Brevet FR2498329A1 — publié le 19820723

La présente invention a trait à un hy- gromètre fonctionnant grâce à une méthode capaci- tive. Un procédé connu pour mesurer l'humidi- té de l'air est fondé sur la variation, en fonc- tion de la quantité d'eau absorbée, de la constan- te diélectrique d'un matériau en couche mince constituant le diélectrique d'un condensateur. Un certain nombre de dispositifs fonc- tionnant suivant ce principe existent déjà et ont été décrits dans la littérature. On peut citer les brevets US N 3 168 829 (Nelson) et n 3 350 941 (Misevich et Ai), le brevet anglais n 1 297 014, l'article de K. W. Misevich dans IEEE Trans. and Ind. Electronics and control Instrumentation, vol. IECI 16, n 1, juillet 1969, le brevet fin- landais n 2 831 72 de la Société Vaisala, le brevet français n 73 36153 de la même société, correspondant français du précédent, le brevet français n 76 01904 du Commissariat à l'Energie Atomique (Barraud, Messier, Rosilio), l'article de E. Salasma, P. Kestamo de la Société Vaisala (3è symp. on Meteorological Observations, Fev. 1973, Washington), l'article de P.E. Thoma, J.O. Colla and R. Stewart dans IEEE trans on Compt Hybrids and Manufact. Technology vol. CHAT N 3 Sept. 79, et enfin le brevet de P.E. THOMA US Patent 3 802 268 1974. Ces différents capteurs d'humidité peu- vent se classer en deux catégories. La première catégorie (Misevich, Nelson, Thoma) est caracté- risée par le fait que le matériau diélectrique est constitué d'une feuille de polymère qui sert à la fois d'élément sensible et support mécanique du capteur. Ceci entraîne un certain nombre d'incon- vénients pour ce type d'hygromètre: faible résis- tance mécanique, déformation du polymère entrai- nant un effet d'hystérésis notable et un certain coefficient de température. La seconde catégorie de capteurs est formée d'une couche de polymère (Vaisala) ou d'au- tres molécules sensibles à l'eau (Barraud et Ai) déposées sur un substrat solide métallisé formant la première électrode d'un condensateur. Ainsi, le support mécanique de l'hygromètre généralement du verre ou un autre matériau inerte à l'humidité est bien distinct de la couche sensible à l'eau.. Cette disposition permet de s'affran- chir des défauts de la première catégorie (fragi- lité mécanique, hystérésis, réponse lente, coef- ficient de température), mais la deuxième électro- de du condensateur doit être très mince afin d'être perméable à l'eau, ce qui nécessite certai- nes précautions lors de la fabrication et entraîne une certaine fragilité du capteur. D'autre part, la minceur de cette électrode la rend sensible à la pollution, ce qui diminue la durée de vie du dispositif. Enfin, le dépÈt du film de polymère est une opération délicate car celui-ci doit être exempt de défauts ou de trous pour éviter tout risque de court-circuit entre les électrodes. La présente invention a justement pour objet un hygromètre capacitif à diélectrique mince qui remédie à ces inconvénients en présentant no- tamment une bonne tenue mécanique et une bonne ré- sistance à la pollution. Selon la principale caractéristique de l'hygromètre objet de l'invention, celui-ci, du genre de ceux qui sont constitués par un condensa- teur ayant un matériau diélectrique dont la cons- tante diélectrique varie en fonction de la quanti- té d'eau absorbée, les électrodes dudit condensa- teur étant reliées à des moyens de mesure de la constante diélectrique, est caractérisé en ce qu'il comprend: - un substrat métallique formant la première élec- trode, l'une des faces de ce substrat étant oxy- dée sur une profondeur de 50 à 200 A environ, - une couche d'un matériau isolant dont la cons- tante diélectrique varie en fonction de la quan- tité d'eau absorbée, ladite couche ayant une épaisseur de l'ordre de 500 à 2000 A et étant en contact avec la face oxydée de la première élec- trode, - une couche d'épaisseur supérieure à 200 A d'un métal peu oxydable rendu perméable à l'eau par un traitement approprié, constituant la deuxiè- me électrode en contact avec la couche de maté- riau isolant, et - au moins une couche monomoléculaire d'une subs- tance organique destinée à protéger ladite deuxième électrode contre la pollution. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de cet hygromètre. Selon la principale caractéristique de ce procédé, celui- ci comprend les étapes suivantes: - on soumet un substrat métallique à un traitement d'oxydation anodique afin de former une couche d'oxyde de 50 à 200 A environ d'épaisseur sur l'une des faces dudit substrat, - on dépose sur la face oxydée dudit substrat une couche d'un matériau isolant dont la constante diélectrique varie avec la quantité d'eau absor- bée, - on dépose, sur la couche isolante,une couche d'épaisseur supérieure à 200 A d'un métal peu oxydable, - on soumet ledit métal peu oxydable à un traite- ment destiné à le rendre perméable à l'eau, - on dépose, sur ladite couche de métal peu oxyda- ble, au moins une couche monomoléculaire d'une substance organique, et on réalise deux contacts servant à relier les électrodes de l'hygromètre à des moyens de mesu- re de la constante diélectrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue schéma- tique, en perspective, d'un hygromètre selon l'in- vention, - la figure 2 représente une vue schéma- tique, en perspective, illustrant le procédé de fabrication d'un hygromètre selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus schématique montrant comment on peut réaliser qua- tre capteurs à partir d'une seule plaquette, et - la figure 4 est une vue de dessus schématique montrant comment on peut réaliser 16 capteurs à partir d'une seule plaquette. Sur la figure 1, on voit un substrat mé- tallique 2 qui constitue la première électrode 3 de l'hygromètre ou capteur objet de l'invention. Dans une première forme de réalisation, cette électrode 3 est en aluminium et repose sur un sup- port rigide 5, par exemple une plaque de verre. Dans une autre forme intéressante de réalisation, l'électrode 3 est en silicium et constitue elle- même le support rigide. Dans tous les cas cependant, l'une des faces 4 de la première électrode est oxydée sur une profondeur de 50 à 200 A environ et cette face est en contact avec une couche 6 d'un matériau isolant qui constitue le diélectrique du condensa- teur et dont la constante diélectrique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée. L'avantage ainsi obtenu en réalisant un diélectrique en deux parties superposées, l'une insensible à l'eau et d'épaisseur très mince (de à 200 A) d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de si- licium par exemple, l'autre d'épaisseur plus im- portànte (500 à 2000 A) et sensible à l'humidité est d'obtenir une protection très efficace contre les courts-circuits éventuels de la couche sensi- ble à l'eau. La capacité de la couche d'oxyde étant très grande, sa mise en série avec celle du diélectrique actif ne diminue pratiquement pas la sensibilité du capteur. On peut donc ainsi former des capteurs à temps de réponse court avec une grande capacité spécifique, bien protégés des courts-circuits par la couche d'oxyde. La capacité spécifique de tels capteurs est de l'ordre de 10 à nF/cm2, alors que tous les hygromètres actuels ont une capacité spécifique inférieure 1 2 à 1 nF/cm Comme matériau isolant dont la constan- te diélectrique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée, on peut utiliser un polymère natu- rellement sensible à l'eau, tel que les esters de cellulose, l'acétatebutyrate de cellulose ou le polyvinyl acétate. On peut également utiliser une superpo- sition de couches monomoléculaires d'une substan- ce organique déposées suivant la méthode dite *de Langmuir et Blodgett", lesdites couches étant en- suite rendues sensibles à l'eau par un traitement approprié. Sur la figure 1, on voit encore une cou- che métallique 8 qui constitue la deuxième élec- trode 9. Celle-ci est de préférence constituée par un métal peu oxydable tel que l'or, déposé en cou- che relativement épaisse (plus de 200 A) et rendu perméable à l'eau par un traitement approprié. Le fait d'utiliser pour cette deuxième électrode une couche épaisse rend le capteur beau- coup moins sensible à la pollution et assure une meilleure tenue mécanique de l'ensemble, d'o une plus grande longévité du dispositif. Cependant cette électrode 9 est tou- jours protégée de la corrosion par une couche 10 constituée par une ou plusieurs couches monomolé- culaires d'une substance organique. La figure 2 illustre un procédé de fa- brication d'un hygromètre selon l'invention. Sur un support en verre 5, on dépose, par exemple par évaporation sous vide, une couche d'aluminium 2.0n dépose ensuite, en 