La stabilité a long terme des capteurs de pression

by STS Sensors on mars 2, 2018
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La stabilité a long terme des capteurs de pression

Des facteurs tels que la température et les contraintes mécaniques peuvent avoir des effets négatifs sur la stabilité à long terme des capteurs de pression. Cependant, les effets peuvent être minimisés par des tests minutieux pendant la production.

Les fabricants indiquent généralement la stabilité à long terme de leurs capteurs de pression dans les fiches techniques. La valeur donnée dans ces fiches techniques est déterminée dans des conditions de laboratoire et se réfère à la variation maximale attendue du point zéro et de l'étendue de sortie au cours d'une année. Par exemple, une stabilité à long terme de <0,1% FS signifie que l'erreur totale d'un capteur de pression peut se détériorer de 0,1% de l'échelle totale au cours d'une année.

Les capteurs de pression prennent généralement un certain temps pour se stabiliser. Comme déjà mentionné, le point zéro et la sensibilité (signal de sortie) sont les principaux facteurs à mentionner ici. Les utilisateurs remarquent habituellement des changements de point zéro car ils sont faciles à reconnaître et à ajuster.

Comment la stabilité à long terme peut-elle être optimisée?

Afin d'obtenir la meilleure stabilité à long terme possible, ce qui signifie que seuls des changements minimes se produisent pendant la durée de vie du produit, l'élément central doit être finement sélectionné: la puce du capteur. Un capteur de pression de haute qualité est la meilleure garantie pour une fonctionnalité optimale à long terme. Dans le cas des capteurs de pression piézorésistifs, il s'agit de la puce de silicium sur laquelle le pont de Wheatstone est imprimé. La base d'un capteur de pression stable est définie au début du processus de production. Une qualification poussée de la puce de silicium est donc primordiale pour la production de capteurs de pression avec une grande stabilité à long terme.

L'assemblage du capteur est également décisif. La puce de silicium est collée à l’intérieur d’un boîtier. En raison des effets de la température et d'autres influences, la puce collée peut se déplacer et ainsi influer également sur la contrainte mécanique exercée sur la puce de silicium. Des résultats de mesure de plus en plus inexacts en découlent.

La pratique a montré qu'un nouveau capteur prend du temps à se stabiliser - surtout la première année. Plus un capteur est ancien, plus il est stable. Afin de minimiser les développements indésirables et de mieux évaluer le capteur, celui-ci est vieilli et soumis à des tests avant de quitter la production.

Pour stabiliser les nouveaux capteurs de pression, STS les traitent thermiquement pendant plus d'une semaine. Le "mouvement", qui est susceptible de se produire dans un capteur sans traitement la première année est, ici, corrigé grâce à une forme de vieillissement artificiel.

Thermal treatment of piezoresistive pressure measurement cells

Le capteur est soumis à d'autres tests afin de le caractériser. Cela comprend l'évaluation du comportement du capteur individuel à diverses températures ainsi qu'un traitement sous pression dans lequel  le dispositif est exposé à la surpression prévue sur une plus longue période de temps. Ces mesures servent à caractériser chaque capteur individuellement. Cela est nécessaire pour pouvoir faire des déclarations fiables sur le comportement de l'appareil de mesure à différentes températures ambiantes (compensation de température). 

Par conséquent, la stabilité à long terme dépend largement de la qualité de la production. Bien sûr, des étalonnages et ajustements réguliers peuvent aider à corriger les changements. Cependant, ceci ne devrait pas être nécessaire dans la plupart des applications: des capteurs correctement produits fonctionneront pendant longtemps.

Quelle est la pertinence de la stabilité à long terme?

La pertinence de la stabilité à long terme dépend de l'application. Cependant, elle est plus importante dans la gamme basse pression. D'une part, cela est dû au fait que les influences externes ont un effet plus fort sur le signal. D’autre part de petits changements dans la contrainte mécanique de la puce ont un effet plus important sur la précision des résultats de mesure. De plus, les capteurs de pression réalisés pour des applications basse pression sont basés sur une puce de silicium dont l'épaisseur de la membrane est souvent inférieure à 10 μm. Par conséquent, un soin particulier est requis lors de l'assemblage.

Detailed view of a bondend and glued pressure measurement silicon chip

Malgré la bonne utilisation du produit, une stabilité et une précision infinie est physiquement impossible. Des facteurs tels que l'hystérésis de pression et l'hystérésis de température ne peuvent pas être complètement éliminés. Ils font partis, pour ainsi dire, des caractéristiques d'un capteur. Les utilisateurs peuvent s’adapter en conséquence. Pour des applications de haute précision, par exemple, l'hystérésis de pression et de température ne doit pas dépasser 0,02% de l'échelle totale.

Il convient également de mentionner que les lois de la physique imposent certaines limites à la stabilité à long terme d'un capteur. L'usure est à prévoir dans les applications particulièrement exigeantes telles que celles à hautes températures fluctuantes. Des états physiques élevés, constants, au-delà de 150 ° C finissent par détruire le capteur: la couche métallique, qui sert à entrer en contact avec les résistances du pont de Wheatstone, diffuse dans le silicium et disparaît intégralement.

Les utilisateurs qui exploite les appareils de mesure de pression dans des conditions extrêmes ou qui exigent le plus haut niveau de précision devraient donc convenir des options avec le fabricant, de manière très précise.

Topics: Mesure de la pression, Transmetteurs de pression, Capteur de pression piézorésistif, Protection contre les surtensions, Précision, Stabilité à long terme

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