Quand on parle de pression négative, les notions de vide et de sous-pression sont facilement confondues. En effet, la mesure de pressions inférieures à la pression atmosphérique ambiante se fonde sur deux principes en distinguant celui qui peut être mesuré par un capteur de pression relative et celui par un capteur de pression absolue. Les capteurs piézorésistifs serviront de base de démonstration se prêtant bien à ce type d'utilisation tout en ayant des limites techniques quand on approche le vide parfait.
La pression négative
Pour la plupart des applications industrielles sous vide, le vide primaire qui couvre des plages de pressions atmosphériques descendant de ~1013 mbar à environ 1 mbar est suffisant. Lorsque la pression est inférieure à 1 mbar, d’autres techniques de mesure sont nécessaires. En effet, la force mécanique qui s’exerce sur une membrane en silicium ne suffit pas à obtenir une déformation suffisante et mesurable qui garantirait également la rentabilité économique de ce procédé.
De manière générale, les valeurs indiquant le vide sont des données de pression absolue qui se réfèrent au vide parfait P0 = 0 bar. Cependant, les pressions de vacuum peuvent également être indiquées comme des pressions relatives, par exemple, « un système d'aspiration atteint une sous-pression de 190 mbar ». Cela correspond à une pression absolue de 823 mbar (pour une pression normale de 1013 mbar).
Lorsqu'on décrit une pression de vide, il faudrait donc ajouter la pression de référence, ce qui est rarement le cas. Il faut déduire du contexte s'il s'agit d'une pression relative (par rapport à la pression atmosphérique) ou d'une pression absolue (par rapport au vide absolu). Dans l'exemple de l'installation d'aspiration évoqué plus haut, c'est la différence par rapport à la pression atmosphérique qui est déterminante. Pour d'autres applications, comme le stockage de produits chimiques à l'abri de l'air, la pression absolue est la mesure de référence.
Mesure de la pression avec des capteurs en silicium
La figure 1 montre une puce de pression absolue en silicium avec une coupe transversale : elle se compose d'un socle fermé en verre (pyrex) (gris), d'une cellule de silicium (bleu) et à sa surface la membrane (bleu clair). Une cavité est gravée dans la cellule de silicium, à l'exception d'une fine couche de membrane flexible aux changements de pression. La membrane elle-même a une épaisseur comprise entre 10 et 50 μm, en fonction de la pression à mesurer. Pour mesurer une petite pression, la membrane doit être plus sensible, donc plus fine. Les lignes claires à la surface de la membrane sont les pistes conductrices en aluminium avec les plaquettes de connexion (carrés clairs) pour relier les fils au circuit externe. Les surfaces violettes sont des connexions conductrices diffusées vers les résistances piézorésistives placées plus profondément. Celles-ci ne sont pas visibles à l’œil nu entre les surfaces violettes, au bord de la concavité, dans la zone des plus grandes tensions mécaniques. Les dimensions des puces dépendent de la plage de pression et de la technologie de fabrication. Elles sont d’environ 2 - 2 - 0,8 mm3 pour les plages de pression d'environ 300 mbar à 30 bar.
Pour obtenir des valeurs de sortie standardisées et faciliter le traitement des données, un circuit intégré supplémentaire spécifique à l'application (Asic) est souvent connecté à la cellule de mesure de pression. Grace à l’Asic, les signaux de mesure peuvent être amplifiés, numérisés, compensés en température et linéarisés par des coefficients de correction. Ceux-ci sont déterminés individuellement pour chaque capteur pendant l'étalonnage chez le fabricant. Durant ce procédé, les capteurs sont exposés à différents paliers de pression et de température et parcourent un certain nombre de cycle : le but étant de linéariser le comportement du capteur, en déterminer ses coefficients de correction et les enregistrer dans l'Asic.
Mesurer avec un capteur absolu versus un capteur relatif
Lors de la mesure de la pression absolue (voir figure 1), la saisie de la pression de mesure P1 s'effectue par rapport à une pression de référence P2 dans la cavité, qui doit être suffisamment basse pour être négligeable par rapport à la pression à mesurer. Dans le cas idéal, il s'agirait de P2 = 0 bar (c’est-à-dire le vide parfait).
