Brevet FR2486656A1 — publié le 19820115

La présente invention a pour objet un hygromè- tre fonctionnant grâce à une méthode capacitive. Un moyen connu pour mesurer l'humidité de l'air consiste à utiliser un condensateur dont le dié- lectrique absorbe une quantité d'eau fonction du degré hygrométrique de l'air et à en mesurer la constante dié- lectrique. Pour qu'un tel dispositif fonctionne correc- tement, l'une au moins des électrodes du condensateur doit satisfaire aux conditions suivantes: - être perméable à l'eau; - avoir une faible résistance électrique; - être peu sensible à la corrosion. Dans les capteurs actuels, le compromis entre ces trois exigences est généralement obtenu par l'utili- sation d'une couche très mince d'or (100 A environ) dé- posée sous vide. Si les deux premières conditions sont généralement bien remplies (bonne conductibilité élec- trique de l'or et bonne perméabilité parce que la couche est très mince), de tels condensateurs résistent mal à la corrosion: en effet, une épaisseur de 100 A d'or peut être assez vite détruite par des agents polluants, notamment des polluants à base de soufre (SO2, H2SO4), et la durée de vie de l'appareil s'en trouve diminuée. Un moyen habituel de résoudre ce problème con- siste à protéger la couche d'or par addition de filtres, une feuille de cellophane par exemple: ceci a malheu- reusement pour effet d'augmenter le temps de réponse du capteur et, partant, d'en diminuer la sensibilité. La présente invention a justement pour objet un hygromètre capacitif ayant à la fois un bon temps de réponse et une bonne résistance à la corrosion. Selon la principale caractéristique de l'hy- gromètre objet de l'invention, celui-ci, du genre de ceux qui sont constitués par un condensateur ayant une matière diélectrique dont la constante diélectrique va- rie en fonction de la quantité d'eau absorbée, les faces conductrices dudit condensateur étant reliées à des moyens de mesure de la constante diélectrique, présente sur l'une de ses faces conductrices ainsi que dans le diélectrique de nombreuses fissures mettant la matière diélectrique directement en contact avec l'atmosphère dont on veut mesurer le degré hygrométrique, la conti- nuité électrique de la face conductrice fissurée étant cependant maintenue. Grâce à la présence de ces fissures, le dié- lectrique est directement en contact avec l'atmosphère dont on veut mesurer le degré d'humidité et non plus séparé de celle-ci par une mince couche métallique à laquelle on ajoute éventuellement un filtre: la rapidi- té de l'hygromètre s'en trouve nettement améliorée. De plus, l'électrode fissurée n'a plus besoin d'être constituée par une couche métallique très mince puisqu'elle est largement entaillée. Au contraire, elle peut être constituée par une ou plusieurs couches plus épaisses, d'un ou plusieurs matériaux plus résistants (une couche de chrome par exemple), ce qui la rend pra- tiquement insensible à la corrosion et augmente la durée de vie de l'appareil. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre purement il- lustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé, lequel comporte une figure unique représentant une vue schématique en perspective de l'hygromètre objet de l'invention. Sur la figure, on voit le condensateur 1 qui comporte une première électrode 2 continue et non fissu- rée. Sur cette électrode se trouvent le diélectrique 3, qui peut être un ester de cellulose par exemple, puis l'autre électrode 4, cette dernière ainsi que le diélec- trique 3 étant entaillés par de nombreuses fissures 5. Pour plus de clarté, celles-ci ont été volontairement grossies sur le dessin, mais en réalité, il peut s'agir de fissures microscopiques invisibles à l'oeil nu. En- fin, deux fils conducteurs 6 et 7, connectés aux élec- trodes 2 et 4 respectivement, relient le condensateur à des moyens de mesure 8 qui permettent d'en déterminer la constante diélectrique. L'électrode fissurée 4, est constituée par un métal peu sensible à la corrosion comme le chrome. Dans le système décrit ici, l'humidité de l'air n'a pas à traverser une couche métallique mince et l'électrode fissurée 4 peut être imperméable et même très épaisse. De tels hygromètres ont été réalisés avec des épaisseurs de chrome allant de 200 à 5 000 A: aucune différence significative dans les temps de réponse n'a pu être dé- celée. Pour la même raison, on peut encore améliorer la résistance à la corrosion en ajoutant à la couche de chrome une couche d'un métal noble, du platine ou de l'or par exemple et augmenter encore la longévité de l'hygromètre. Le condensateur est réalisé par dépôt par éva- poration sur la couche de diélectrique d'un métal connu pour être contraint en tension lorsqu'il est déposé en couche mince et qui se contracte en générant un grand nombre de craquelures. Plus précisément, on place dans une enceinte o l'on a fait le vide, une couche de poly- mère, par exemple un ester de cellulose, qui servira de diélectrique. Dans la même enceinte, on fait évaporer un métal qui se dépose sur le diélectrique, les conditions expérimentales pouvant être ajustées en fonction de l'épaisseur qu'on veut obtenir. La première électrode est constituée d'une couche de tantale oxydé anodiquement. La couche très mince d'oxyde de tantale évite tout courtcircuit entre les deux électrodes, même en présence de trous dans le polymère. Elle constitue une capacité très élevée en sé- rie avec celle du polymère, et ne diminue donc en rien la sensibilité du capteur. Une partie de la première électrode est proté- gée de l'oxydation pour permettre les prises de contact. Le polymère peut être déposé par trempe dans une solu- tion et séchage. Le polymère utilisé couramment est l'acétate butyrate de cellulose, mais on a obtenu une bonne sensi- bilité