression s' exerçant sur la membrane .

Il apparaît que nombre de ces capteurs présentent une sensibilité réduite.

La détection capacitive, complexe à mettre au point, est ainsi moins efficace que la détection par jauge de contrainte, tout au moins théoriquement. En pratique, la détection par jauges de contrainte se révèle relativement peu performante.

Pour améliorer la sensibilité des capteurs, le circuit de l'unité de commande a été complexifié pour traiter les signaux fournis par les jauges de contrainte. Ceci a contribué à augmenter le coût et l'encombrement général du capteur sans pour autant apporter en contrepartie une augmentation suffisante de la sensibilité .

Un but de l'invention est de remédier au moins en partie à ce manque de sensibilité.

Dans les capteurs de pression à membrane, résonateur et jauge de contrainte, le matériau cristallin est un matériau semi-conducteur sur lequel la jauge de contrainte est réalisée par dopage de la surface du matériau semi-conducteur. Or, on s'est aperçu que des migrations non souhaitées des dopants au niveau de la jauge de contrainte, sur toute la longueur de celle-ci, venaient diminuer la sensibilité de ladite jauge. La mesure est fortement sensible à la température et tend à dériver avec le temps.

Selon l'invention, on prévoit, un capteur de pression en matériau semi-conducteur, comprenant un boîtier définissant un logement sous vide secondaire, au moins un résonateur reçu dans le logement et suspendu par des poutres flexibles à au moins une membrane élastiquement déformable fermant le logement qui contient également des moyens d'excitation du résonateur pour mettre en vibration le résonateur et des moyens de détection d'une fréquence de vibration du résonateur. Les moyens de détection comprenant au moins une première jauge piezorésistive de contrainte suspendue en ayant une extrémité solidaire d'une des poutres et une extrémité solidaire de la membrane. Le résonateur et la première jauge de contrainte sont agencés pour former des zones dopées sensiblement identiques en nature et en concentration .

Ainsi, la jauge de contrainte n'est en contact avec le reste du matériau constituant le capteur que par ses extrémités. La section de passage possible pour les dopants est donc extrêmement réduite, ce qui limite leur possibilité de migration. Il en est de même de l'homogénéité des dopants en nature (bore, phosphore, arsenic.) et en concentration. En outre, la suspension de la jauge de contrainte à la membrane permet de maintenir le résonateur et la jauge de contrainte sensiblement sur une même ligne de niveau lors de leur déplacement hors du plan en réponse à la pression, ce qui facilite le traitement des signaux fournis par la jauge de contrainte .

Avantageusement, la jauge de contrainte est plongée dans un vide de préférence secondaire afin d'améliorer la stabilité et les performances de la mesure (facteur de qualité, facteur de jauge...). En effet, les interactions entre la jauge et les molécules de gaz qui auraient pu être contenues dans le logement sont limitées, ce qui permet d'éviter les piégeages de charges, les frottements visqueux, etc.

Avantageusement, la jauge a une section transversale rectangulaire de côté de longueur inférieure à 1 μπι et, de préférence, égale à environ 250 nm.

La section de passage disponible pour une migration des dopants est ainsi extrêmement faible. En outre, ceci permet une plus grande latitude de positionnement de la jauge de contrainte.

Avantageusement alors, la jauge a une longueur inférieure à 10 μπι et, de préférence, d'environ 3 μιη.

La jauge est alors particulièrement compacte, ce qui permet de diminuer l'encombrement du capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention.

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique partielle de dessus d'un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique partielle de dessus d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention

- la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un capteur selon un troisième mode de réalisation .

En référence à la figure 1, le capteur de pression conforme au premier mode de réalisation de l'invention comprend un boîtier 1, ici de forme sensiblement parallélépipédique, définissant un logement 2 sous vide secondaire (dans ce mode de réalisation, la pression est d'au plus 10 ^~5 atmosphère).

Un résonateur 3, sous la forme d'une unique masselotte, est reçu dans le logement 2 et est suspendu, par des poutres flexibles généralement désignées en , à une membrane 5 élastiquement déformable fermant le logement 2 (la membrane 5 bouche une ouverture supérieure du logement 2 et s'étend dans un plan parallèle à la feuille à la figure 1) .

