Les capteurs de pression piézorésistifs se distinguent par leur excellente sensibilité. En outre, en termes de précision et de miniaturisation, ils présentent également de nombreux avantages par rapport aux autres instruments de mesure. Dans cet article de vulgarisation, nous allons expliquer et décrire la réponse en pression des capteurs de pression piézorésistifs.
Les utilisateurs de transducteurs de pression piézorésistifs recherchent une réponse en pression linéaire, dans laquelle le signal en sortie est proportionnel à la pression appliquée. Pour cette raison, la courbe du schéma pression/signal devrait être une ligne droite, avec un point de départ indiqué par la position zéro et la sensibilité correspondant au coefficient directeur de la courbe. Mais dans la pratique, la forme réelle de la courbe pression/signal fait presque toujours apparaître un écart important avec la ligne idéale. Cette différence est connue sous le nom d’erreur de linéarité du capteur de pression. Le coefficient de la courbe, en revanche, correspond bien à la sensibilité du capteur.
Nous pouvons voir dans l’illustration qu’une partie pratiquement linéaire de la courbe apparaît lorsque le capteur est utilisé à des sensibilités basses (environ 70 % de la pression nominale de la puce). Par le biais de la sélection, il est possible de construire des transmetteurs présentant une non-linéarité très faible (de l’ordre de 0,05 % FS). La condition à cela, néanmoins, est que la plage de fonctionnement se trouve dans la section linéaire de la puce.
La sensibilité des capteurs de pression piézorésistifs
La sensibilité d’un transducteur de pression dépend dans une large mesure de deux facteurs :
- la valeur des résistances semi-conductrices et leur niveau d’efficacité piézorésistive,
- l’épaisseur du diaphragme en silicium.
La plus grande influence sur la réponse en pression repose sur l’épaisseur du diaphragme en silicium. Celle-ci est définie par ses procédés mécaniques, chimiques ou combinés. Ces procédés ne peuvent pas être contrôlés de façon suffisamment précise pour que toutes les cellules de mesure de pression présentent exactement la même sensibilité. Des catégories sont donc établies, et les capteurs de pression peuvent être utilisés pour une plage de pression particulière dans une catégorie donnée. En outre, au sein même de ces catégories, les sensibilités peuvent varier d’environ ±20 %. Cet écart peut être compensé dans le circuit électronique par le biais du courant d’alimentation ou du facteur d’amplification (calibration).
La linéarité des capteurs de pression piézorésistifs
Il est important de remarquer que pour les spécifications relatives à la linéarité, c’est % FS (pleine échelle, valeur finale) qui est appliqué dans la plupart des cas. En termes de valeur mesurée, l’erreur peut peser assez lourdement, même lorsque la spécification du fabricant indique une valeur très faible, bien que donnée en % FS.
Dans les cellules de mesures de pression, la linéarité dépend de plusieurs facteurs :
- les résistances semi-conductrices doivent être suffisamment petites, et positionnées précisement au bon endroit sur le diaphragme en silicium,
- le diaphragme en silicium doit être propre, présenter des bords nets et se trouver exactement au bon endroit,
- la linéarité est variée, que ce soit une pression positive ou négative qui soit mesurée, c’est-à-dire que le diaphragme soit renflé de manière convexe ou concave (charge en tension ou charge de compression),
- le rapport diamètre/épaisseur du diaphragme en silicium doit être dans une plage particulière. Les diaphragmes très fins vont se déformer en cas d’étirement superposé : Cet effet de ballonnement des transducteurs à de faibles plages de pression conduit à une courbe de linéarité présentant un tracé en S caractéristique (lequel ne peut pas être rectifié par des méthodes de compensation analogiques).
- Avec des diaphragmes en silicium très épais, la structure prévue du diaphragme, fixé de façon rigide au niveau des bords, n’est plus réalisable, puisque, par exemple, avec un transducteur de 1000 bars, le diaphragme fait la moitié de l’épaisseur de la puce elle-même.
La surcharge et la pression de rupture des capteurs de pression piézorésistifs
Le tracé typique d’une courbe de linéarité est en majeure partie linéaire, puis largement aplati par la suite. Dans l’intérêt d’un signal de sortie qui soit le plus large possible, il faut utiliser une section la plus longue possible de cette courbe. Jusqu’au cap des deux tiers, le tracé est tellement linéaire que l’erreur est inférieure à 0,5 % FS. Au-delà, l’erreur de linéarité devient rapidement importante, de sorte que l’on fixe une limite de précision. En dehors des plages de pression très faibles et très élevées, la plage de pression nominale peut être dépassée d’environ 50 % en règle générale avant que la cellule de mesure ne connaisse une défaillance.
Pour augmenter la protection contre les surcharges, l’idée d’un signal effectif très large doit être abandonnée. Un capteur de pression prévu lui-même pour une plage de pression plus élevée doit être employé. Bien que, par exemple, une butée mécanique puisse être déployée dans les capteurs de pression capacitatifs pour la déformation de la membrane sous pression afin d’assurer une protection très élevée contre les surcharges, cela est quasiment impossible avec les minuscules membranes de silicium des cellules de mesure de pression piézorésistives et leurs déflexions des plus minimes.
Chez STS, nous définissons la pression de rupture comme la pression à laquelle un milieu peut pénétrer le capteur et par là même détruire le diaphragme métallique. En revanche, le transducteur ne fonctionne déjà plus à ce stade. En utilisant des sondes de niveau, les enveloppes, les connecteurs des câbles et les câbles sont définitifs. Les valeurs de pression de rupture du transducteur figurant dans la fiche de données techniques sont donc négligeables.
