Capteur de pression pour températures étendues
Un certain nombre d'applications de capteurs de pression dans des environnements difficiles tels que les équipements industriels, automobiles, aérospatiaux et même médicaux présentent aux développeurs des exigences contradictoires qui entraînent des compromis coûteux. Généralement, ces capteurs sont utilisés pour mesurer le débit, le niveau et la pression de fluides agressifs tels que le réfrigérant, l'huile, le gaz ou d'autres solvants caustiques qui peuvent endommager l'élément capteur. Des défis supplémentaires surviennent en raison des exigences de température étendues, même au-delà de la compensation pour des lectures de pression précises.
Les spécifications aérospatiales et automobiles sont particulièrement strictes, avec des plages de température de fonctionnement allant de -40 °C à +150 °C. Et ces applications robustes ont généralement des exigences élevées en matière de précision et de fiabilité, car la défaillance des composants peut entraîner des risques pour la sécurité ou des rappels de produits. Pour répondre, les fabricants d'équipements dépendent d'une maintenance continue coûteuse et du remplacement des composants pour contourner la courte durée de vie inhérente du capteur.
Défis
Malgré le fait que l'emballage du composant du capteur est important pour résoudre ce problème, c'est un défi qui, jusqu'à récemment, échappait aux fabricants de capteurs. Prenons un cas d'utilisation typique. Une application automobile telle que la détection de conduite de carburant à essence ou diesel nécessite un élément de capteur scellé qui peut être installé dans la conduite de carburant pour détecter les changements de pression qui signifient un filtre à carburant bouché, qui offre un signal de retour à l'ordinateur de la voiture pour avertir le conducteur. Les moteurs d'avion, les commandes et les engrenages des soupapes, les systèmes de détection de fuites ou la mesure et le contrôle des compresseurs dans les équipements industriels ont généralement des exigences similaires. Bien que les applications médicales n'exigent pas que le capteur de pression fonctionne dans des fluides aussi sévères que l'essence, même une solution saline peut éventuellement être corrosive, et le processus de nettoyage et de stérilisation nécessite généralement un contact répété avec des produits chimiques caustiques tels que l'eau de Javel.
Le principal problème est que les adhésifs utilisés pour réaliser le joint de pression et protéger la matrice du capteur et les circuits associés finissent par se ramollir dans le fluide environnant. Le circuit du capteur est rompu dès que le sceau se rompt, créant ainsi une défaillance de fiabilité familière qui peut être coûteuse si elle provoque un rappel de produit ou nécessite une maintenance et un remplacement réguliers du sous-système de détection.
Figure 1. Ensemble de capteurs montrant une entrée par l'arrière pour protéger les circuits électroniques des supports agressifs.
La difficulté d'emballage est encore accrue en raison des exigences de température étendues. Malgré le fait que certains adhésifs les plus récents sont capables de résister à des températures plus élevées que par le passé, l'humidité peut détruire la force de liaison de la plupart des adhésifs et ils risquent toujours de se détacher à des pressions de 300 psi. Bien qu'il existe des époxy exotiques qui peuvent résister à certaines températures extrêmes d'humidité, le stockage et l'application entraînent des problèmes de fabrication supplémentaires, et ces époxy sont capables d'affecter la précision de l'élément de détection dans les applications à température prolongée.
Solution
Afin de bien fonctionner dans les plages comprises entre -40 °C et +150 °C, un capteur de pression nécessite un élément MEMS stable ainsi que des processus de conditionnement et de fabrication stables. Cependant, l'instabilité se produit généralement en raison des différences de TCE (coefficients de dilatation thermique) de la puce MEMS et du substrat sur lequel elle est montée. Bien que l'acier inoxydable puisse être considéré comme un substrat parfait, son TCE est bien supérieur à celui du silicium. Le métal se dilate et se contracte à mesure que la température change, tandis que les éléments en silicium soudés dessus subissent des changements beaucoup plus petits. L'élément MEMS réagit aux contraintes causées par les différences de TCE, induisant des erreurs qui ressemblent à des changements de pression dans le système, ce qui pose aux concepteurs de systèmes un nouveau problème de fiabilité.
Une nouvelle approche innovante de conditionnement du capteur de pression crée une liaison eutectique sur le substrat céramique en utilisant un alliage de soudure or-étain pour un joint hermétique même à des plages de température extrêmement larges, dans des fluides agressifs et à haute pression. Le substrat en céramique présente un TCE proche du silicium, de sorte qu'il n'y a pas de décalage thermique considérable, et l'étain et l'or sont des éléments de soudure courants qui adhèrent bien aux fluides agressifs.
Alors que la fabricabilité est affectée par leurs points de fusion individuels élevés, un alliage avec un point de fusion beaucoup plus bas est produit par une liaison de soudure or-étain avec un rapport de 80:20. Cela améliore à son tour la fabricabilité tout en conservant les avantages des deux métaux dans des environnements difficiles. Malgré le fait que cette soudure or-étain est plus chère que l'adhésif, le différentiel de coût est faible par rapport à l'amélioration considérable des coûts de maintenance et de la fiabilité à long terme.
Tableau 1. Comparaison des types de boîtiers de capteurs de pression selon les exigences d'applications sévères.
Conclusion
Vérifier si le fluide sous pression entre par l'arrière ou par le haut du capteur est un aspect supplémentaire à prendre en compte lors de la comparaison des approches d'emballage du capteur. Le circuit doit être protégé de la corrosion ou des courts-circuits si la pression se trouve sur le côté supérieur du capteur. Cette protection est généralement obtenue avec un gel protecteur. Cependant, un gel qui est suffisamment rigide pour supporter des fluides corrosifs est généralement également suffisamment rigide pour provoquer une contrainte sur l'élément MEMS, ce qui, à nouveau, produit des erreurs de détection. Au contraire, l'entrée arrière ne découvre que la fixation de la matrice eutectique, le verre et le silicium au milieu sous pression, des éléments qui ont fait leurs preuves pour résister à ces environnements difficiles.
Figure 2. Les capteurs Merit Sensor pour milieux durs et températures étendues sont disponibles avec une virole (à droite), des broches et une virole (à gauche) en option et un joint facial standard. (Haut).
Les développeurs de systèmes qui ont besoin de capacités de détection de pression dans des applications à température prolongée et à milieux difficiles ont constaté que l'emballage est important pour réduire les coûts de possession et améliorer la fiabilité de la durée de vie du produit. Ce défi a finalement été résolu.
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