Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

by STS Sensors on avril 6, 2018
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Jauges de contrainte dans la technologie de mesure de pression

Les jauges de contrainte sont des appareils de mesure qui modifient leur résistance électrique par déformation mécanique. Ils sont utilisés dans une variété d'instruments de mesure qui, outre les balances et les cellules de charge, comprennent également des capteurs de pression.

Les capteurs de pression reposent sur plusieurs variables physiques, dont l'inductance, la capacité ou la piézoélectricité. Cependant, la propriété physique la plus commune par laquelle fonctionnent les transmetteurs de pression est la résistance électrique qui peut être observée dans la déformation métallique, ou effet piézorésistif, des jauges de contrainte à semiconducteurs. La pression est déterminée par une déformation mécanique du support accueillant les jauges de contrainte. Si une pression agit sur le support, la déformation qui en résulte entraîne une modification de la section transversale des pistes conductrices, ce qui entraîne à son tour une modification de la résistance électrique. C'est ce changement de résistance électrique qu'un capteur de pression prend en compte et à partir duquel la pression peut alors être déterminée.

Les jauges de contrainte se déforment sous pression
Image 1: Les jauges de contrainte se déforment sous pression

La déformation agissant sur le conducteur provoquera une variation de longueur (Δl). Puisque le volume reste le même, c'est la section et donc la résistance R qui change:

ΔR/R = k • Δl/l

Le changement de résistance (ΔR) est proportionnel au changement de longueur (Δl), et le facteur de proportionnalité (k) dépendra à la fois de la géométrie et des propriétés du matériau. Alors que 'k' sera 2 pour les conducteurs métalliques, il peut aussi être très élevé dans les semi-conducteurs. En raison de ces "facteurs-k" relativement élevés pour les semi-conducteurs, ceux-ci sont plus sensibles et peuvent donc mesurer même le moindre changement de pression. La dépendance à la température, cependant, augmente également à la suite de cela.

Le changement de résistance dans les jauges de contrainte métalliques résulte des changements dimensionnels (géométrie). Dans les jauges de contrainte à semi-conducteurs, cependant, le changement est dû à des altérations de la structure cristalline (effet piézorésistif).

L'évaluation de la variation de résistance déclenchée par une déformation induite par la pression s'effectue alors via un circuit en pont. Pour ce faire, les jauges de contrainte sont connectées pour former un pont de Wheatstone (Figure 2). Deux des jauges de contrainte sont placées dans une direction radiale et deux dans une direction tangentielle. Il en est ainsi que deux deviennent étirés et deux se compressent sous déformation. Pour que les effets de température soient compensés et que le signal soit aussi linéaire que possible, il est important que les jauges de contrainte aient les mêmes résistances et soient disposées selon une géométrie exacte.

Pont de mesure de Wheatston
Image 2: Pont de mesure de Wheatston

Jauges de contrainte métalliques

Parmi les jauges de contrainte métalliques, nous devons différencier les variétés en feuilles contrecollées et à couche mince.

Les jauges de contrainte en feuille contrecollées sont constituées d'une feuille laminée de seulement quelques microns d'épaisseur. Le Constantan est normalement utilisé comme matériau, mais le Karma et Modco peuvent également le remplacer, en particulier si une gamme de température plus grande est nécessaire ou si les températures sont inférieures à -150 ° C. Le Constantan a un «facteur k» très bas de 2,05 et n'est donc pas très sensible. Compte tenu de cela, le matériau affiche une dépendance à la température plus faible, ce qui explique pourquoi il est le plus souvent utilisé dans les jauges de contrainte en feuille contrecollées.

Les jauges de contrainte en feuille contrecollées sont plus susceptibles d'être utilisées dans les cellules de charge. Souvent, ils ne sont pas assez sensibles pour être des transducteurs de pression, car ils ne peuvent pas enregistrer des valeurs de moins d'un bar. Leur plage de température est également relativement limitée et, selon les versions, des températures de 80 ° C ne doivent pas être dépassées.

