Brevet FR2538546A1 — publié le 19840629

Sonde thermique, notamment pour la détection de la présence ou de l'absence d'un liquide. La présente invention concerne une sonde thermique, notamment pour la détection de la présence ou de l'absence d'un liquide, du type comprenant un élément sensible conducteur de l'électricité en un matériau de résistivité électrique et à coefficient de température élevés immergeable dans un liquide. Une telle sonde permet d'utiliser la différence de conduction ther- mique entre un environnement gazeux et un environnement liquide pour détecter la présence ou l'absence de ce dernier En effet, lorsque l'élément conducteur d'une telle sonde est parcouru par un courant, il s'échauffe sensiblement en raison de sa résistivité élevée Sa température sera peu affectée par un environnement liquide, mais beaucoup plus par un environnement gazeux, ce qui se traduira par des différences de résistance électrique aisément mesurables Une telle sonde peut-tre utilisée pour la détection d'un niveau de li- quide et elle est particulièrement intéressante pour la détection de faibles différences de niveau, par exemple pour la détection du niveau minimal d'huile de lubrification dans le carter d'un moteur à combustion interne. On connait des sondes de ce type, montées en série sur véhicules automobiles, qui utilisent comme élément conducteur sensible un fil électriquement résistant d'un diamètre de 80 microns environ et de plusieurs centimètres de longueur. Cependant, un tel fil est très coûteux et, en raison de sa fragi- lité, son maniement comme son montage s'avèrent délicats De plus, le bobinage de ce fil pour en réduire les dimensions et permettre une mesure ponctuelle se heurte au problème de rétention des liquides du fait de leur viscosité. L'invention vise à éliminer ces inconvénients des sondes thermiques connues et, à cet effet, elle a pour objet une sonde du type préci- té dans laquelle lélément sensible est constitué par au moins une -2pellicule à haute résistivité par unité de surface dudit matériau déposée à la surface d'un support électriquement isolant et mauvais conducteur de la chaleur. Une telle sonde peut être aisément fabriquée en grande série à un moindre coût et son élément sensible, porté par un substrat méca- niquement résistant, ne présente pas la fragilité d'un fil de quelques dizaines de microns Cet élément peut être réalisé dans une grande diversité de dimensions, notamment sous une forme très ponctuelle, et il est également adapté à des temps de mesure très courts. De préférence, l'élément sensible est connecté à des bornes de sor- tie par des conducteurs de liaison pelliculaires àbasse résistivi- té par unité de surface Ainsi, les caractéristiques électriques des conducteurs de liaison sont très peu sensibles au niveau du liquide à contr 6 ler et n'affectent par la précision de la mesure fournie par la sonde Grâce à un étalonnage approprié, celle-ci peut donc être utilisée aisément pour mesurer la température du liquide dans lequel l'élément sensible est immergé Tel n'était pas le cas des sondes connues dont les caractéristiques électriques dépendent de la longueur de fil immergée, sauf à réaliser le fil en plusieurs parties soudées les unes aux autres, ce qui apparait difficilement réalisable en grande série avec des diamètres de fils aussi faibles que quelques dizaines de microns. Par ailleurs, le fil conducteur des sondes connues a pour autre in- convénient d'être en contact électrique direct avec le milieu envi- ronnant, ce qui pose des problèmes dans le cas d'une utilisation dans un milieu électriquement conducteur D'autres sondes similaires uti- lisées dans l'industrie comportent un élément conducteur isolé élec- triquement, mais le temps de réponse de la sonde est alors trop éle- vé pour certaines utilisations, par exemple sur un véhicule automobile. L'invention permet de résoudre ce problème grâce au fait que, de pré- férence, les conducteurs pelliculaires à haute et basse résistivi- tés par unité de surface sont recouverts d'au moins une fine couche -3d'un matériau électriquement isolant imperméable au liquide à contrôler. La réalisation pelliculaire des conducteurs permet en effet d'obtenir des couches électriquement isolantes suffisamment minces pour ne pas affecter les échanges