Le résonateur 3 a une forme sensiblement parallélépipédique de section rectangulaire comme représentée sur la figure 1. La longueur de la masse sismique du résonateur 3 est sensiblement comprise entre 20 et 40% de la longueur totale du résonateur 3, de préférence 25%. Le résonateur 3 n'est pas en contact direct avec la membrane 5. Les poutres 4 forment deux bras de suspension du résonateur 3, positionnées de part et d'autre de celui- ci, et reliées à deux plots 6 solidaires de la membrane. Les poutres 4 peuvent être dédoublées en paires de poutres parallèles. . Les plots 6 sont réalisés en une seule pièce avec la partie fine de la membrane 5 et s'étendent en saillie de celle-ci. Les plots 6 sont positionnés de telle manière que la déformation de la membrane 5 provoque un déplacement longitudinal des plots 6 qui est transmis aux poutres 4.

Le logement 2 contient également des moyens d' excitation du résonateur 3 qui sont agencés pour mettre en vibration le résonateur 3. Les moyens d'excitation comprennent ici des paires d'électrodes 7 en regard formant transducteur qui lorsqu'elles sont soumises à une tension électrique engendrent une force de déplacement sur le résonateur 3 provoquant un mouvement alternatif du résonateur 3 selon une direction 8 parallèle à la membrane 5 et perpendiculaire aux poutres 4.

Le capteur comprend des moyens de détection d'une fréquence de vibration du résonateur 3. Les moyens de détection comprennent des jauges de contrainte 9, fonctionnant en différentiel, qui s'étendent perpendiculairement aux poutres 4 et qui sont suspendues chacune en ayant une extrémité solidaire d'une des poutres 4 et une extrémité solidaire de la membrane 5 et plus précisément d'un plot 10 de la membrane 5. Les plots 10 sont réalisés en une seule pièce avec la partie fine de la membrane 5 et s'étendent en saillie de celle-ci. Les plots 10 sont positionnés de telle manière que la déformation de la membrane 5 provoque un déplacement des plots 10 qui n'est pas transmis aux jauges de contrainte 9.

Les jauges de contrainte 9 sont agencées pour former des paires différentielles fonctionnant alternativement en tension/compression et en opposition de phase. Les moyens de détection sont agencés de telle manière que les jauges de contrainte 9 vibrent dans un mode différentiel de tension-compression en dehors de leur gamme de résonance, en formant un pont de Wheatstone. Ceci permet de dé-corréler la contribution au signal de la température et la contribution au signal de la pression car la température est seule présente dans le mode commun tandis que la température et la pression sont toutes deux présentes dans le mode différentiel dynamique .

Dans l'invention, les jauges de contrainte sont agencées pour permettre la mesure d'une résistance représentative d'une fréquence du résonateur et non une capacité représentative d'une amplitude de déformation de la membrane comme cela a pu être fait dans les capteurs de l'art antérieur.

Les plots 10 sont au voisinage des plots 6 et les jauges de contrainte 9 sont reliées aux poutres 4 au voisinage de la liaison des poutres 4 avec les plots 6, de telle manière que l'ancrage des jauges 9 sur les poutres 4 soit dans une zone comprise entre 5 et 15% (avantageusement 8 à 9%) de la longueur des poutres 4.

Chaque jauge de contrainte 9 a une section transversale rectangulaire de plus grand côté de longueur inférieure à 1 μπι et, avantageusement ici, égale à environ 250 nm et de plus petit côté de longueur jusqu'à un ordre de grandeur inférieur.

Chaque jauge de contrainte 9 a une longueur inférieure à 10 μπ\ et, avantageusement ici, d'environ 3 μπι.

Le capteur, et plus précisément le résonateur 3, la membrane 5, les poutres 4, les plots 6, 10 et les jauges de contrainte 9 sont réalisés par gravure dans une plaque d'un matériau cristallin tel que du silicium par exemple allié à de l'azote ou du carbone, du silicium polycristallin ou polysilicium, ou un polymère à cristaux liquide .

Le résonateur et les jauges de contrainte étant agencés pour former des zones dopées sensiblement identiques en nature et en concentration.

L'agencement du capteur de l'invention permet de fabriquer des capteurs ayant des gammes de pression différentes sur une même galette de matériau cristallin en jouant par exemple préférentiellement sur les dimensions des membranes et des résonateurs.

Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront la même référence numérique dans la description qui suit du deuxième mode de réalisation et du troisième mode de réalisation.

En référence à la figure 2 sur laquelle est représenté le deuxième mode de réalisation, le boîtier 1 a une forme de cadre sur lequel s'étendent une membrane 5.1 et une membrane 5.2 coplanaires l'une à l'autre.