Il faut donc réduire au maximum la pression P2 pour refermer hermétiquement la partie en silicium avec le socle en verre, ce qui se fait par un processus électrochimique sous haute tension (anodic bonding). La sous-pression P2 (pression de référence) qui règne dans la cavité correspond au vide pendant le scellement.
Lorsque la pression est appliquée, la membrane réagit et se déforme dans la direction de la pression plus basse. Comme P1 > P2, la membrane se déforme vers l'intérieur de la cavité.
En revanche, dans les puces de pression relative, l'espace vide sous la membrane est ouvert à l'arrière sur l'atmosphère, P2 correspondant à la pression ambiante (voir figure 2). En cas de pression P1 > P2, la membrane se déforme également vers le bas, mais en cas de sous-pression P1 < P2, elle se courbe vers le haut. Comme le signal électrique de sortie peut donc s'inverser, un traitement du signal est nécessaire.
Au-delà des capteurs de pression relative, il existe des capteurs de pression différentielle qui fonctionnent selon le même principe, mesurant une différence entre deux pressions. Cependant contrairement aux capteurs de pression relative purs, P2 ne doit pas correspondre à la pression ambiante, mais une pression appliquée grâce au deuxième tube de connexion.
Point zéro décalage (offset)
Si P1 = P2, tous les types de capteurs doivent émettre une tension nulle. Tout écart représente une erreur qui doit être compensée dans l'Asic et qui est appelée tension de décalage.
Il faut tenir compte du fait que dans une cellule de mesure de pression absolue, la pression doit être mesurée par rapport au vide parfait, mais qu'une pression de référence de 0 bar dans la cavité de la puce n'est pas réalisable techniquement. Dans la pratique, on considère la pression P2 > 0 bar, présente lors de la fermeture de la puce.
Signal pleine échelle (span)
Cet intervalle (Full Span Output) est défini comme le signal de sortie à la pression de mesure maximale moins la tension d'offset. Pour un signal de sortie maximal du capteur de 4,5 V et une tension d'offset de 0,5 V, l’intervalle est de 4,0 V. Le FSO ne doit pas être confondu avec le signal Full-Scale (FS), qui est défini comme le signal de sortie maximal, y compris l'offset, soit 4,5 V dans le cas présent. Tout comme l'offset, le signal FS doit être calibré à la valeur finale de sortie souhaitée, par exemple 4,5 V ou d'autres valeurs correspondantes.
La détermination de l'offset et du span permettent de définir la courbe de réponse du capteur à température ambiante. Cependant, comme ces deux valeurs varient avec la température, ces erreurs doivent être compensées. Pour ce faire, les erreurs de température de l'offset (TCO) et du span (TCS) sont déterminées à différentes températures pendant la compensation et corrigées dans l'Asic de la même manière que l'offset et le span. Toutes ces procédures d'ajustement (étalonnage et compensation) sont effectuées pour chaque capteur individuellement chez des fabricants comme Analog Microelectronics.
Les applications
On retrouve, par exemple les capteurs de pression relative comme le Pico, du fabricant allemand MP-Sensor. dans les appareils de mise sous vide. On obtient ainsi un emballage pratiquement sans oxygène des aliments qui prolonge significativement leur durée de conservation. De même on peut également retrouver ce type de capteurs dans les ventouses utilisées pour soulever et transporter des charges planes.
Les capteurs de pression absolue sont quant à eux utilisés pour surveiller la pression lors du stockage de produits chimiques en l'absence d'oxygène. S'il n'y a pas de passage dans le récipient sous pression, comme c'est le cas pour les excitateurs en verre, un capteur alimenté par batterie et émettant par signal bluetooth peut transmettre les données sur la température et la pression pour surveiller la qualité du vide, comme c’est le cas du capteur sans fil de Amsys qui se distingue par sa petite taille.
Cependant l’application la plus populaire des capteurs de pression absolue est sans nul doute celle des capteurs barométriques pour mesurer la pression atmosphérique.