thermiques entre l'élément sensible et le milieu environnant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'exemples de sa réalisation illus- trés par les dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue de dessus d'une sonde suivant l'inven- tion, la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la fi- gure 1, la figure 3 est une vue de dessus d'une sonde suivant une variante de réalisation, et la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un carter d'huile équipé d'une sonde suivant l'invention. En se reportant à la figure 1, la sonde représentée comprend un support 1 en un matériau électriquement isolant et très mauvais conducteur de la chaleur Ainsi, des impulsions de chaleur provo- quées à sa surface sont plus facilement échangées vers l'extérieur qu'absorbées par le support lui-même Différents essais montrent que des matériaux tels que les silices, les stéatites, les céra- miques à base d'oxyde de zirconium et les matières plastiques polyamides conviennent très bien La forme parallélépipédique du support, prolongé à l'une de ses extrémités par une partie trian- gulaire, confère une bonne résistance mécanique aux chocs et aux vibrations, favorise l'écoulement des liquides et s'oppose à leur rétention, et facilite son utilisation comme substrat pour la réalisation de la sonde suivant diverses technologies. -4 Sur le substrat 1 est déposé un élément conducteur sensible 2 du type pelliculaire ou en ruban qui possède une résistivité élevée par unité de surface, ainsi qu'un coefficient de température éle- vé L'élément sensible 2 peut âtre réalisé en matériaux à base de nickel, d'oxyde de nickel, de platine, qui possèdent une bonne sta- bilité dans le temps Sa forte résistivité et son dessin sinueux permettent de loger une résistance importante sur une petite sur- face et de faire une mesure pratiquement ponctuelle. Chaque extrémité de l'élément sensible 2 est connectée à un plot ou borne de connexion 4, supportant des systèmes de fixation, par un conducteur de liaison 3 qui doit être le moins sensible possible au niveau du liquide à contr 6 ler A cet effet, chaque conducteur de liaison 3, du type pelliculaire ou en ruban, pré- sente une faible résistivité et une surface la plus grande pos- sible Pour des raisons de conductivité électrique entre l'élé- ment sensible 2 et les conducteurs de liaison 3, ces derniers sont de préférence réalisés dans un matériau de même nature chimique de base que l'élément sensible 2 Ainsi, les connexions peuvent être rejetées loin de l'élement sensible 2 avec la certitude qu'elles ne perturbent pas les échanges thermiques autour de ce dernier Les plots ou bornes de sortie 4 sont réalisés, suivant la composition des conducteurs de liaison et la technologie de fabrication utilisée, soit par un dépôt d'argent ou de palladium- -25 argent, soit par un dépôt électrolytique d'or ou de nickel en vue d'une éventuelle soudure à l'étain plomb-argent, par ultra-sons, ou par "bonding". L'élément sensible 2 pouvant être immergé complètement dans un liquide électriquement conducteur, il est de préférence protégé par un dépôt d'une ou plusieurs couches minces 5 d'un matériau électriquement isolant et imperméable au liquide à contrôler, du genre verre minéral ou matière plastique hydrofuge. Les dépôts effectués sur le support 1 peuvent être réalisés suivant l'une ou la combinaison de trois technologies: évaporation sous vide, -5 pulvérisation cathodique et couches épaisses hautes et basses températures. Cette dernière technique est préférée car elle ne nécessite que quatre dép 6 ts par sérigraphie et deux cuissons pour la réalisation de la sonde De plus, la fiabilité de la technologie des couches épaisses dans le domaine électronique et l'environnement rencontré dans les véhicules automobiles n'est plus à démontrer. La figure 3 représente une sonde en tous points identique à celle des figures 1 et 2 à ceci près que l'élément sensible 2 est cons- titué de deux pellicules ou rubans conducteurs 2 a et 2 b disposés électriquement en parallèle Cette configuration permet de détec- ter la présence d'un liquide à deux niveaux différents, suivant qu'un seul ou les deux conducteurs 2 a et 2 b se trouvent immergés dans le liquide Bien entendu, on peut prévoir un plus grand nombre de conducteurs