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Capteur de pression Quelques déﬁnitions Présentation de quelques manomètres Cap

Capteur de pression Quelques déﬁnitions Présentation de quelques manomètres Capteur de pression MEMS Quelques déﬁnitions IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques déﬁnitions • La pression est le rapport entre une force et une surface P=F/S • Dans le système SI, l’unité de pression est le pascal (Pa) mais beaucoup d’autres unités peuvent être utilisés. cf. tableau ci-dessous 3 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques déﬁnitions • La pression atmosphérique normale correspond à une hauteur de mercure de 760 mm à 0 °C sous une accélération normale de la pesanteur (g = 9,8066 m/ s). Elle est égale à 101325 Pa et est souvent exprimée en mbar. • Dans le domaine du vide, on utilise le torr • Pression absolue : c’est la pression réelle dans une approche physique • Pression atmosphérique : c’est la pression absolue de l’atmosphère au niveau moyen de la mer. A 15 °C, elle vaut 1013 mbar. Elle peut varier de +/- 15 mbar avec la pluie et le beau temps 4 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques déﬁnitions • La pression relative : c’est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique. Elle est le plus souvent utilisée car la plupart des capteurs sont soumis à la pression atmosphérique. • La pression différentielle : c’est la différence de deux pressions, dont l’une sert de référence. Une pression différentielle peut donc être négative. • le vide : il correspond à une pression absolue nulle. Ceci ne peut bien évidemment jamais être atteint. L’obtention et la mesure de vide “poussé” nécessite des techniques très particulières http://gatt.club.fr/ 5 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Pression pour les ﬂuides • Pression hydrostatique : • P=ρ⋅g⋅z • avec P la pression (Pa), ρ la masse volumique du ﬂuide (kg/m3), g la constante de gravitation (m/s2) et z la hauteur de ﬂuide La pression au fond de ces 4 récipients est identique • Compression d’un ﬂuide 6 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Pression pour les ﬂuides • Pression hydrodynamique : un ﬂuide se déplaçant à une vitesse v crée une surpression donnée par 1/2⋅ρ⋅v2. • La pression totale d’un ﬂuide est la somme des pressions existantes dans le ﬂuide. Celle-ci est la même en tous points pour un ﬂuide horizontal (incompressible et de viscosité négligeable). C’est le théorème de Bernouilli. 7 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Principe de base • On retrouve les deux possibilités “classiques” des capteurs passifs essentiellement : • Déformation d’un corps d’épreuve : sous l’effet de la pression, un élément mécanique se déforme. L’élément de déformation peut être une membrane, un tube, une capsule • Modiﬁcation des propriétés d’un matériau • Utilisation de MEMS (Micro-Mechanical Systems) 8 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Exercices • Exprimer la pression atmosphérique normale en cm d’eau • Estimer la pression hydrostatique (en pascal) dans le fond d’une cuve remplie d’eau et de 5 m de hauteur 9 Présentation de quelques manomètres J.M. Routoure : cours capteur. Manomètres basiques h=P/(ρ⋅g) Amélioration : => capteur de niveau et corps d’épreuve=hauteur de liquide ! J.M. Routoure : cours capteur. Tube de bourdon => capteur de position et corps d’épreuve=position de l’extremité du tube ! • La pression dans le tube modiﬁe le rayon de courbure de celui-ci • La déformation du tube est proportionnelle à la pression dans le tube • Un dispositif à engrenage permet d’effectuer une lecture de la valeur • Inventé par Eugène Bourdon (1808-1884) J.M. Routoure : cours capteur. Manomètres à membranes http://gatt.club.fr/ => capteur de position et corps d’épreuve=position de la membrane ! • La pression déforme une membrane • La déformation est proportionnelle à la différence de pression de chaque coté de la membrane • Un dispositif à engrenage permet une lecture de la pression PA PB PA=PB exercice : représenter la membrane pour les 3 cas de pression PA PB PA>PB PA PB PA<PB Capteur de pression (i.e. grandeur électrique en sortie) IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Deux exemples • Utilisations de jauges de contrainte : utilisation d’un membrane comme corps d’épreuve et les jauges de contraintes mesures les déformations de la membrane • Circuit intégrés utilisant un circuit en silicium : étude des caractéristiques des différents circuits • Et bien d’autres exemples... 15 Jauges de contraintes Présentation des jauges de contraintes IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Déﬁnitions • Contrainte = allongement relatif ε=dl/l • une jauge de contrainte = résistance qui s’allonge suivant un seul axe => variation de résistance dR/R=K⋅ε en raison d’effets piézoélectriques + modiﬁcation du volume • K : facteur de jauge ref wikipedia http://auditoires-physique.epﬂ.ch/uploads//123/12 18 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques photos 19 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Matériaux utilisés Le matériau composant les jauges doit avoir une bonne résistance à la fatigue une aptitude au soudage et une bonne tenue en température. On utilise les matériaux suivants : "▪"Constantan (alliage 55% Cu, 45% Ni), couramment utilisé. Il supporte des températures de 200°C. "▪"Karma (alliage 74 Ni, 20 Cr, 3% Cu, 3% Fe), meilleur sensibilité et peut être utilisé jusqu'à 350°C. "▪"Platine – Tungstène (92% Pt, 8% W), plus cher mais présente une meilleur résistance à la fatigue. Il reste donc pour des utilisations spéciﬁques. "▪"Semi-conducteurs (Silicium). Ils ont une sensibilité bien meilleur (50 à 100 fois plus) mais ont une moins bonne linéarité et sont plus sensibles aux variations de température. source : wikipédia 20 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Facteur de jauge http://www.omega.com/Literature/Transactions/volume3/strain.html http://www.efunda.com/designstandards/sensors/strain_gages/strain_gage_sensitivity.cfm 21 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Mise en oeuvre • la jauge est réalisée sur un support souple et doit être collée sur la pièce dont on cherche la contrainte http://www.omega.com/Literature/Transactions/volume3/strain.html 22 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Mise en oeuvre • en fonction de la déformation, la jauge est étirée ou compressée ref wikipedia 23 Capteur de pression utilisant des jauges de contraintes IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Jauges de contraintes Figure from: Hesse, Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation 25 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Jauges de contraintes 26 Circuits intégrés capteur de pression IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 MEMS en silicium • Coût de fabrication réduit • Industrie microélectronique = 30 ans d’investissement colossaux = grande maitrîse des procédés de fabrications • Facteur de jauge relativement élevé pour le silicium • Intégration monolithique (dans le même substrat) de la membrane, de la jauge de contrainte, de l’électronique de conditionnement 28 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Un exemple de réalisation Figure from: Bonfig, Sensoren 29 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques composants 30 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Quelques composants 31 Et bien d’autres exemples IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Capteur capacitif Déformation d’une membrane http://gatt.club.fr/ 33 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Capteurs inductifs 34 IUT GC GP Capteur. Routoure 2010-2011 Capteur capacitif différentiel http://gatt.club.fr/ 35 uploads/Philosophie/ 06-capteur-pression-1.pdf