Brevet FR2598804A1 — publié le 19871120

La présente invention concerne un capteur pour la détermination de phénomènes physiques dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, avec au moins un élément sensible à la pression, disposé en regard de la chambre de combustion dans un corps ayant de préférence la forme d'une bougie. Un tel capteur connu détermine la pression dans la chambre de combustion à l'aide d'éléments de pression à quartz. Ces derniers ne sont toutefois utilisables que jusqu'à une temperature relativement basse. Lorsque l'élément de pression à quartz est en outre logé dans la paroi du corps du cap10 teur, les déformations mécaniques du corps produites par des températures élevées risquent d'influencer négativement la valeur de pression. Des capteurs sont par ailleurs connus dans lesquels un guide optique, dont l'extrémité porte une fenêtre en saphir, permet d'ob15 server la lumière dans la chambre de combustion. Des mesures supplémentaires précises de la pression dans la chambre de combustion sont toutefois difficiles. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'élément sensible à la pression est constitué d'alumine alpha-cristalline 20 (saphir) sur laquelle sont disposées en technologie SOS (silicium sur saphir) des résistances sensibles à l'allongement. Le capteur selon l'invention présente l'avantage de permettre l'application de la technologie SOS connue pour la production des CI. La technologie SOS permet une mesure de pression statique, de sorte que la pression 25 régnant dans la chambre de combustion peut être déterminée directement ou indirectement par interprétation de l'équation de chauffage. Une mesure directe sur la pointe du capteur en regard de la chambre de combustion est possible moyennant une résistance thermique élevée de l'élément sensible à la pression. On obtient ainsi des valeurs 30 mesurées pratiquement non faussées. La taille du corps du capteur peut être très petite. Une tension des rtie élevée du signal de mesure et une grande résistance aux vibrations permettent d'obtenir une bonne précision. L'élément sensible à la pression est pratiquement isolé du corps, de sorte qu'aucune contrainte mécanique ou une 35 déformation du corps ne peut être transmise à la membrane de pres- sion. Le second saphir, obturant la cavité de vide de référence pour ?' l'élément sensible à la pression, est utilisable simultanément pour l'observation directe de la chambre de combustion. Des résistances peuvent en outre être disposées sur le saphir pour la mesure simul5 tanée de la température dans la chambre de combustion. Toutes les grandeurs de la chambre de combustion importantes pour la commande du moteur peuvent être déterminées simultanément et facilement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem10 _pies de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale de la partie d'un capteur située du c8té de la chambre de combustion; la figure la représente un détail vu suivant la flèche A; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un autre exemple de réali15 sation; et la figure 3 représente un circuit d'évaluation. La figure 1 représente le corps 10 d'un capteur 11 destiné à mesurer la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Le corps 10 comprend une partie tubulaire 12, qui est logée dans un alésage étagé 13 de la culasse 14. Le corps 10 est ensuite fixé à l'aide d'une vis 15. Dans la partie 12 qui ne s'étend pas jusqu'à la paroi intérieure de la culasse 14, deux saphirs 17, 18 sont disposés côte à c8te dans un vitrage 19 de l'ouverture en regard de la chambre de combustion, comme le montre la figure 20a. La partie tubulaire 12 contient en outre plusieurs couches 22 de ceramique isolante. Les saphirs 17, 18 affleurent la paroi intérieure de la culasse 14. Le premier saphir 17 présente un évidement 23 obturé par le second saphir 18 servant de couvercle. Les deux saphirs 17, 18 sont réunis à l'aide d'un verre de soudure 14. L'évidement 23 est produit dans le premier saphir 17 par usinage mécanique ou attaque chimique. Une lame mince ainsi formée dans le premier saphir 17 constitue la membrane de pression 25. Des résistances de mesure d'allongement 26 sont disposées sur le premier saphir 17, au voisinage de cette membrane de pression 25. L'évidement 23 constitue simultanément le vide de référence pour le capteur de pression 26. Ce dernier est relié par des rubans conducteurs 27, en tungstène ou or par exemple, à des fils électriques 28 et à une borne non représentée. Le vitrage 19 recouvre et protège les résistances de mesure d'allongement 26 et les rubans conducteurs 27. Les résistances de mesure d'allongement 26 sont produites en technologie SOS (silicium sur saphir). Cette technologie SOS est connue pour la production de CI. Par technologie SOS il faut comprendre un procédé de la technologie des semiconducteurs, dans lequel une 10 couche de silicium cristalline dopée est déposée par épitaxie sur le substrat en saphir. Les surfaces non destinées à des composants sont éliminées par décapage chimique selon les méthodes de production classiques. Il reste des résistances en silicium dopées et isolées, qui reçoivent ensuite une métallisation molybdène-platine ou tungstène15 or (rubans conducteurs), qui sont recouvertes d'une couche transparente isolante. Les résistances à semiconducteurs étant séparées par des couches de saphir, la limitation de température de la jonction p-n des résistances obtenues par diffusion de silicium est supprimée. Le principe de mesure repose sur l'effet piezorésistant, c'est-à-dire 20 la variation des résistances à semiconducteurs sous contrainte mécanique. Le capteur ainsi réalisé est utilisable aux températures jusqu'à 600 C. Le capteur 1l est utilisable simultanément pour l'observation optique de la lumière dans la chambre de combustion, car le second 25 saphir 18 servant de couvercle porte un guide optique 31 en fibres de verre de silice par exemple. Une mesure simple du début de l'information est ainsi possible. Les résistances 26 disposées sur la membrane de pression 25 permettent de déterminer aussi la température dans la chambre de 30 combustion. Il est toutefois concevable aussi de mesurer la température à l'aide de résistances supplémentaires, sensibles à la température et disposées sur les saphirs 17, 18. Les deux saphirs 17, 18 sont fixés uniquement dans le vitrage 19 et ne présentent aucune liaison mécanique directe avec la culasse. 