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Mike Powers, directeur du marketing produit pour Gems Sensors and Controls, examine l'évolution de la technologie de capteur de pression

transducteurs

Les transducteurs de pression sont largement utilisés dans les applications industrielles et de processus, où ils doivent souvent résister à des conditions de fonctionnement difficiles, des pointes hydrauliques à haute pression à des températures extrêmes, aux chocs et vibrations. Dans chaque cas, les transducteurs doivent fonctionner de manière fiable, cohérente et précise sans maintenance ni recalibrage; En effet, les transducteurs modernes devraient désormais être des instruments véritablement adaptés et oubliés.

Cependant, dans chaque transducteur, il existe généralement un mécanisme de détection de pression extrêmement sensible, associé à un boîtier électronique sophistiqué. Ensemble, ils peuvent fournir une précision meilleure que 0.25% de la sortie à pleine échelle, avec une dérive presque nulle dans le temps, mais avec une réponse aux changements de pression de 1msec ou moins, et une durée de vie dépassant le million de cycles 100.

Ces performances exceptionnelles ne sont possibles que grâce à un certain nombre de méthodes de construction très innovantes et soigneusement contrôlées. Trois d'entre eux utilisent une technologie de jauge de contrainte avancée: film mince pulvérisé, dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et silicium micro-usiné (MMS); tandis qu'un quatrième utilise la capacité comme méthode de détection des changements de pression.

Atomiquement lié
La technologie des couches minces pulvérisées a été développée il y a une trentaine d'années et est issue des processus de fabrication utilisés par le secteur de l'électronique pour la production de circuits intégrés. La technique de production, bien que relativement simple, nécessite des systèmes d'ingénierie avancés et des conditions soigneusement contrôlées pour créer un capteur de jauge de contrainte à liaison atomique sur un diaphragme en acier inoxydable.

Ceci est produit en plaçant un matériau tel que le dioxyde de silicium dans un vide puis en le bombardant d'ions argon. Les atomes qui sont ensuite libérés sont déposés dans une couche sur une poutre en acier inoxydable pour former la couche isolante de base de la jauge de contrainte; En utilisant le même processus, il est ensuite recouvert de couches supplémentaires d'un matériau de jauge approprié, avant d'être structuré à l'aide de techniques de photorésist. Les zones non désirées sont éliminées par attaque par pulvérisation cathodique afin de créer une jauge de contrainte isolée diélectriquement dans un agencement de pont de Wheatstone classique, qui est monté à l’inverse d’un diaphragme en acier inoxydable.

Le déplacement de la membrane provoque ainsi la flexion de la jauge de contrainte, soit en compression, soit en tension, la puissance électrique étant directement proportionnelle à la pression ou au vide appliquée. La sortie du capteur est connectée à l'électronique embarquée, l'ensemble de l'unité étant contenu dans un boîtier compact et étanche en acier inoxydable.

Cette construction est extrêmement robuste, le diaphragme étant adapté au contact direct avec presque tous les liquides, huiles et gaz. De plus, les matériaux de construction du mécanisme du capteur et du transducteur dans son ensemble sont thermiquement compatibles pour minimiser les erreurs non répétables d’hystérésis et de stabilité thermique, et pour garantir que les coefficients de zéro thermique et les variations de sensibilité restent constants sur une large plage. bande de température.

La production en volume
Bien que les transducteurs de pression à couche mince offrent des niveaux de performance et une stabilité à long terme exceptionnels, la complexité mécanique des capteurs de «première génération» signifie qu’ils pourraient être relativement coûteux à fabriquer en grande quantité. C’est pour répondre à ce besoin que le procédé de dépôt chimique en phase vapeur a été conçu à l’origine, utilisant des processus de fabrication de semi-conducteurs pour produire plusieurs capteurs à moindre coût, tout en conservant de nombreux avantages et caractéristiques de performance des dispositifs à couches minces.

Capteurs CVD sont produits sur des plaquettes en grandes séries, en utilisant du polysilicium déposée sur un substrat en acier inoxydable, avec les motifs de jauge de contrainte étant broyés par voie chimique. La plaquette est ensuite divisé pour produire des faisceaux de capteurs individuels, qui sont soudés au laser pour un acier inoxydable de sommation diaphragme et l'orifice de pression, avant d'être relié à l'électronique interne pour le conditionnement de signaux et d'amplification.

Ce processus permet de produire des ensembles de capteurs en volume et à faible coût unitaire. Chaque capteur génère une sortie électrique élevée à partir d'une faible déflexion mécanique, simplifiant ainsi le traitement du signal, et est intrinsèquement stable avec une précision inférieure à 0.5%. Il offre également une longue durée de vie et une excellente résistance aux chocs de pression et aux vibrations mécaniques. De plus, l'utilisation d'un brasage sous vide à haute température de l'acier inoxydable lors de la production du capteur crée une structure avec une hystérésis et un fluage faibles, ainsi qu'une résistance élevée et une résistance à la corrosion.

Solutions plus petits
Traditionnellement, la plupart des transducteurs de pression ont été fabriqués avec un diamètre extérieur d’environ 25mm. Ceci est satisfaisant pour de nombreuses applications de processus et industrielles; Toutefois, dans le secteur de l’eau, des déchets et du forage, où la tendance est aux trous de forage de plus petit diamètre, une unité de diamètre plus étroit d’environ 19mm est nécessaire. Ceci est difficile à réaliser avec les méthodes de production de couches minces et de CVD, où la taille de chaque capteur est limitée par les exigences mécaniques du diaphragme.