II est ainsi défini une cavité dans laquelle est disposé un résonateur 3 suspendu à la membrane 5.1 et à la membrane 5.2 par des poutres 4. Deux poutres 4 ont une extrémité solidaire du résonateur 3 et une extrémité opposée solidaire d'un plot 6.1, 6.2.

Le capteur comprend des premières jauges 9.1A,

9.2A, identiques aux jauges 9 du premier mode de réalisation, qui ont une extrémité solidaire d'un plot 10.1, 10.2 solidaire de la membrane 5.1, 5.2 respectivement et une extrémité opposée solidaire d'une des poutres 4 de telle manière que les premières jauges de contrainte 9.1A, 9.2A, perpendiculaires aux poutres 4 et parallèles aux membranes 5.1, 5.2, forment des paires différentielles. Une des jauges 9.1A est en tension lorsque l'autre des jauges 9.1A est en compression, et inversement. Il en est de même pour les jauges 9.2A. Les premières jauges de contrainte 9.1A, 9.2A fonctionnent comme les jauges de contrainte 9 du premier mode de réalisation. Chacun des plots 6 est positionné dans une zone comprise entre 20% et 60% de la moitié de la dimension de la membrane du capteur, préférentiellement selon le petit axe, depuis le centre de la membrane 5.1, 5.2 (de préférence 35%).

Le capteur comprend deux deuxièmes jauges 9.1B et deux deuxièmes jauges 9.2B qui ont une extrémité solidaire d'un plot 11.1, 11.2 à proximité respectivement des membranes 5.1, 5.2 mais non solidaires de celles-ci, et une extrémité opposée solidaire du résonateur 3 de telle manière que les deuxièmes jauges de contrainte 9.1B, 9.2B, parallèles aux poutres 4 et parallèles aux membranes 5.1, 5.2, fonctionnent en opposition de phase. Les deux jauges de contrainte 9.1B sont en tension lorsque les deux jauges de contrainte 9.2B sont en tension et inversement.

En utilisation, les membranes 5.1, 5.2 sont destinées à être soumises respectivement à une pression PI, P2.

Les premières jauges de contrainte 9.1A et 9.2A permettent de mesurer un signal proportionnel à (P1+P2) /2.

Les deuxièmes jauges de contrainte 9.1B et 9.2B permettent de mesurer un signal proportionnel à ΔΡ=Ρ1-Ρ2. Ainsi, si Pl>P2, les jauges de contrainte 9.1B seront globalement en compression et les jauges de contrainte 9.2B seront globalement en élongation, et inversement si PKP2.

En référence à la figure 3, et selon le troisième mode de réalisation, le boîtier 1, de forme parallélépipédique comprend ici quatre ouvertures latérales d'accès au logement 2 (une ouverture sur chacun des côtés du boîtier 1) . Ces ouvertures sont obturées par des membranes formant une première paire de membranes

50.1 et une deuxième paire de membranes 50.2, chaque paire de membranes obturant les ouvertures de deux côtés opposés du boîtier 1 et formant ainsi une cavité qui sera mise sous un vide secondaire. Le boîtier 1 est agencé de telle manière que la première paire de membranes 50.1 et la deuxième paire de membranes 50.2 soient soumises à des pressions différentes (mesure de pression différentielle) . Le boîtier 1 comprend à cette fin au moins une première ouverture, non représentée, d'accès aux membranes 50.1 de la première paire de membranes 50.1 et au moins une deuxième ouverture, non représentée, d'accès aux membranes 50.2 de la deuxième paire de membranes 50.2, lesdites ouvertures débouchant par exemple sur des surfaces opposées du boîtier 1. Ainsi, le capteur peut être positionné de telle manière que les membranes 50.1 soient soumises au fluide dont la pression doit être mesurée et les membranes 50.2 soient soumises à une autre pression, soit une pression à mesurer soit une pression de référence.

Les poutres 40 sont réparties en deux premières paires de poutres 40.1 parallèles entre elles et deux deuxièmes paires de poutres 40.2 parallèles entre elles reliant aux paires de membranes 50.1, 50.2 quatre côtés du résonateur 3 opposés deux à deux. Les poutres 40.1 reliées aux membranes 50.1 sont perpendiculaires auxdites membranes 50.1 et les poutres 40.2 reliées aux membranes

50.2 sont perpendiculaires auxdites membranes 50.2. Les poutres 40.1, 40.2 sont reliées directement à la partie fine des membranes 50.1, 50.2. Les premières paires de poutres 40.1 sont sensiblement perpendiculaires aux deuxièmes paires de poutres 40.2.