Les jauges de contrainte à couche mince sont produites par une technique du même nom, par exemple par dépôt en phase vapeur ou revêtement par pulvérisation cathodique. Le processus de fabrication est plus complexe et également plus cher que pour les jauges à feuilles. En outre, il est possible d’obtenir une plage de température de 170 ° C et leur stabilité à long terme est également très bonne.

Les jauges de contrainte métalliques à couches minces permettent d'obtenir des instruments de mesure stables à long terme. Il s’est avéré que plus les pressions à détecter sont faibles, plus le coût de fabrication sera élevé. Les basses pressions, inférieures à 6 bars, sont mesurées avec moins de précision.

Jauges de contrainte à semi-conducteurs

Les jauges de contrainte à semi-conducteurs fonctionnent par effet piézorésistif. Le matériau utilisé dans la plupart des cas est le silicium. Les jauges de contrainte à semi-conducteurs tendent à être plus sensibles que la variété métallique. Ils sont généralement séparés au milieu par une membrane, la pression étant transmise par un fluide de transfert.

Dispositif de mesure piézorésistif
Image 3: Dispositif de mesure piézorésistif

Dans les matériaux semi-conducteurs, l'effet piézorésistif est environ cinquante fois plus prononcé qu'avec les jauges de contrainte métalliques. Les jauges de contrainte à semi-conducteurs sont soit collées sur un support, soit directement recouvertes d'un revêtement par pulvérisation cathodique. Ce dernier permet une liaison fiable et assure une absence d'hystérésis, ainsi qu'une résistance au vieillissement et à la stabilité de la température. Bien que l'effet piézorésistif ne soit pas exclusif à la jauge de contrainte à semi-conducteur, le terme "capteur de pression piézorésistif" est utilisé pour les instruments où la structure élastique se déformant sous pression et les résistances sont toutes intégrées dans une puce. Les transducteurs de pression piézorésistifs peuvent être de petite taille et (à l'exception de la membrane) sans pièces mobiles. Leur production est basée sur des méthodes de fabrication de semi-conducteurs normales. En même temps, il y a la possibilité d'intégrer les résistances avec la membrane élastique se déformant sous pression en une seule puce et ainsi produire une cellule de mesure de pression complète de la taille d'une seule puce.

Les jauges de contrainte à couche mince piézo-électrique sont fixées à un support en silicium et séparées du support par une couche isolante. Cela augmente les besoins de fabrication et donc aussi le prix, mais des températures comprises entre -30 ° C et 200 ° C sont possibles pour ce type de métériel. Grâce aux propriétés hautement élastiques du silicium, on ne peut s'attendre qu'à une faible hystérésis. C'est le «facteur k» élevé qui atteint la haute sensibilité, faisant des transmetteurs de pression piézorésistifs le premier choix pour les plus petites plages de pression sur l'échelle mbar. De plus, des dispositifs de faible dimension peuvent être produits, ce qui a un effet positif sur la portée des applications potentielles. D’autre part, la stabilité à long terme et la compatibilité CEM sont très bonnes, bien entendu, ces dernières dépendent du matériau porteur. La compensation en température, cependant, nécessite un peu plus d'effort, mais même ce paramètre peut être réglé lors de la production. Vous pouvez en lire plus sur la compensation de température ici.

Les jauges de contrainte à film épais sont imprimées sur des membranes céramiques ou métalliques. Avec une épaisseur de 20 microns, ils sont jusqu'à 1000 fois plus épais que les jauges de contrainte à couche mince. En raison de leurs faibles besoins de production, ceux-ci sont moins chers dans le prix, mais pas très stables à long terme en raison du vieillissement de leur film épais. 

En résumé: Le type de jauge de contrainte utilisée a une influence majeure sur l'instrument de mesure. Des facteurs tels que le prix, la précision et la stabilité à long terme jouent un rôle important dans le choix du transmetteur de pression. D'après notre expérience, les transmetteurs de pression dotés de jauges de contrainte piézoélectriques à couches minces se sont révélées les plus efficaces car, grâce à leur sensibilité, ils peuvent enregistrer de larges plages de pression avec une grande précision tout en présentant une bonne stabilité à long terme.

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