En comparaison, les capteurs en silicium micro-usinés sont fabriqués avec une technologie similaire à celle utilisée dans la fabrication de circuits intégrés sur des plaquettes de silicium, avec une implantation ionique permettant à une structure de jauge de contrainte d'être diffusée dans le réseau interne du silicium. Cela optimise les propriétés mécaniques et électroniques uniques du silicium, ce qui permet de réduire proportionnellement la taille du capteur et du diaphragme sans nuire aux facteurs tels que l’hystérésis, la linéarité ou les performances dans des conditions de fonctionnement difficiles. Comme avec la technologie CVD, les méthodes de production utilisées pour les transducteurs MMS permettent de fabriquer des volumes plus importants à un coût unitaire moindre, bien que contrairement aux dispositifs CVD où la membrane est en contact direct avec le fluide, les capteurs MMS sont généralement protégés par des membranes d'isolation remplies d'huile.

Moins exigeants
Dans un certain nombre de demandes, les exigences de surveillance et de contrôle de la pression peut être relativement modeste, appelant à un faible coût, fiable mais pas nécessairement dispositif très spécifique; ou à l'inverse un dispositif qui est capable de fournir des mesures à basses pressions et à des niveaux raisonnables de précision, typiquement ± 1% de déviation pleine échelle.

Ce besoin peut être satisfait par l'utilisation de capteurs de capacité, où un diaphragme en céramique flexible et une plaque fixe forment les deux surfaces de capacité. La pression ou le vide appliqué au diaphragme provoquera donc une variation proportionnelle de la capacité, le signal de sortie étant à nouveau envoyé directement à l'électronique intégrée pour un conditionnement et une amplification ultérieurs.

Il convient de noter que, bien que ces dispositifs sont peu coûteux, avec une bonne tenue en température, elles sont également limités dans la demande; en particulier, la construction de capteur emploie souvent l'utilisation de joints toriques d'étanchéité qui peuvent être sujettes à des fuites. Un grand soin doit également être versée aux problèmes potentiels de compatibilité des médias avec les joints utilisés.

Electronique détiennent la clé
Les technologies de transducteur décrites ci-dessus sont disponibles depuis un certain temps et ont fait leurs preuves dans de nombreuses applications différentes. Dans chaque cas, les processus de fabrication respectifs ont évolué au cours des dernières années. Cette évolution, combinée à des modifications détaillées de la conception et des matériaux de construction, a permis une amélioration constante dans des domaines tels que la performance, la stabilité et la fiabilité.

Par exemple, les derniers dispositifs CVD utilisent désormais des ensembles de capteurs plus petits et ont été conçus pour réduire les dimensions globales, afin de pouvoir être utilisés dans les plages de pression basses (0-16bar). Inversement, la capacité des dispositifs à couches minces a été étendue à 2,200bar, tandis que la taille, le poids et les coûts de fabrication ont été réduits afin de répondre aux besoins des systèmes hydrauliques haute pression et d’injection de rails diesel.

Les développements les plus importants ont peut-être été les paquets électroniques, de plus en plus alimentés en transducteurs de pression. En particulier, bon nombre des derniers appareils et transducteurs à couches minces intègrent la technologie ASIC (circuits intégrés à application spécifique) avancée, qui permet d’optimiser les performances et les fonctionnalités de chaque transducteur afin de répondre aux exigences spécifiques du marché, des applications ou des clients.

Ces améliorations peuvent aller d’améliorations de la précision totale aux diagnostics intégrés, en passant par la possibilité d’analyser les données, avec la sortie numérique directe, vers des systèmes de contrôle de processus de niveau supérieur. Le traitement numérique permet également de mettre facilement en réseau des périphériques et de les relier à un automate, afin de constituer un système de contrôle discret et économique pour les domaines dans lesquels le coût et la complexité d'une technologie de niveau supérieur seraient inappropriés.

De même, pour les appareils tels que les transducteurs Gems MMS, où ils sont utilisés pour la surveillance du niveau hydrostatique avec des liquides à l'évolution des densités, l'utilisation de la technologie micro processeur permet à la fois la température et la pression à surveiller et les résultats à être traitées avec une densité connue, pour produire une lecture de niveau extrêmement précis.

L’utilisation de la technologie ASIC, associée à l’amélioration des techniques de fabrication en série, a souvent permis de réduire le coût unitaire des transducteurs d’un facteur 10; Par exemple, les performances précédemment associées aux unités vendues pour £ 300 peuvent désormais être livrées à partir de périphériques coûtant moins de 30 £. En conséquence, il est possible que l’utilisation des transducteurs de pression devienne encore plus répandue et que la technologie joue un rôle encore plus important dans l’acquisition de données et le contrôle du système.

Pour plus d'informations sur Gems Sensors s'il vous plaît contacter:

Gems Sensors and Controls
Basingstoke
Hampshire.

Peut être contacté sur

Tel: + 44 (0) 1256 320244.
Email: [EMAIL PROTECTED]
Web: www.gemssensors.com

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