Brevet FR2605802A1 — publié le 19880429

Détecteur sensible à l'humidité et procédé pour sa fabrication. L'invention concerne un élément capteur ou détecteur sensible à l'humidité pour la mesure élec- trique directe et l'enregistrement de la teneur en humidité de gaz, de milieux visqueux et de produits ou matières à répandre et un procédé pour sa fabrication. Il est connu que les oxydes de certains métaux possèdent une résistance électrique élevée, cette resistance diminuant à mesure qu'augmente l'humidité relative ambiante à laquelle l'oxyde est exposé. Le document DE-OS 2 229 748 (G 01 N 27/12) décrit un élément capteur de ce type, dans lequel on utilise de préférence les oxydes de métaux du groupe VIII, période 4 de la classification périodique des éléments, c'est-à-dire les oxydes de fer, de nickel et de cobalt. Ce document met particulièrement l'accent sur la possibilité d'utilisation commerciale de couches de Ni203 et de Fe203 Par le document 3 224 920 (G 01 N 27/12) il est connu que la couche d'oxyde métallique est réalisée sous forme de feuille. Les documents DE-OS 2 821 267 et EP 5481 décrivent un mode de fabrication dans lequel le substrat est revêtu d'une pellicule d'une solution organique et la pellicule est transformée en une mince couche à semi- conducteurs en oxyde métallique par traitement thermique en plusieurs étapes. Dans ce cas la solution contient un composé métallique qui se transforme en oxyde métallique lors de la décomposition thermique ou hydrolytique.- Selon un autre procédé de fabrication décrit dans le document DE-OS 2 229 748, on broie finement de la poudre d'oxyde de fer avec un liant et de l'eau dans un broyeur à boulets pour former une pate, les parti- cules d'oxyde étant mises en dispersion dans l'humidité. La pâte finie est alors appliquée ou pulvérisée sur le substrat que l'on chauffe ensuite pour faire évaporer le liant et la portion en eau. Tous ces procédés de fabri- cation connus ne permettent toutefois que l'application d'une couche d'oxyde métallique homogène structurée uniformément, fortement adhésive sur un support. Les éléments détecteurs ou capteurs d'humidité connus utilisant des couches ou feuilles d'oxyde métallique reposent sur le principe d'une résistance ohmique influencée par l'humidité et présentent un comportement électrique purement passif. Un inconvénient réside en ce qu'ils possèdent une résistance extremement élevée pour le domaine de l'humidité relative jusqu'à '. Cette résistance dans la plage de 1010 jusqu' à 1012 ohms rend difficile la mesure dans le domaine d'une humidité plus faible, domaine o est ressenti un besoin industriel important. Un autre inconvénient de tous les capteurs réside en ce qu'ils réagissent au changement d'humidité avec une inertie élevée, c'est-à-dire qu'ils présentent une mauvaise dynamique ou un comportement d'hystérésis insatisfaisant. Cecl s'applique notamment aux capteurs ou détecteurs à base de semiconducteurs. Les surfaces des jonctions p-n réagissent avec une extrême sensibilité, mais présentent un comportement irréversible. Tous ces types de capteurs connus sont sensibles aux milieux agressifs. Le but de l'invention est de produire un élément capteur ou détecteur pour la mesure de l'humidité, ca- pable d'effectuer des relevés fiables, notamment dans le domaine de la faible humidité relative, et pouvant être fabriqué de façon rationnelle. Le problème se posait de créer une structure présentant une dynamique élevée également dans la plage de la faible humidité relative pour une dépendance ou réponse rigoureuse vis-à-vis de l'humidité, une courbe caractéristique essentiellement exempte d'hystéresis et une constance élevée de longue durée, sans être sensible aux milieux agressifs. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par une couche fonctionnelle qui est disposée entre la surface d'un polymère pigmenté par un oxyde métallique et une couche métallique polycristalline modifiée. La couche fonctionnelle présente une structure de limite de phase laquelle est en partie adaptée à la structure moléculaire linéaire du polymère. La couche d'oxyde métallique polycristalline modifiée présente un gradient stoechlométrique et comporte des pores qui s'étendent de facon approximativement perpendiculaires à la surface jusqu'à la structure de limite de phase. Par ces pores, l'humidité parvient directement dans la couche fonctionnelle dans laquelle les polyélec- trolytes sont produits grâce auxquelles est influencée la fonction de la structure de limite de phase sont formés des éléments galvaniques locaux. La production d'une structure de ce type s'effectue de façon simple en réchauffant un corps de base oxydable métalliquement par chauffage ohmique en atmosphère normale ou dans un mé- lange gazeux qui contient au moins 10% d'oxygène, jusqu'à ce qu'une couche d'oxyde d'une épaisseur d'au moins 50 nm se forme sur sa surface, Ensuite, le corps de base est refroidi jusqu'à une température qui se situe au maximum à 20- au-dessus de la température de frittage du matériau porteur polymère, et le polymère est apporté par fusion sur la surface métallique oxydée. Après refroidissement, le polymère, y compris la couche d'oxyde fortement ashésive sont séparés du corps de base métallique et la couche d'oxyde métallique qui adhère sur le support polymère reçoit des trous supplémentaires qui assurent la liaison de la surface de l'oxyde métal- lique avec la structure de limite de phase. Les pores supplémentaires peuvent également être pratiqués sous forme de fentes que '1 on peut produire facilement en pliant la couche d'oxyde métallique relativement fragile. Dans ce procédé conforme à l'invention, il se produit une surstructure p-n orientée, modifiée par voies thermochimiques et mécaniques entre les polymères et la couche d'oxyde métallique, surstructure qui possède des propriétés électriques et électrochimiques. Lors de la séparation de la couche d'oxyde métallique du corps de base métallique, la couche d'oxyde ayant la proportion d'oxygène la plus élevée est amenée sur le côté intérieur de l'élément capteur, tandis que le côté extérieur (surface) du capteur est formé par la zone plus pauvre en oxygène de la couche d'oxyde métallique. Cette structure de couches s'avère extrêmement résistante aux milieux agressifs. Même face à des acides qui attaquent le métal, la couche d'oxyde s'avère résistante. Etant donné que le matériau porteur polymère quant à lui est de toute façon résistant à l'attaque, l'élément capteur présente globalement des propriétés très stables. La formation de la structure de limite de phase a lieu à une température qui se situe à environ 20/. au-dessus de la température de frittage du polymère. Pour l'oxydation de la surface polymère, dans la zone de structure de limite de phase, l'oxygène est prélevé de l'oxyde métallique. Le mode d exécution de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple nullement limitatif, avec référence aux figures du dessin annexé, dans lequel: La figure 1 montre le principe de constitution de l'élément capteur conforme à l'invention. La figure 2 montre l'allure du cycle thermique du procédé de fabrication décrit. Le support 1 consiste en un polymère qui est pigmenté entièrement ou uniquement en surface par un oxyde métallique. Sur ce support se trouve une couche fonctionnelle 2, et au-dessus de celle-ci une couche d'oxyde métallique 3. La couche fonctionnelle 2 présente une limite de phase 4 produite thermiquement. Dans la couche d'oxyde métallique 3 se trouvent des pores 5 qui s étendent de façon pratiquement verticale depuis la surface jusqu'à la limite de phase 4. Le gradient stoechiométrique de la couche d oxyde métallique 3 poly- cristalline agit de telle sorte qu'en cas d'utilisation d'une couche d'oxyde de fer une structure moléculaire est présente laquelle comporte de façon prédominante des molécules de Fe20, toutefois aussi bien en surface que dans la couche fonctionnelle 2 ce sont les molécules de Fe304 qui prédominent. On considère que c'est a proximité immédiate de la limite de phase 4 qu'a lieu le prélèvement des atomes d'oxygène à partir de l'oxyde, conduisant à