avec d'autres polymères tels que les polyimides ou le plexiglas. La couche métallique qui, pour des raisons di- verses et mal connues, est contrainte en tension, exerce des forces importantes sur le polymère; celui-ci n'étant pas assez rigide, la couche métallique se fissu- re, entraînant la fissuration de la couche de polymère. On obtient ainsi un réseau de fissures microscopiques très nombreuses dont la largeur est de l'ordre d'une fraction de micromètre. Ce réseau de fissures délimite des "flots" de métal à la surface du condensateur, les dimensions de ceux-ci étant de l'ordre de quelques micromètres, mais on observe expérimentalement qu'il y a toujours quelques points de contact entre les différents îlots et que la continuité électrique de l'électrode fissurée 4 est maintenue. Un rapide calcul permet d'estimer le gain sur le temps de réponse de l'hygromètre objet de l'invention par rapport à un hygromètre classique. Dans un hygromètre classique, la surface de diélectrique en contact avec l'humidité de l'air (à tra- vers une mince couche d'or) est égale à la surface des armatures du condensateur alors que dans l'hygromètre objet de l'invention, elle est égale à la surface mise à jour grâce aux fissures. Si on appelle d la distance moyenne entre fissures, e l'épaisseur du polymère et si on assimile chaque flot à un carré, en admettant que chaque fissure entaille complètement le diélecrique, le rapport entre les surfaces en contact avec l'atmosphère d'un capteur classique et de l'hygromètre selon l'inven- tion est: d2 4 ed Dans les capteurs qui ont été réalisés, on ar- rive couramment à des valeurs e - d o 2bm: la surface en contact avec l'atmosphère est donc multipliée par 4 pour un même volume de matière diélectrique et pour une même surface des armatures du condensateur. En fait, les essais effectués indiquent un gain encore plus important sur le temps de réponse: ceci montre qu'un diélectrique fissuré, conforme à la présente invention, laisse péné- trer l'eau beaucoup plus facilement qu'un diélectrique simplement recouvert d'une couche métallique même très mince comme dans les hygromètres de l'art antérieur. On voit donc que l'hygromètre selon l'inven- tion présente de nombreux avantages: il est sensible aux variations du degré hygrométrique de l'air avec un faible temps de réponse. De plus, il est peu sensible à la corrosion puisque l'électrode fissurée n'a plus be- soin d'être très mince pour laisser passer l'humidité de l'air: au contraire, elle peut être épaisse, ce qui augmente sa durée de vie et donc celle de l'hygromètre. D'autre part, la largeur des fissures est très faible (de l'ordre de 1 000 à 2 000 A) et les poussières atmos- phériques, de dimensions généralement plus importantes, n'y pénètrent pas: ceci constitue un autre élément fa- vorable à la longévité de l'appareil. Enfin, il est bien évident que le capteur ca- pacitif selon l'invention peut avoir d'autres applica- tions que les mesures hygrométriques: il suffit d'uti- liser comme couche diélectrique un matériau dont la constante diélectrique varie en fonction de la grandeur à mesurer. REVENDICATIONS 1. Hygromètre capacitif, du genre de ceux qui sont constitués par un condensateur ayant une matière diélectrique (3) dont la constante diélectrique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée, les faces con- ductrices dudit condensateur étant reliées à des moyens de mesure (8) de la constante diélectrique, caractérisé en ce que l'une des faces conductrices (4) du condensa- teur ainsi que la matière diélectrique (3) comportent de nombreuses fissures (5) mettant la matière diélectrique (3) directement en contact avec l'atmosphère dont on veut mesurer le degré hygrométrique, la continuité élec- trique de la face conductrice fissurée (4) étant cepen- dant maintenue. - 2. Hygromètre capacitif selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la matière diélectrique (3) est un ester de cellulose. 3. Hygromètre capacitif selon l'une quelcon- que des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face conductrice fissurée (4) est constituée par un ma- tériau conducteur peu sensible à la corrosion. 4. Hygromètre capacitif selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que le matériau constituant la face conductrice fissurée (4) est du chrome. 5. Hygromètre capacitif selon l'une quelcon- que des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau constituant la face conductrice fissurée (4) est recouvert d'une couche d'un métal noble, notamment du platine ou de l'or. 6. Hygromètre capacitif selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'autre face conductrice (2) du condensateur est consti- tuée d'une couche de tantale oxydée anodiquement. 7. Condensateur constitué d'une couche de ma- tière diélectrique comprise entre deux faces conductri- ces, caractérisé en ce que l'une desdites faces conduc- trices (4) ainsi que la matière diélectrique l3) compor- tent des fissures (5) mettant la matière diélectrique directement en contact avec l'atmosphère ou est placé ledit condensateur, la continuité électrique de la face conductrice fissurée (4) étant cependant maintenueo 8. Procédé de fabrication d'un condensateur selon la revendication 7 caractcérisé en ce que l'on dépose sur ladite matière diélectrique un matériau con- ducteur présentant des contraintes aptes à générer dans ladite face conductrice (4) ainsi que dans ladite matiè- re diélectrique (3) lesdites fissures (5). 9. Procédé de fabrication selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que ledit dépôt est obtenu par évaporation. 10. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 8 ou 9, caractérisé en ce que ladite matière diélectrique est un polyimide et en ce que ledit maté- riau conducteur est du chrome.