Le capteur comporte huit jauges de contrainte 90.1A, 90.1B, 90.2A, 90.2B reliées chacune à une des poutres 40.1, 40.2 vibrant dans un mode différentiel de 3 070084

10

tension-compression en dehors de leur gamme de résonance et formant au moins un pont de Wheatstone.

Les jauges de contrainte 90.1A liées aux poutres

40.1 de l'une des premières paires de poutres 40.1 s'étendent perpendiculairement aux poutres 40.1 et les jauges de contrainte 90.1B liées aux poutres 40.1 de l'autre des premières paires de poutres 40.1 s'étendent parallèlement aux poutres 40.1. Les jauges de contrainte 90.2A liées aux poutres 40.2 de l'une des deuxièmes paires de poutres 40.2 s'étendent perpendiculairement aux poutres 40.2 et les jauges de contrainte 90.2B liées aux poutres 40.2 de l'autre des deuxièmes paires de poutres

40.2 s'étendent parallèlement aux poutres 40.2.

Chaque jauge de contrainte 90.1A, 90.2A est suspendue en ayant une extrémité liée à une des poutres 40.1, 40.2 et une extrémité liée à un plot 100 de la membrane 50.1, 50.2 correspondante. Chaque jauge de contrainte 90.1B, 90.2B est suspendue en ayant une extrémité liée à un plot 110.1, 110.2 solidaire d'une des poutres 40.1, 40.2 et une extrémité liée directement à la partie fine de la membrane 50.1, 50.2 correspondante. Les plots 110.1, 110.2 sont réalisés en une seule pièce avec la poutre 40.1, 40.2 et s'étendent en saillie de celle- ci. Les plots 110.1, 110.2 sont positionnés de telle manière que la déformation des poutres 40.1, 40.2 provoque un déplacement des plots 110.1, 110.2 qui est transmis aux jauges de contrainte 90.

Les jauges de contrainte 90.1A, 90.2A sont utilisées pour la mesure de pression en elle-même alors que les jauges de contrainte 90.1B, 90.2B sont utilisées pour évaluer l'influence de la température sur le comportement des poutres 40.1, 40.2. On comprend en effet que les jauges de contraintes 90.1B et 90.2B mesurent essentiellement la dilation thermique des poutres 40.1, 40.2. Les signaux fournis par les jauges de contrainte 90.1, 90.2, A et B sont traités par une unité de commande, non représentée et connue en elle-même, qui est reliée au capteur.

Les jauges de contraintes 90 ont les mêmes dimensions que dans le premier mode de réalisation.

Les moyens d' excitation sont agencés pour déplacer le résonateur 3 alternativement entre deux positions selon une direction normale au plan de la feuille de la figure 3. Les moyens d'excitation comprennent au moins un élément, ici une électrode 12, de déplacement du résonateur 3 depuis une première position vers une deuxième position et un élément de rappel élastique du résonateur vers sa première position. L'élément de rappel élastique est ici constitué par les poutres 40.1, 40.2.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.

En particulier, le capteur peut comprendre plusieurs résonateurs et par exemple deux résonateurs. Toutefois, il sera difficile d'avoir deux masselottes ayant exactement la même fréquence de résonance, l'une d'entre elle n'aura pas son facteur de qualité maximum (rapport de la fréquence de résonance sur la variation de fréquence attendue) , ce qui entraînera une imprécision croissant avec la température.

Les paires de poutres peuvent être remplacées par des poutres uniques.

Le capteur peut être réalisé à partir d'une ou plusieurs plaques de matériau cristallin par gravure, collage et/ou soudure.

La membrane peut avoir une forme à contour polygonal et par exemple rectangulaire ou carré, ou bien à contour courbe et par exemple elliptique ou circulaire. Dans le cas d'une forme allongée ayant un grand axe et un petit axe, on choisira de préférence un ratio de dimensions petit axe/ grand axe compris sensiblement entre 1 et 1/2 et, de préférence, sensiblement égal à 1/1,3.

Les moyens d'excitations peuvent comprendre des électrodes planes ou d'une autre forme et par exemple en forme de peignes.

En variante, les plots 10 peuvent être en une seule pièce avec les plots 6.

En variante encore, les plots 10 sont au voisinage du résonateur 3 et les jauges de contraintes 9 sont reliées aux poutres 4 au voisinage de la liaison des poutres 4 avec le résonateur 3.