Brevet FR2001021A1 — publié le 19690919

On sait que diverses grandeurs physiques peuvent être mesurées à l'aide de dispositifs dans lesquels des éléments à résistance électrique sont montés de telle façon que la valeur de la résistance constitue une mesure de la valeur d'une grandeur 5 physique ou que la variation de cette résistance constitue une mesure de la variation de la valeur d'une grandeur physique. Dans certains cas, pour traduire des grandeurs physiques en valeurs ohmiques, on met à profit la sensibilité à la température d'éléments à résistance. C'est notamment le cas dans 10 des dispositifs servant à mesurer des pressions de gaz (Journ. Sci. Instr. 1965.» Vol. 42, page 342), de température et de vitesses d'écoulement de gaz et de liquides et de variations ou de fluctuations rapides de ces grandeurs. Par ailleurs, on peut par exemple mettre à profit la sensibilité à la température d'élé-15 ments à résistance, dans des bolomètres, pour mesurer un rayonnement électromagnétique, dans des chromatographes au gaz, dans des dispositifs garde-flamme et pour le réglage de niveaux de liquides. La valeur ohmique qui s'établit par suite d'une variation de température mesure, dans tous ces cas, les grandeurs 20 physiques à détecter. Dans d'autres cas, on met à profit le fait que la valeur ohmique de certains éléments à résistance varie par suite de déformations mécaniques réversibles des éléments qui se produisent sous l'influence d'une pression, d'une traction, d'une 25 flexion ou d'une torsion. C'est par exemple le cas avec des jauges de contrainte, des instruments de pesage électromagnétiques, des microphones et des dispositifs pour mesurer de fortes pressions de fluides, dans lequel les éléments à résistance sont déformés. Dans ces dispositifs, la valeur de la résistance sert 30 également à mesurer la grandeur physique. En général, dans les dispositifs mentionnés ci-dessus, il est important que les éléments à résistance aient une grande sensibilité, une réponse rapide et une grande stabilité dans les conditions dans lesquelles ils sont utilisés. Dans les cas où 35 les éléments sont d'autre part exposés à des températures très élevées et très basses, il faut encore que cette sensibilité, cette réponse et cette stabilité se maintiennent dans une large gamme de températures. Compte tenu de la sensibilité et de la vitesse de 40 réponse exigées, il est indispensable que les éléments à résis- 2001021 tance en question aient une faible masse et que leur longueur soit grande par rapport à leur épaisseur. La longueur doit être au moins de l'ordre de quelques millimètres, pour permettre l'application de contacts électriques et le montage de l'élément 5 et de façon qu'il subsiste une partie active suffisamment grande. Un inconvénient des éléments à résistance constitués par des fils métalliques ou par des matériaux semiconducteurs polycristallins obtenus généralement suivant un procédé employé dans la technique de la céramique, qui sont utilisés pour mesu-10 rer des grandeurs physiques, est la faible résistance mécanique qu'ils présentent lorsqu'ils ont les faibles dimensions, avantageuses pour ces applications. Les éléments à résistance constitués par des monocristaux de carbure de silicium, qui ont été préconisés il y a quel-15 ques années (Jour. Sci. Instr. 1965, Vol. 42, page J>k2) pour quelques-unes des applications précitées, constituent une amélioration. Ces éléments à résistance satisfont à plusieurs.des exigences précitées et ils sont par ailleurs très résistants à des températures élevées et dans des agents corrosifs. 20 Ces éléments connus sont obtenus à partir de gros mono cristaux par des opérations mécaniques telles que le sciage et le meulage. Par conséquent, il est difficile de produire un grand nombre de ces éléments ayant la géométrie requise pour diverses applications, en l'occurrence des éléments ayant la forme de fils 25 minces. L'invention concerne un élément à résistance pour dispositifs servant à mesurer des grandeurs physiques, dans lesquels cet élément est placé de telle façon que la valeur de la résistance constitue une mesure de la valeur, de la grandeur physique 30 et la variation de la valeur de la résistance, une mesure de la variation de la grandeur physique, cet élément étant caractérisé principalement en ce qu'il est constitué par un cristal de carbure de silicium filiforme obtenu par croissance, ayant au moins une longueur de l'ordre de grandeur de quelques millimètres. 