Capteur de pression

Présentation du capteur de pression

En clair, un capteur de pression désigne tout instrument capable de détecter la pression et de la convertir en signal de mesure (généralement un signal électrique analogique), dont l'amplitude varie proportionnellement à la pression à laquelle le composant est soumis. En raison de la conversion entre deux types d'énergie, les capteurs de pression sont également nommés « transducteurs de pression ».

Ces dispositifs sont généralement utilisés pour mesurer des variations de pression dans les gaz et les liquides pour diverses applications. La pression, mesurée en termes de force par unité de surface, est généralement définie comme étant la force nécessaire pour empêcher l'expansion d'un fluide.

À l'heure actuelle, des milliers d'applications courantes dépendent des capteurs de pression pour fonctionner correctement. Les capteurs de pression utilisent désormais une gamme extrêmement large de technologies (au moins 50) et tirent parti d'une multitude de conceptions.

 

Historique

Sans parvenir à comprendre comment cela était possible, le grand Galileo Galilei de Pise a découvert en 1594 qu'il pouvait faire s'élever une colonne d'eau de 10 mètres dans une seringue semblable à une pompe d'aspiration. Toutefois, il savait qu'il s'agissait d'une mesure, et la communauté scientifique alors naissante commença à mener des expériences pour déterminer laquelle. Cinquante ans plus tard, en 1644, un autre italien, Evangelista Torricelli, a rempli un tube de verre d'un mètre de mercure (une extrémité du tube était fermée hermétiquement) et l'a placé à la verticale dans un bol de mercure, faisant ainsi baisser la colonne à 760 mm. Spéculant sur cette découverte, le philosophe et physicien français Blaise Pascal a formulé la théorie selon laquelle le volume de vide au-dessus des 760 mm de mercure dans le tube était lié au poids de l'air qu'il pouvait contenir. Pour tester ceci, il a mené des expériences avec la colonne de mercure à différentes altitudes : le poids de l'air en haut d'une montagne serait vraisemblablement inférieur à celui qu'il aurait à basse altitude, et Pascal a effectivement confirmé que l'espace « vide » en haut du cylindre était plus petit en altitude qu'au niveau du sol. Il a nommé « pression » la force qui appuyait sur la surface du mercure.

En 1661, en utilisant des tubes en forme de J fermés hermétiquement à une extrémité, le chimiste Robert Boyle a découvert qu’il était possible de calculer la variation de pression dans le tube lorsque le volume de gaz était modifié par expansion ou contraction pour autant que la quantité de gaz et la température restent constantes.

Mais ce n'est qu'en 1843 que le premier capteur de pression a vu le jour : le « baromètre anéroïde » inventé par l'ingénieur français Lucien Vidie. Les capteurs de pression électriques ne sont toutefois pas apparus avant les années 1930. Ces composants convertissent les distorsions d'un diaphragme dues à la pression en changements de capacité électrique. Dans les années 1930 et 50, des jauges de contrainte et des jauges à feuilles encollées ont été développées pour mesurer des fluctuations de pression, mais il a fallu attendre 1967 pour entrer véritablement dans « l’ère des capteurs », lorsque le Honeywell Research Centre aux États-Unis a breveté le premier diaphragme en silicium à bords contraints. À partir de l'an 2000, les capteurs de pression piézorésistifs ont commencé à se développer et sont aujourd'hui devenus universels.

 

Aspects techniques

L'unité de pression SI standard est le Pascal, où 1 Pascal = un Newton par mètre carré, ce qui correspond approximativement à la force exercée par un billet de 5 livres sterling posé sur une table plate. S'agissant d'une quantité très faible, les pressions typiques utilisées dans les applications industrielles et de production sont mesurées en kilopascals (kPa), où 1 kPa = 1000 Pascals. D'autres mesures de pression sont utilisées : les PSI (« Pound per Square Inch », livre par pouce carré), où 1 psi (1 livre par pouce carré) = 6891 Pa ; les Bars, où 1 Bar = 105N/m2 = 100 kPa ; les Tors, où 1 Tor = 1 millimètre de mercure (mmHg) = 133,3 Pa ; et les atmosphères (atm), où 1 atm = 760 mmHg.