résistifs en parallèle pour constituer l'élément sensible 2, la principale limitation étant l'importance du courant électrique qu'il convient -alors de fournir à la sonde. La figure 4 montre une application possible de la sonde des fig 1 et 3 à la détection d'un niveau de liquide Une embase 11, portant la sonde proprement dite 12, est fixée à travers une paroi d'un ré- cipient 13 (par exemple un carter d'huile de lubrification de mo- teur) contenant un liquide 14, dans une position telle que l'élé- ment sensible 2 est amené près du niveau à mesurer 15 La sonde 12 est connectée électriquement à un circuit 16 permettant de détecter les variations de résistance de l'élément sensible 2 lorsque celui- ci passe de l'environnement gazeux qui régne au-dessus du liquide 14 au liquide 14 lui-même, et inversement Le circuit i 2 peut être si- milaire à celui, classique, des sondes connues à fil mince et ne sera donc pas décrit. Comme indiqué précédemment, la sonde décrite peut également servir à mesurer la température du liquide dans lequel l'élément sensible 2 est immergé puisque, en effet, la résistance de ce dernier dépendra -2538546 de la température du liquide En mesurant cette résistance, ou une image de celle-ci, on pourra, à l'aide d'un circuit approprié et d'un étalonnage convenable, fournir une indication de température continue ou par rapport à un ou plusieurs seuils Cette fonction de mesure de la température peut naturellement être assurée conjointe- ment avec la détection de niveau ou séparément de celle-ci On no- tera que l'utilisation de la sonde décrite pour la mesure des tem- pératures est grandement facilitée par le fait que la résistance nominale de l'élément sensible 2 peut être aisément ajustée, même dans le cadre d'une production en grande série, par attaque au laser ou par sablage. -7 - REVENDICATIONS. 1 Sonde thermique, notamment pour la détection de la présence ou de l'absence d'un liquide, du type comprenant un élément sensible conducteur de l'électricité en un matériau de résistivité et à coefficient de température élevés immergeable dans un liquide, caractérisé en ce que l'élément sensible ( 2; 2 a, 2 b) est consti- tué par au moins une pellicule à haute résistivité par unité de surface dudit matériau déposée à la surface d'un support ( 1) élec- triquement isolant et mauvais conducteur de la chaleur. 2 Sonde thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible ( 2; 2 a, 2 b) est en un matériau à base de ni- ckel ou une combinaison d'oxydes à base de nickel. 3 Sonde thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible ( 2; 2 a, 2 b) est en un matériau à base de platine. 4 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément sensible ( 2; 2 a, 2 b) est connecté à des bornes de sortie ( 4) par des conducteurs de liaison pelli- culaires à basse résistivité par unité de surface. 5 Sonde thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs de liaison ( 3) sont en un matériau de même na- ture-chimique de base que l'élément sensible ( 2; 2 a, 2 b). 6 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément sensible et les conducteurs de liai- son sont obtenus par l'une des techniques comprenant l'évapora- tion sous vide et la pulvérisalfon cathodique d'un matériau électri- quement conducteur. 7 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément sensible et les conducteurs de liai- son sont du type "couches épaisses" et sont obtenus par sérigraphie. 8 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support est en l'un des matériaux ayant pour base la stéatite, la silice et l'oxyde de zirconium. 9 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support est en matière plastique polyamide. Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément-sensible ( 2; 2 a, 2 b) et les conduc- teurs de liaison ( 3) sont recouverts d'au moins une fine couche ( 5) d'un matériau électriquement isolant et imperméable au liquide à contrôler. 11 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support ( 1) présente la forme d'un parallé- lépipède prolongé à l'une de ses extrémités par une partie triangu- laire. 12 Sonde thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément sensible est constitué de plusieurs pellicules ou rubans conducteurs ( 2 a, 2 b) disposés électriquement en parallèle.