35 Aucune transmission de contraintes mécaniques dues à la déformation du corps n'est ainsi possible pendant le vissage du capteur ou la mesure de pression. Les valeurs mesurées sont par suite très précises. Les résistances de mesure sont découplées de la culasse 14. Dans l'exemple de réalisation selon figure 2, une mesure est 5 possible par montage séparé des éléments de mesure de la pression et de la lumière dans la chambre de combustion. Les pièces identiques sont désignées par les mêmes références. La lumière dans la chambre de combustion n'est pas déterminée par le second saphir 18, mais à l'aide d'une fibre de verre 31, un barreau de quartz par 10 exemple. Une fenêtre en saphir supplémentaire peut aussi le cas échéant être disposée devant le barreau de quartz. Le corps 10a du capteur lia est obturé sur la face frontale de la partie 16a et présente à cet endroit deux alésages parallèles 32, 33 qui débouchent dans un évidement 34. Dans ce dernier, les saphirs 17, 18 sont de nouveau fixés dans le vitrage 19. Le fluide de pression peut pénétrer dans l'évidement 34 par l'alésage 32 et agir sur la membrane de pression 25. Cette dernière est disposée et protégée dans l'évidement 34. La fibre de verre 31 pénètre par l'autre alésage 33 et affleure la face frontale du corps 10a. Le quartz est moins coUteux que le 20 saphir, mais présente néanmoins une résistance si élevée qu'il peut affleurer la face frontale sans protection par rapport à la chambre de combustion. Un auto- nettoyage du barreau de quartz ou d'une fenêtre en saphir est assuré par la combustion de la saleté déposée. La figure 3 représente le circuit électrique des résistances de 25 mesure d'allongement 26 sur le saphir 17. Des rubans conducteurs en silicium sont obtenus sur le saphir 17 par attaque chimique en technologie SOS précédemment décrite. Les fines barrettes constituent les résistances R1, R2 qui sont connectées en diviseur de tension (montage en demi-pont). Un pont complet est également utilisable. Les 30 barrettes sont reliées chacune à des rubans de tungstène 37 et d'or 38, qui peuvent être connectés à une tension de sortie Uo, à la masse et à une tension de prélèvement U A Le barreau de quartz 31 permet une observation optique de la chambre de combustion quand le capteur est utilisé dans un moteur 35 à combustion interne. Le choix du matériau à haute résistance ther- mique pour le corps transparent garantit que la fenêtre située du c8té de la chambre de combustion ne fond pas et présente une résistance mécanique suffisamment élevée. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées 5 par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. y; f 1 1 r., - j .1 1 1. 1 w 1 1 1 t, ' '.1 A. Revendications 1. Capteur pour la détermination de phénomènes physiques dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, avec au moins un élément sensible à la pression, disposé en regard de la 5 chambre de combustion dans un corps ayant de préférence la forme d'une bougie d'allumage, ledit capteur étant caractérisé en ce que l'élément sensible à la pression (26) est constitué d'alumine alphacristalline (saphir) (17, 18) sur laquelle sont disposées en technologie SOS (silicium sur saphir) des résistances sensibles à l'allon10 gement (26). 2. Capteur selon revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible à la pression est librement suspendu dans le corps (10) au moins au voisinage des résistances (26). 3. Capteur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 15 que deux saphirs (17, 18) sont disposés sur une pièce isolante (19); le premier saphir (17) présente un évidement (23) sur la barrette duquel sont déposées les résistances (26); et le second saphir (18) obture l'évidement (23). 4. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caracté20 risé en ce que le second saphir (18) est relié à un guide optique (31). 5. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un guide optique (31) est disposé dans le corps (10), en regard de la chambre de combustion, pour l'observation de la lumière dans ladite chambre. 6. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le guide optique (31) est constitué par une fibre de verre. % -X- j 7. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément sensible à la pression est logé dans un [% 30 évidement 34 du corps (10a), recouvert par un couvercle comportant deux alésages (32, 33) au moins; et le guide optique (31) pénètre f- À dans un des alésages (33) et affleure la phase du couvercle en regard de la chambre de combustion. 8. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 7, caracté35 risé en ce que l'élément sensible à la pression (26) porte des élé- ments supplémentaires pour détermination de la température. 9. Capteur selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une couche de silicium cristalline dopée est déposée par épitaxie sur le premier saphir (17) et des résistances en sili5 cium dopé sont produites par gravure chimique de ladite couche, reliées à des fils électriques (28) et recouvertes d'une couche de verre isolante et protectrice (technologie SOS).