Aujourd'hui, les capteurs de pression à collecteur de force utilisent la déviation induite par la pression agissant sur un ressort ou un diaphragme (le collecteur de force) pour mesurer la force appliquée. Des matériaux tels que les fines couches de polysilicium, le silicium mono-cristallin et les feuilles de métal encollées, qui altèrent leur résistance électrique sous l'effet de la pression (capteurs piézoélectriques), sont désormais largement utilisés pour mesurer une pression différentielle (la différence entre la pression des deux côtés du collecteur de force), une pression absolue (la différence entre la pression ambiante et le vide parfait), une pression de jauge (la différence entre la pression ambiante et la pression atmosphérique) et une pression de vide (la différence entre la pression atmosphérique et une pression inférieure).

Les capteurs à collecteur de force qui intègrent des diaphragmes en silicium, en métal ou en céramique mesurent les variations de capacité électrique de ces matériaux en réponse à la pression appliquée. Ils sont typiquement déployés dans des applications mesurant des pressions faibles par rapport à la gamme de ces capteurs. La mesure de variations de pression plus dynamiques nécessite habituellement un capteur de technologie piézoélectrique.

Hormis les capteurs de pression à collecteur de force, d'autres transducteurs de pression utilisent des propriétés telles que la densité d'un gaz ou d'un fluide, la fréquence résonante définie par les variations de pression, les variations de conductivité thermique d'un matériau en réponse à des fluctuations de pression et des changements d'ionisation (comme dans les jauges à cathode froide et chaude) causés par des altérations de pression.

 

Applications à des produits

Les capteurs de pression sont de plus en plus utilisés dans la fabrication d'ordinateurs et de smartphones pour faciliter le fonctionnement d'écrans tactiles. Ils sont largement utilisés dans l'industrie automobile pour surveiller la pression de l'huile et du liquide de refroidissement dans les moteurs de voiture, par exemple, et pour réguler la puissance du moteur en réponse à des variations de pression du pied sur la pédale d'accélération. Ils sont aussi utilisés pour garantir le fonctionnement fiable de systèmes anti-blocage et activer des airbags de voiture.

Les capteurs de pression sont largement utilisés dans l'aéronautique pour réguler la différence entre la pression atmosphérique et la pression de l'air à l'intérieur de l'avion, non seulement pour permettre aux passagers et à l'équipage de respirer correctement, mais aussi pour garantir le bon fonctionnement des composants internes et des circuits électriques de l'aéronef.

L'industrie navale utilise des capteurs de pression pour mesurer la profondeur des sous-marins, et de nombreux instruments biomédicaux (tels que les ventilateurs et les appareils numériques de mesure de la pression artérielle) dépendent de capteurs de pression précis pour assurer le bien-être des patients.

 

Différence entre le capteur de pression et les autres capteurs

Les capteurs de pression de tous types répondent spécifiquement à des variations de la pression ambiante plutôt que de l'énergie thermique, du potentiel électrique, de l'humidité, de la lumière ou du mouvement.

 

Avantages et limites des produits actuels

Bien qu'ils aient contribué à révolutionner les industries indiquées dans la section « Applications à des produits » ci-dessus, il existe des limitations récurrentes à l'efficacité des capteurs de pression dans certaines applications. Par exemple, les écrans tactiles sur les smartphones et les ordinateurs deviennent beaucoup moins sensibles lorsque des pressions multiples sont exercées.

De même que pour de nombreux transducteurs, l'utilisation intensive (comme dans les écrans tactiles d'automobiles et d'ordinateurs) peut rapidement dégrader l'efficacité d'un capteur de pression, bien que la recherche industrielle se concentre sur cette limitation de manière prioritaire et qu'une nouvelle génération de capteurs de pression plus robustes soit susceptible de voir le jour dans un avenir proche.