35 Par "cristaux filiformes", il y a lieu d'entendre ici des cristaux allongés de section quelconque. Les éléments à résistance conformes à l'invention ne présentent pas les inconvénients précités, inhérents aux résistances connues, utilisées dans les dispositifs en question. Ils 40 ont une bonne résistance aux agents chimiques, résistent aux 69 01813 69 01813 3 2001021 températures élevées et ont une bonne résistance mécanique nonobstant leurs faibles dimensions. Ils peuvent par ailleurs être obtenus en grand nombre, avec la forme et la longueur requises et les propriétés souhaitées, quant à leur résistance. 5 Les cristaux de carbure de silicium filiformes envi sagés obtenus par croissance peuvent être préparés de façon simple en grand nombre, avec les dimensions correctes, par recristallisation et/ou condensation dans une enceinte limitée par du carbure de silicium dans une atmosphère gazeuse protectrice, à 10 des températures supérieures à 2000°C, en présence d'un élément g du groupe III du système périodique des éléments, auquel appartiennent les éléments portant les numéros atomiques 21, 39, 57* 71 et 89, en particulier en présence de lanthane, de préférence à des températures d'environ 2500°C. Il est également possible 15 de former des cristaux de carbure de silicium de ce genre par croissance VLS (vapeur-liquide-solide) avec du fer comme phase liquide, à partir d'une phase gazeuse renfermant du silicium et du carbone, à des températures entre 1200° et 1600°C environ. Ces méthodes sont décrites dans le brevet français N° 1.5^7-963 20 et la demande de brevet déposée en France en date du 8 mars 1968, N° P.V. 143.127. Comme on l'a mentionné dans ces brevets, on peut incorporer certaines substances aux cristaux, pendant la croissance ou après celle-ci, dans des proportions appropriées, afin d'obtenir 25 les propriétés de conduction désirées. Un autre avantage des éléments à résistance constitués par des cristaux de carbure de silicium filiformes obtenus par croissance, comparativement aux éléments connus, fabriqués à partir de gros monocristaux, à l'aide d'opérations mécaniques, est 30 qu'on peut les fabriquer avec de faibles épaisseurs et que leur résistance mécanique n'est pas réduite par des endommagements superficiels. De plus, ils sont disponibles en de grandes longueurs, de sorte que l'on peut avantageusement mettre à profit, pour la traversée d'une paroi, le fait connu en soi que des 35 corps en carbure de silicium peuvent être scellés directement dans des verres durs tels que les verres au silicate de bore. La description qui va suivre, de quelques exemples de réalisation, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment lJin-40 vention peut être réalisée. 69 01813 » 2001021 EXEMPLE 1 : Dans une cavité limitée par du carbure de silicium, on fait croître à 2550°C, par recristallisation et/ou condensation dans de la vapeur d'oxyde de lanthane et de carbure d'aluminium, 5 dans une atmosphère d'argon, des cristaux de carbure de silicium en forme de bande, à conduction de type £. On munit, de contacts ohmiques, l'un des cristaux ainsi obtenus, ayant une largeur de 150 et une épaisseur de 30 l-1 en y fixant par frittage des fils de tungstène de 50 Y- d'épaisseur, 10 que l'on chauffe à cet effet, en y faisant circuler un courant. Le cristal a une résistance de 50 à 20°C pour un écart de 10 mm entre les fils de contact. Comme le montre schématiquement la figure 1, cet élément à résistance constitué par le cristal de carbure de sili-15 cium (1) en forme de fil, obtenu par croissance et muni de fils de contact en tungstène (2) est scellé dans une ampoule de verre (3) munie d'un queusot (4). La caractéristique courant-tension de l'élément est mesurée dans de l'air, pour différentes pressions. Les caracté-20 ristique pour les pressions de J60 et 5.10~-) torr sont représentées sur le diagramme de la figure 2 à échelle logarithmique et sont désignées respectivement par les références (5) et (6). Il ressort de cette figure que pour une tension constante de 10 V, le courant dans le trajet de pression spécifié 25 ci-dessus, est multiplié par 9 et que par conséquent, en insérant cet élément dans un montage en pont, on peut effectuer des mesures de pression de gaz très précises, après calibrage de l'élément . EXEMPLE 2 : 30 On réalise un anémomètre tel que représenté schémati quement sur la figure 3* en scellant dans un tube (11) en verre au silicate de bore, dont le diamètre intérieur est de 5 nim, un cristal de carbure de silicium (12) filiforme obtenu par croissance . 