Brevet FR2639115A1 — publié le 19900518

CAPTEUR DE MESURE DE LA CONCENTRATION D'UN GAZ DANS UN FLUIDE La présente invention a pour objet un capteur de mesure de la concentration d'un gaz dans un fluide comportant un boitier ayant une paroi plane forme par une membrane permeable audit gaz, une solution aqueuse d'un electrolyte disposée dans ledit boitier en contact avec ladite membrane, ledit gaz et ledit electrolyte etant tels qu'ils sont susceptibles de reagir l'un avec l'autre dans une réaction d'équilibre au cours de laquelle au moins un ion d'hydrogène est libéré ou absorbé, ledit capteur comportant en outre des moyens pour produire un signal electrique en dépendance du pH de ladite solution d'électrolyte. Dans les capteurs de ce genre qui sont connus actuellement, le signal électrique de mesure du pH de la solution d'électrolyte est produit à l'aide d'un dispositif couramment appelé "electrode de verre". Une telle électrode de verre est bien connue et ne sera donc pas decrite en détail ici. I1 suffit de relever qu'elle comporte essentiellement un tube de verre partiellement rempli d'une solution d'un électrolyte adéquat dans laquelle est plongée l'extrémité d'une électrode de mesure. Ce tube de verre est difficile à fabriquer, ce qui explique, en partie tout au moins, le prix élevé de ces électrodes. De plus, les dimensions de ce tube de verre sont relativement grandes. Il en est donc de même d'un capteur incorporant une électrode de verre. Un tel capteur ne peut donc pas etre utilise dans de nombreux cas où la place à disposition est limitée, comme par exemple lorsque la mesure doit être faite ilion vivo". En outre, l'extrémité de ce tube de verre n'est jamais parfaitement plane. I1 en resulte que la distance -moyenne entre cette extrémité du tube et la membrane perméable aux gaz est assez grande, de sorte que la vitesse de reaction de l'électrode de verre est faible et que le temps nécessaire pour faire une mesure est grand. Un but de la présente invention est de proposer un capteur de mesure de la concentration d'un gaz dans un fluide qui ne présente pas ces inconvénients, c'est-à-dire qui soit meilleur marché, plus rapide et plus facile à mettre en oeuvre que les capteurs connus. Ce but est atteint par le capteur revendiqué, grâce au fait que les moyens qu'il comporte pour produire un signal électrique en dépendance du pH de la solution d'électrolyte comprennent un transistor à effet de champ sensible aux ions intégré dans une plaquette de matériau semi-conducteur ayant une première et une deuxième face parallèles l'une à l'autre, ledit transistor comprenant une source et un drain disposés chacun à une extrémité d'un canal séparé-de ladite première face par une couche d'un matériau isolant, ladite source et ledit drain étant en outre reliés électriquement, chacun, à des moyens de connexion accessibles depuis ladite deuxième face de la plaquette, et grâce au fait qu'il comporte en outre des moyens pour maintenir ladite plaquette dans ledit boitier de manière que ladite première face de la plaquette soit disposée à proximité de ladite membrane, parallèlement à celle-ci et en contact avec ladite solution aqueuse et que ladite deuxième face de la plaquette soit isolée de ladite solution aqueuse. D'autres buts et avantages du capteur selon la présente invention seront rendus évidents par la description qui va être faite ci-dessous à l'aide du dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une forme d'execution du capteur selon l'invention ; et - la figure 2 est une coupe schématique d'un transistor à effet de champ sensible aux ions utilisable dans le capteur de la figure 1. Le capteur selon l'invention représenté à titre d'exemple non limitatif à la figure 1 avec la référence 1 est destiné à la mesure de la concentration de gaz carbonique (bioxyde de carbone C02) dans un fluide quelconque qui peut etre un liquide ou un gaz. Le capteur 1 comporte un bottier 2 dont une extrémité est fermée de manière étanche par un couvercle 2a et dont l'autre extrémité est fermee par une membrane 3 permeable aux gaz, notamment au gaz carbonique, mais Imperméable aux liquides. La membrane 3 peut être réalisée dans de nombreuses matières, par exemple en Teflon (marque deposee de la Société Dupont de Nemours). Ces matières ne seront pas enumerées ici car elles sont bien connues des specialistes. Le capteur 1 comporte en outre une plaquette de silicium 4 dans laquelle est intégre un transistor à effet de champ sensible aux ions. Un tel transitor est couramment appelé transistor ISFET, d'après les initiales de sa designation en anglais (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Le transistor -integré dans la plaquette 4 est represente schematiquement a la figure 2 avec la référence 5. Un tel transistor est bien connu et ne sera donc pas décrit en détail ici. Il suffit de relever que le transistor 5 comporte de manière classique une source 6 et un drain 7 qui sont separés par un canal 8, ce canal 8 étant dispose à proximité de la face 4a de la plaquette 4, sous une couche d'isolation 9. La deuxième face de la plaquette 4, désignée par 4b, est creusee de deux trous 10 et 11. L'extrémité de deux fils conducteurs désignés respectivement par 12 et 13 est disposée dans les trous 10 et 11 et collée aux couches 10a et ila par une colle conductrice. Ces fils 12 et 13 sont donc reliés electriquement a la source 6 et, respectivement, au drain 7. La figure 1 montre que la plaquette 4 est fixée dans le boUter 2 à une extremite d'un support 14, de maniere que sa face 4a soit disposee parallèlement a la membrane 3, a proximité de celle-ci. L'autre extrémité du support 14 est fixee au couvercle 2a du boitier 2 de maniere étanche, de sorte que ce support 14 et ce boitier 2 délimitent avec la membrane et la plaquette 4 un espace 15 rempli d'un électrolyte liquide 16 qui est, dans le présent exemple, essentiellement constitué par une solution aqueuse de bicarbonate de soude (NaHC03) et de chlorure de sodium (.NaCl). Le support 14 est creux, et il est traverse par les fils 12 et 13 respectivement reliés a la source 6 et au drain 7 du transistor 5, ainsi que par un fil en argent 17 dont au moins l'extrémfte visible à la figure 1 est recouverte d'une couche de chlorure d'argent (AgCl), qui n'a pas ete representee vu sa très faible épaisseur. Cette extrémité du fil 17 traverse la paroi du support 14, de sorte qu'elle se trouve plongée dans l'électrolyte 16 remplissant la cavite 15. Ce fil 17 constitue une electrode de commande du capteur 1, dont le role sera décrit plus loin. Enfin, le support 14 est rempli d'une masse 18 d'une matiere plastique solide, qui peut etre par exemple une resine epoxyde. Cette masse 18 assure la fixation mecanique des fils 12, 13 et 17 au capteur 1. Elle garantit egalement que la face 4b de la plaquette 4 est parfaitement isolee de l'électrolyte 16 qui ne peut pas venir en contact avec elle. Lorsque le capteur 1 est utilisé pour mesurer la concentration de gaz carbonique present dans un fluide dans lequel il est plonge, il est relié, par les fils 12, 13 et 17, à un circuit de mesure qui ne sera pas decrit en détail car sa réalisation est à la portée de l'homme du metier. Il suffit de noter que ce circuit de mesure comporte un premier générateur qui applique entre la source 6 et le drain 7 une tension constante Vds, par l'intermédaire des fils 12 et 13. Le courant Id circulant entre le drain 7 et la source 6 notamment en réponse a cette tension Vds est mesuré et comparé à un courant de référence Ir par un circuit comparateur qui fournit une tension de commande Vc qui est variable en fonction de la différence entre ces courants Id et Ir. Ce circuit comparateur est agencé de maniere que lorsque le courant Id augmente, pour une raison qui sera mentionnée ci-dessous, la tension de commande Vc diminue, et vice-versa. Cette tension Vc est appliquée à l'électrode de commande 17. Le courant Id circulant dans le canal 8 du transistor 5 dépend, de manière bien connue, non seulement de la tension Vds appliquée entre son drain 7 et sa source 6, mais également de la tension qui existe entre l'électrolyte 16, avec lequel la face 4a de la plaquette 4 est en contact , et la source 6. Comme l'électrode de commande 17 est plongee dans l'électrolyte 16, cette derniere tension est la tension Vc mentionne ci-dessus. En outre, ce courant Id depend de la concentration des ions d'hydrogène H+ dans l'électrolyte 16, c'est- -dire du pH de ce dernier. Lorsque le capteur 1 est immergé dans un fluide pour mesurer la concentration du gaz carbonique dans ce fluide, ce gaz carbonique diffuse à travers la membrane 3 et réagit avec l'electrolyte 16. On verra ci-dessous que tant que cette concentration reste constante1 le courant Id est égal au courant Ir et la tension Vc a une valeur qui est une mesure de cette concentration. Si cette concentration de gaz carbonique augmente, par exemple, la quantité de ce gaz qui penètre dans la cavité 15 augmente. La réaction d'équilibre qui se produit entre ce gaz et la solution d'électrolyte 16 a pour effet de diminuer le pH de cette solution. Si la tension Vc restait constante, cette diminution du pH de la solution provoquerait une augmentation du courant Id. Mais, en réponse à une telle augmentation du courant Id, le comparateur de courant provoque une diminution de la tension