11, une couche d'isolant épais- se de plusieurs microns qui servira de support au contact supérieur. A ce stade de la fabrication, la couche d'aluminium est soumise à un traitement d'oxydation anodique afin de former la couche min- ce d'alumine 4. Dans une variante, on peut utiliser une plaque de silicium préalablement oxydée, dans ce cas, le support en verre est supprimé. L'étape suivante consiste à déposer la couche de matériau isolant sensible à l'eau 6. Dans le cas o l'on utilise un polymère (acétate- butyrate de cellulose par exemple) on peut procé- der par trempage du substrat métallique oxydé dans m une solution du polymère et d'un solvant puis par séchage. On obtient ainsi une couche de on 1000 à 2000 A d'épaisseur. Dans le cas o le diélectrique est cons- titué par des couches monomoléculaires organi- ques, celles-ci sont déposées par la méthode dite "de Langmuir et Blodgett", et l'épaisseur de la on couche obtenue est de l'ordre de 500 A environ. Une substance organique telle que le stéarate de calcium convient très bien pour cet usage. Cepen- dant, le diélectrique ainsi obtenu n'est pas natu- rellement perméable à l'eau et il faut le perméa- biliser par un traitement spécial qui peut être un traitement d'irradiation aux rayons gamma ou aux électrons. Dans une forme préférée de réalisation, on utilise les rayons gamma issus d'une source de Cobalt 60. La dose absorbée est de l'ordre de Mrads, et en tout cas supérieure à 20 Mrads, cette dose étant absorbée pendant une durée supé- rieure à 1 heure. L'étape suivante consiste à réaliser la deuxième électrode 9 qui peut être une couche d'or d'épaisseur supérieure à 200 A, déposée par tout moyen connu et notamment par métallisation sous vide. De par son épaisseur, cette couche d'or n'est pas perméable à l'eau et doit être rendue telle par un traitement approprié, par exemple un traitement thermique de quelques minutes à une température comprise entre 150 et 2500C, en at- mosphère normale, le condensateur étant hors ten- sion. On réalise ensuite la couche de protec- tion de la deuxième électrode: il s'agit encore d'une ou plusieurs couches monomoléculaires d'une substance organique déposée par la méthode de Langmuir et Blodgett. On termine le capteur par la réalisation de deux contacts, le premier 12 (contact infé- rieur) sur l'aluminium, le deuxième 13 (contact supérieur) étant relié à la couche d'or et isolé de l'aluminium par l'isolant épais 11. Une telle disposition des électrodes peut être utilisée avantageusement pour la fabri- cation en série des capteurs. La figure 3 montre comment l'on peut réaliser simultanément 4 cap- teurs qui sont ensuite séparés par une découpe suivant les flèches. Cette méthode peut être utilisée pour un nombre de capteurs encore plus grand: la figure 4, par exemple, montre comment on peut réaliser 16 capteurs à partir d'une plaquette de verre de 2 cm x 2 cm. L'hygromètre selon l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord le fait que la deuxième électrode soit constituée par une couche métallique épaisse rendue perméable à l'eau par un traitement approprié élimine tous les inconvé- nients des électrodes minces en facilitant le pro- cessus de fabrication et en rendant l'électrode moins sensible à la pollution, ce qui augmente la durée de vie du capteur. De plus la résistance à la pollution du capteur est encore augmentée par la présence sur cette électrode d'une protection par des couches monomoléculaires organiques. D'autre part, la présence sur la première électro- de d'une couche d'oxyde qui constitue un deuxième diélectrique en série avec le matériau isolant sensible à l'eau évite les courts-circuits entre les électrodes.permet donc d'utiliser une épais- seur très faible de ce matériau sensible à l'eau et donc confère à l'ensemble une grande capacité spécifique, ce qui permet une bonne liaison avec les moyens de mesure de la constante diélectrique. Enfin, la présence d'un diélectrique mince confère au capteur une grande rapidité de réponse: un es- sai normalisé (à 63% de l'amplitude maximale pour % d'humidité) a donné un temps de réponse infé- rieur à 0,5 sec. alors que ce temps est de l'ordre de plusieurs secondes pour les hygromètres classi- ques actuels. Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples qui viennent d'être décrits, mais qu'elle en couvre au contrai- re toutes les variantes. Quant aux applications, elles ne se li- mitent pas à la seule mesure du degré hygrométri- que de l'air: les capteurs selon l'invention peu- vent être utilisés pour mesurer toute grandeur dont la variation entraîne une variation de la constante diélectrique du matériau isolant. REVENDICATIONS 1. Hygromètre capacitif à diélectrique mince, du genre de ceux qui sont constitués par un condensateur ayant un matériau diélectrique dont la constante diélectrique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée, les électrodes dudit con- densateur étant reliées à des moyens de mesure de la constante diélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend: l0 - un substrat métallique (2) formant la première électrode (3), l'une des faces (4> de ce sub- strat étant oxydée sur une profondeur de -50 à on A environ, - une couche (6) d'un matériau isolant dont la constante diélectrique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée, ladite couche (6) ayant une épaisseur de l'ordre de 500 à 2000 A et étant en contact avec la face oxydée (4) de la première électrode (2), - une couche (8), d'épaisseur supérieure à 200 A, d'un métal peu oxydable rendu perméable à l'eau par un traitement approprié, constituant la deuxième électrode en contact avec la couche (6) de matériau isolant, et - au moins une couche (10) monomoléculaire d'une substance organique destinée à protéger ladite deuxième électrode (9) contre la pollution. 2. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la première électrode (3) comprend une couche métallique dépo- sée sur un support rigide (5). 3. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la première électrode (3) comprend une couche d'aluminium dé- posée sur un support en verre. 4. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la première électrode (3) comprend une couche de silicium oxy- dée. 5. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ladite couche sensible à l'eau (6) comprend au moins un polymère choisi dans le groupe comprenant les esters de cellulose, l'acétatebutyrate de cellulose et le polyvinyl-acétate. 6. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ladite couche sensible à l'eau (6) comprend plusieurs couches monomoléculaires d'une substance organique rendue perméable à l'eau par un traitement approprié. 7. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ladite couche sensible à l'eau (6) comporte du stéarate de cal- cium. 8. Hygromètre capacitif selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième électrode (9) comprend une couche d'or rendue per- méable à l'eau. 9. Procédé de fabrication d'un hygromè- tre capacitif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on soumet un substrat métallique (2) à un trai- tement d'oxydation anodique afin de former une O couche d'oxyde (4) de 50 à 200 A environ d'épaisseur sur l'une des faces dudit substrat, - on dépose sur la face oxydée dudit substrat (2) une couche (6) d'un matériau isolant dont la constante diélectrique varie avec la quantité d'eau absorbée. - on dépose, sur la couche isolante, une couche (8) d'épaisseur supérieure à 200 A d'un métal peu oxydable, - on soumet ledit métal peu oxydable à un traite- ment destiné à le rendre perméable à l'eau, - on dépose, sur ladite couche de métal peu oxyda- ble (8), au moins une couche monomoléculaire (10) d'une substance organique, et - on réalise deux contacts (12, 13) servant à re- lier les électrodes de l'hygromètre à des moyens de mesure de la constante diélectrique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le traitement destiné à ren- dre le métal perméable à l'eau consiste à porter l'hygromètre à une température comprise entre 1500 et 2500 pendant une durée de l'ordre de quelques minutes en atmosphère normale, le condensateur étant maintenu hors tension. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite couche isolante (6) est rendue perméable à l'eau par un traitement d'irradiation aux rayons gamma ou aux électrons. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite couche isolante (6) est déposée par trempage dans une solution de po- lymère et d'un solvant, suivi d'une étape de sé- chage. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite -couche de métal peu oxydable (8) est déposée sur la couche isolante (6) par métallisation sous vide.