35 On fait croître le cristal (12) de façon analogue à celle décrite dans l'exemple 1, en présence de chlorure de bore au lieu du composé d'aluminium mentionné dans cet exemple, en vue de l'obtention des propriétés de conduction. Le cristal est constitué par du carbure de silicium 40 doué de conduction du type £, par dopage à l'aide de bore ; il 69 01813 5 2001021 a une largeur de 150 ^ et une épaisseur de 30P et il est muni, aux extrémités situées à l'extérieur du tube (11 ), de contacts ohmiques (13), à l'aide d'un alliage à base d'or renfermant 2 fo de tantale et 10 ^ d'aluminium. La résistance s'élève à 5 72 , à 20°C, pour un écart de 6 mm entre les contacts. L'élément à résistance est inséré dans un pont de Wheatstone et l'on utilise, comme indicateur de point zéro, un voltmètre dont l'impédance d'entrée est d'environ 1-m£! .. Le reste du pont est constitué par des résistances du même ordre 10 de grandeur que le cristal de carbure de silicium. Lorsqu'on fait circuler un courant d'air de 10 ml par minute dans le tube en verre (11) le voltmètre présente une déviation de 0,7 volt, pour une tension de 170 volts appliquée au pont. 15 L' anémomètre réagit donc déjà pour une vitesse d'écou lement du gaz ne dépassant pas quelques ml par minute et il peut être utilisé, après calibrage, pour mesurer des courants de gaz. On le sait, la déviation du voltmètre dépend également du poids moléculaire du gaz en circulation; il est par conséquent 20 évident que le dispositif peut être utilisé tel quel dans un chromatographe à gaz. EXEMPLE 3 : Pour mesurer des températures de gaz à fluctuation rapide dans tin moteur à gaz chaud, on utilise un élément à ré-25 sistance constitué par un cristal de carbure de silicium filiforme obtenu par croissance, doté de conduction de type p, par dopage à l'aide de bore. Le cristal est obtenu par croissance VLS avec du fer comme phase liquide, à partir d'une atmosphère d'hydrogène ren-30 fermant du silicium et du carbone, à laquelle est ajouté 0,1 % en volume de diborane (B^Hg). Le cristal a un diamètre de 5 P- et une longueur de 10 mm. La résistance s'élève à 20 MS2 à une température de 20°C et à 200 kS2 à une température de 700°C. 35 Comme le montre schématiquement la coupe de la fi gure 4, le cristal (31) qui est muni à ses extrémités de contacts ohmiques à l'aide d'un alliage de nickel, de molybdène et d'aluminium, est fixé à des fils de contact (32) en acier au chrome-nickel. Ceux-ci sont montés à l'aide des traversées 4-0 (33) dans une plaque (3^)- Le tout est fixé à l'endroit d'un 69 01813 6 2001021 alésage (35) pratiqué dans la paroi du cylindre (36) d'un moteur à gaz chaud. L'élément à résistance, qui est calibré pour un certain nombre de températures, est inséré dans un montage en pont. 5 Lorsque la température varie, le pont est déséquilibré du fait que la valeur ohmique de l'élément est modifiée. Les fluctuations de la tension aux bornes de la diagonale du pont qui en découlent sont observées à l'aide d'un oscilloscope à rayons cathodiques. 10 La température du gaz dans le cylindre du moteur, à l'endroit où se trouve l'élément à résistance, peut varier de façon très brusque. Ces variations sont de l'ordre de grandeur de 10 % de la température absolue moyenne du gaz et elles forment une fonction périodique dont la fréquence fondamentale 15 correspond à la vitesse de rotation de 1500 tours par minute du moteur. L'élément à résistance se distingue avantageuse®ent des éléments à résistance en fil métallique utilisés dans ce but, du fait que, tout en ayant une grande résistance mécanique, 20 il présente une valeur ohmique plus élevée pour la mesure de fluctuations de température à l'aide de variations de la résistance . EXEMPLE 4 : Un cristal de carbure de silicium en forme de bande 25 obtenu de la façon décrite dans l'exemple 2, de 150H de largeur, de 30 F d'épaisseur et de 7 mm de longueur, est muni de contacts ohmiques en tungstène. La résistance s'élève à 85 kn à 20°C. Cet élément à résistance, en série avec une résistance de même valeur ohmique, est branché sur une source de tension 30 stabilisée. Le cristal est placé à proximité de la fente de sortie d'un monochromateur. La variation de la valeur ohmique du cristal provoquée par le rayonnement incident est mesurée sous la forme d'une variation de tension. Après avoir calibré l'élément, on peut mesurer, à l'aide de cette variation de 35 tension, l'intensité relative du rayonnement émergeant d'un monochromateur, en fonction de la fréquence. Lors de l'exécution de la mesure, ce rayonnement provenant d'une source lumineuss est interrompu avec une fréquence de 30 Hz, avant qu'il ne pénètre dans le monochromateur, on 