Vc, de manière que le courant Id redevienne égal au courant Ir. Lorsque cette égalité est obtenue, la tension Vc se stabilise à une nouvelle valeur, qui est donc une mesure de la nouvelle concentration de gaz carbonique dans le fluide dans lequel le capteur 1 est plongé. Lorsque cette concentration diminue, les phénomènes decrits ci-dessus se produisent bien entendu également, mais en sens inverse. Le capteur selon l'invention a été décrit dans un cas ou il est utilisé pour mesurer la concentration de gaz carbonique dans un fluide. Mais il est évident qu'un tel capteur peut être utilisé pour mesurer la concentration d'autres gaz. Il suffit pour cela de remplacer l'électrolyte 16 par un autre, adapte au gaz dont la concentration doit être mesurée. De manière bien connue, cet elec- trolyte doit être tel qu'il réagissse avec le gaz dont la concentration doit être mesuree, dans une réaction d'equilibre au cours de laquelle au moins un ion d'hydrogène H+ est produit ou-absorbé. Dans le capteur 1 qui vient d'être decrit, la face 4a de la plaquette 4, et donc la surface sensible du transistor 5, peut être placée tres pres de la membrane 3. Dans un capteur réalisé pratiquement par la deposante, la distance entre cette plaquette 4 et cette membrane 3 a une valeur aussi faible que 8 micrometres environ. Comme cette distance est constante grâce au fait que la plaquette 4 est plane et parallele à la membrane 3, le volume de la solution d'électrolyte dont le pH est mesure de la manière décrite ci-dessus peut être tres faible. La réaction entre les molécules de gaz diffusant à travers la membrane et celles de la solution dtelectrolyte peut donc atteindre très rapidement son équilibre, ce qui a comme consequence que le capteur selon l'invention permet une mesure de la concentration de ce gaz dans un fluide beaucoup plus rapide que les capteurs connus. En outre, la plaquette 4 peut avoir des dimensions très faibles, de l'ordre de 1 x 1 mm2. Le capteur lui-même peut donc avoir un encombrement egalement très faible, qui le rend particulièrement apte à être utilisé lorsque la place à disposition est très limitée. Il faut noter à ce propos que le distance entre la paroi externe du support 14 et la paroi interne du- boitier 2 a été fortement exagérée dans la figure 1. En pratique, les dimensions du boîtier 2 et du support 14 peuvent être choisies de manière que cette distance soit à peu pres nulle. Dans un tel cas, le couvercle 2a du boitier 2 peut être supprimé, et le support 14 peut être fixé directement à ce dernier. Cette forme d'exécution du capteur selon l'invention n'a pas été représentée. On voit egalement que la fabrication du capteur utilise essentiellement des techniques très simples et très bon marché. Il en resulte que le prix de revient du capteur 1 est nettement inferieur à celui des capteurs connus. La paroi du boîtier 2 et la membrane 3 ont des resistances thermiques tres faibles, à cause de leur faible épaisseur. L'électrolyte 16 remplissant la cavité 15 est donc toujours pratiquement a la même température que le fluide dans lequel le capteur 1 est plongé. Le pH de cet électrolyte 16, comme celui de n'importe quel liquide, varie en fonction de sa température, de manière bien connue. Il en résulte que l'indication fournie par le capteur 1 de la maniere décrite ci-dessus dépend non seulement de la concentration du gaz dans le fluide dans lequel ce capteur est plongé, mais également de la temperature de ce fluide, qui est aussi celle de l'électrolyte 16. Pour obtenir une mesure correcte de cette concentration, il est donc necessaire de tenir compte de la temperature de l'électrolyte 16. Cette dernière pourrait être mesurée par un thermomètre d'un type quelconque disposé dans la cavité 15. Il est cependant beaucoup plus simple d'utiliser à cet effet une diode intégree dans la même plaquette de silicium 4 que le transistor 5. Les figures 1 et 2 illustrent également une forme d'exécution du capteur selon l'invention comportant une telle diode. On voit en effet que, dans le capteur decrit par ces figures, la plaquette 4 comporte encore une diode 19 constituée par une jonction 20 située entre la source 6 du transistor 5 et une zone 21 convenablement dopée. La source 6 constitue la cathode de la diode 19 et la zone 21 son anode. Comme pour la source 6 et le drain 7 du transistor 5, un trou borgne 22 est ouvert dans la face 4a de la plaquette 4. De même, une couche conductrice 22a est disposée dans le trou 22, en contact ohmique avec l'anode 21. En outre, l'extrémité d'un fil conducteur 23 est fixe dans le trou 22 par une colle conductrice. Ce fil 23, qui permet donc de relier l'anode 21 de la diode 19 à un