l'oxydation du polymère pendant le procédé de formation de la structure de limite de phase. La modification de la couche limite de phase par des voies O thermochimiques et mécaniques s'effectue obligatoirement dans la mise en oeuvre du procédé de fabrication décrit. Pour la structure de couche d'oxyde pouvant être réalisée techniquement avec les gradients nécessaires de la proportion en oxygène, on prend en considération une épaisseur minimale de couche d'oxyde de 50 nm, obtenue sous atmosphère normale à une température d'environ 400'C après 10 à 15 secondes. Exemple de réalisation Pour un capteur ou détecteur d'humidité présentant un bon comportement d'hystérésis dans la plage de mesure de l'humidité de l'air normalement rencontrée, on met en oeuvre en tant que support 1 une feuille de polyEthylène (PE 1700) pigmentée par 5Z de Fe203 d'une épaisseur de 0.3 mm. La couche d'oxyde de fer 3 présente une épaisseur de 100 nm. La proportion du volume de pores par rapport au volume total de la couche d'oxyde est inférieure à 15Z. Pour la préparation, on peut utiliser un feuillard d'acier du commerce (St 38) que l'on chauffe par chauffage ohmique sous atmosphère normale jusqu'à 400' C et l'on maintient cette température pendant environ 15 s. Ensuite, on refroidit la tôle jusqu'à 'C et immédiatement après, on l'enduit de PE 1700 dans un lit fruidisé à 250'C pendant environ 50 s. Après le refroidissement à la température ambiante, on sépare la liaison PE-Fe203 et l'on pratique des trous ou chenaux, répartis de façon uniforme sur la surface de la couche d'oxyde. La figure 2 représente un tracé du cycle thermique. REVENDICATIONS 1. Détecteur sensible à l'humidité destiné à la mesure électrique directe et à l'enregistrement de la teneur en humidité de gaz, de milieux visqueux et de matières à répandre en utilisant des couches d'oxyde métallique et des polymères, caractérisé en ce que l'on affecte à un support polymère (1) qui est pigmenté au moins sur la surface de contact entre le polymère et l'oxyde métallique par un oxyde métallique, et à une couche d'oxyde métallique (3) fortement adhésive sur celui-ci, présentant des pores traversants (5) et ayant une épaisseur d'au moins 50 nm, une couche fonctionnelle (2) orientée modifiée, produite par des voies thermo- chimiques et mécaniques et qui comporte une limite de phase (4). 2. Détecteur sensible à l'humidité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en tant qu'oxyde métallique (3) on met en oeuvre de l'oxyde de fer. 3. Détecteur sensible à l'humidité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support polymère (1) consiste en une feuille de polyéthylène. 4. Procédé pour la fabrication d'un détecteur sensible à l'humidité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un corps de base oxydable métallique est chauffé par chauffage ohmique dans un mélange gazeux qui contient au moins 10% d'oxygène, jusqu'à ce que sur sa surface se forme une couche d'oxyde d'une épaisseur d'au moins 50 nm, le corps de base étant subséquemment amené à une tempéra- ture qui se situe au maximum à 20% au-dessus de la température de frittage d'un polymère, et en ce que le polymère est apporté par fusion sur la surface métal- lique oxydée et ensuite, après refroidissement à la température ambiante, le support polymère y compris la couche d'oxyde métallique est séparé du corps de base métallique et subséquemment, on pratique des pores (5) dans la couche d oxyde métallique (3) qui sont répartis uniformément sur la surface de façon approximativement verticale à partir de la surface jusqu'à la couche limite (4). 5. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'en tant de corps de base oxydable métalli- quement on chauffe une tôle d'acier jusqu'à 400'C que l'on maintient pendant 15 s à cette température. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendl- cations 4 et 5, caractérisé en ce que la mise en fusion du polymère s'effectue par frittage en turbulence de polyethylène 1700 à 250'C pendant 20 s à une température de charge du corps de base métallique de 150'C.