40 mesure ensuite les variations de tension aux bornes de l'élément 69 01813 7 2001021 à résistance en fonction de la longueur d'onde de la lumière émergente, en les amplifiant à l'aide d'un amplificateur accordé sur 30 Hz, puis en les détectant, après quoi on les enregistre. Le résultat est représenté sur le diagramme de la 5 figure 5- On a porté en ordonnées les variations de tension A V en utilisant une unité arbitraire et en abscisses, les points correspondant à des valeurs déterminées de l'énergie photoélectrique hv exprimée en électrons-volts. La courbe de la figure 5 montre la grande sensibilité 10 et la réponse rapide de l'élément à résistance sensible à la température utilisé. Il faut remarquer que la bonne tenue de cet élément aux températures élevées permet de l'utiliser pour des rayonnements de grande puissance. 15 EXEMPLE 5 : On fait croître un cristal de carbure de silicium en forme de bande à conduction de type n de la façon décrite dans le premier exemple, en utilisant toutefois comme dopant, de l'azote, au lieu d'aluminium. 20 Le cristal (41 ) qui a une largeur de 150p. , une épais seur de 30 p. et une longueur de 50 mm est soudé comme le montre schématiquement la figure 6, par l'intermédiaire de contacts ohmiques dans un tube en quartz (43) comportant deux canaux capillaires. 25 L'ensemble est placé dans un cryostat (44) contenant de l'azote liquide (45) de façon que la position du cristal (41) corresponde à un niveau requis. Si le niveau de l'azote vient à baisser, le cristal est dégagé du liquide et il se produit une variation brusque de 30 la résistance qui passe de 15 à 100 Q , ce qui permet d'obtenir une indication rapide de la baisse de niveau. EXEMPLE 6 : On fait croître par le mécanisme VLS, un cristal de carbure de silicium filiforme, de la façon décrite dans l'exem-35 pie 3» en utilisant toutefois de l'hydrogène renfermant 0,01 % en volume d'azote. Le cristal a un diamètre de 5 P- et une longueur de 10 cm. Comme le montre la figure 7* ce cristal est muni à une extrémité d'un contact ohmique (52) et à une certaine distance 40 de l'autre extrémité, d'un deuxième contact ohmique (53)' La résistance du cristal entre ces deux contacts ohmiques obtenus fc9 01813 8 2001021 par pulvérisation ionique d'un alliage d'or avec 1 % de tantale, s'élève à 10 k£ . Le contact (52) est muni d'un fil d'amenée (54) et serré dans un bouchon (55) placé à la partie•supérieure d'un 5 récipient en verre (56). L'autre extrémité du cristal (51) traverse la partie inférieure du récipient (56) par un canal capillaire (57)- Dans le récipient (56) on introduit un alliage (58) renfermant 75 % de gallium et 55 % d'indium qui est liquide à 10 la température ambiante. Par ailleurs le récipient est muni d'un fil de contact (59) en tungstène, qui comme le contact (53)* est plongé dans l'alliage liquide. Lorsqu'on soumet l'élément à une charge de 3 g» on constate une augmentation de 16- de la résistance* provoquée 15 par la déformation mécanique réversible qui se produit sous • 1'effet de la charge. La sensibilité de l'élément pour la mesure de forces démontre que de telles résistances sont également utilisables dans des manomètres des microphones et des jauges de contrainte. 9 2001021 REVENDICATIONS 1.- Elément à résistance destiné à un dispositif servant à mesurer des grandeurs physiques, dans lequel cet élément est placé de telle façon que la valeur de la résistance cons-5 titue une mesure de la valeur de la grandeur physique et que la variation de la résistance constitue une mesure de la variation de la grandeur physique, cet élément étant caractérisé principalement en ce qu'il est constitué par un cristal de carbure de silicium filiforme obtenu par croissance, ayant au moins 10 une longueur de l'ordre de quelques millimètres. 2.- Dispositif pour détecter des grandeurs physiques, équipé d'un élément à résistance suivant 1. J>'~ Dispositif pour mesurer une pression de gaz, équipé d'un élément à résistance suivant 1. 15 4.- Dispositif suivant 2, la détection de grandeurs physiques ayant lieu à l'aide de forces mécaniques exercées sur l'élément à résistance. 5.- Dispositif suivant 4, réalisé sous forme d'un anémomètre. 20 6.- Chromâtographe au gaz, équipé d'un anémomètre suivant 5- . 7.- Dispositif suivant 2, destiné à mesurer des températures ou des variations de température. 8.- Moteur à gaz chaud, équipé d'un dispositif sui-25 vant 7 et destiné à mesurer des températures de gaz variant rapidement. 9.- Dispositif suivant 2, destiné à détecter du rayonnement électromagnétique. 69 01813