circuit adéquat, traverse également la masse de matière plastique 18 remplissant l'intérieur du support 14. La présence de la diode 19 dans la plaquette 4 ne renchérit pas sensiblement cette dernière, puisqu'elle peut être fabriquée par les mêmes opérations et en même temps que le transistor 5. Un capteur 1 incorporant cette diode 19 presente donc un avantage supplementaire de simplicité de fabrication, et donc de prix plus bas, par rapport aux capteurs connus dans lesquels la température de la solution d'électrolyte doit être mesurée par des moyens distincts des moyens de mesure du pH de cette solution. En outre, la mesure de température faite a l'aide de cette diode 19 est plus précise et plus rapide qu'avec un thermometre séparé, du fait que cette diode est a proximite immediate de la zone ou le pH de la solution d'électrolyte est mesuré. Dans une autre forme d'exécution du capteur selon l'invention, qui n'a pas été représentée, le fil d'argent 17 ne traverse pas la paroi du support 14 mais reste à l'intérieur de celui-ci. L'extrémité de ce fil d'argent 17 est également recouverte d'une couche de chlorure d'argent (AgCl), et elle est disposée dans un logement ménagé dans la masse de matière plastique 18, à proximité de la plaquette 4. La plaquette 4 comporte dans ce cas un trou qui la traverse de sa face 4a à sa face 4b et qui met en communication le logement mentionné ci-dessus avec l'espace séparant cette plaquette 4 de la membrane 3. Ce logement est donc rempli par l'électrolyte 16, qui est ainsi en contact avec l'extrémité du fil 17. Le fonctionnement du capteur est donc exactement le même, dans cette forme d'exécution, que dans celle qui a éte décrite à l'aide des figures 1 et 2. Il va de soi que le capteur qui vient d'être décrit peut subir de nombreuses modifications évidentes pour l'homme du metier sans sortir du cadre de la presente invention. REVENDICATIONS 1. Capteur de mesure de la concentration d'un gaz dans un fluide comportant un boitier ayant une paroi plane formée par une membrane perméable audit gaz, une solution aqueuse d'un electrolyte disposée dans ledit boitier en contact avec ladite membrane, ledit gaz et ledit électrolyte étant tels qu'ils sont susceptibles de réagir l'un avec l'autre dans une réaction d'équilibre au cours de laquelle au moins un ion d'hydrogène est libéré ou absorbé, ledit capteur comportant en outre des moyens pour produire un signal electrique en dépendance du pH de ladite solution d'electrolyte, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour produire un signal électrique comportent un transistor a effet de champ sensible aux ions (5) integré dans une plaquette (4) de matériau semi-conducteur ayant une première (4a) et une deuxième face (4b) parallèles l'une à l'autre, ledit transistor (5) comprenant une source (6) et un drain (7) disposes chacun à une extrémité d'un canal (8) séparé de ladite première face (4a) par une couche d'un materiau isolant (9), ladite source (6) et ledit drain (7) étant en outre relies électriquement, chacun, à des moyens de connexion (lova, 11a) accessibles depuis ladite deuxième face (4b) de la plaquette (4), et par le fait que ledit capteur (1) comporte en outre des moyens (14) pour maintenir ladite plaquette (4) dans ledit boîtier (2) de manière que ladite premiere face (4a) de la plaquette (4) soit disposée à proximité de ladite membrane (3), parallelement à celle-ci et en contact avec ladite solution aqueuse (16) et que ladite deuxième face (4b) de la plaquette (4) soit isolee de ladite solution aqueuse (16). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de connexion (lova, lia) comportent une premiere (iota) et une deuxième couche (lia) d'un matériau conducteur, lesdites couches (lOa, lia) etant disposees, chacune, dans un trou borgne (10, 11) ouvert dans ladite deuxième face (4b) de la plaquette (4) et étant respectivement reliees electriquement a ladite source (6) et audit drain (7). 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens pour produire un deuxième signal electrique en dépendance de la température de ladite solution d'électrolyte. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérise par le fait que lesdits moyens pour produire un deuxième signal electrique comportent une diode (19) intégrée dans ladite plaquette (4) et des moyens de connexion (22a) de ladite diode (19) accessibles depuis ladite deuxième face (4b) de la plaquette (4). 5. Capteur selon la revendication 1, caracterise par le fait que ledit support (14) a la forme d'un tube ayant une premiere extrémité fermee de manière etanche par ladite plaquette (4) et une deuxième extrémité fixée de manière étanche audit boitier (2).