Brevet FR2650892A1 — publié le 19910215

La présente invention concerne une structure de capteur d'humidité capacitif pouvant être relie à un dispositif de me- sure de constante diélectrique, ledit capteur comprenant - une couche diélectrique, dont la constante diélec- trique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée dans la couche, et - au moins deux couches conductrices isolées galvanique- ment entourant la couche diélectrique, l'une des couches conduc- trices de la structure de condensateur étant munie d'un motif aléatoire de crevasses, qui permettent une communication immé- diate entre l'air ambiant et la couche diélectrique. L'invention concerne également un procédé pour fabriquer un tel capteur d'humidité. L'invention vise à réaliser un capteur d'humidité capaci- tif de ce-type, ayant une réponse rapide, une bonne résistance à la corrosion et une bonne caractéristique d'hysterésis. D'après le brevet finlandais ne 71998, on connait une structure de condensateur dans -laquelle à la fois l'une dec couches conductrices et la couche diélectrique sont munies de crevasses, qui permettent une communication directe entre le ma- tériau diélectrique et l'air ambiant. On fabrique ces crevasses en réalisant la surface conductrice par dépôt sous vide par eva- poration d'un matériau présentant des contraintes internes tel- lement éleévées que sa fissuration forme également des crevasses dans la couche diélectrique adjacente. Cependant, lorsqu'elles s'étendent jusqu'à la couche di- électrique, ces crevasses dégradent les caractéristiques d'hystérésis et de stabilité du capteur. Il est bien connu dans la technique que ce qu'on appelle condensation capillaire se produit dans des espaces et capillaires étroits pour une hu- midité sensiblement plus faible que dans le cas d'une surface lisse, et en outre que la condensation capillaire se caractérise par de l'hystérésis (c'est-à-dire que la condensation a lieu à un niveau d'humidité relative plus élevé que le phénomène in- verse d'évaporation). Par exemple,-la condensation a lieu dans un capillaire cylindrique ferme à une extrémité lorsque le rayon intérieur rk du capillaire-est plus petit que la valeur obtenue par la formule: rk = (2M)/(rRT ln(Ps/P)), dans laquelle 5.. y = tension de surface de l'eau (72,75 dynlcm à 20 C) M = poids moléculaire de l'eau (18,02 g/mol) r = densité de l'eau (1,00 g/cÉm) R = constante des gaz parfaits (8,31 J/(mol. K)) T = température absolue Ps= pression partielle de saturation de l'eau Par exemple, si l'humidité relative est de 90 % (c'est-à- dire Ps/P = 1,1111), la condensation a lieu dans tous les capil- laires ayant un rayon égal ou inférieur à 0,01 Lm. En outre, les crevasses dans la couche-diélectrique concentrent les possibles contraintes internes en des points discrets, ce qui entraîne un effet néfaste pour la stabilité à long terme du capteur. De plus, des contaminants s'accumulant dans les crevasses peuvent avoir un effets sur les résultats des mesures. A cause des raisons considérées ci-dessus, il est préfé- rable, pour les caractéristiques du capteur, d'empêcher que les crevasses de l'électrode s'étendent dans la couche diélectrique de la manière decrite dans le brevet finlandais n 71998, ou, en variante, de remplir les crevasses de la couche diélectrique, par exemple avec une couche plastique adéquate, ce qui permet d'éviter presque complètement le ralentissement de la réponse du -capteur par un choix approprié du matériau. L'apparition de cre- vasses dans la couche diélectrique s'avère cependant inévitable lorsqu'on utilise les procédés de production classiques. Ainsi, le but de la présente invention est de surmonter les inconvénients de la technologie classique décrits ci-dessus et de réaliser un capteur d'humidité capacitif entièrement nbu-. veau et un procédé pour la fabrication du capteur. L'invention est basee sur le fait qu'on munit'au moins l'une des couches conductrices du capteur d'un motif aléatoire de crevasses tout en gardant la couche diélectrique adjacente exempte de crevasses Plus spécifiquement, le capteur d'humidité capacitif conforme à l'invention est caractérisé en ce que la couche di- electrique a une structure pleine sans fissures correspondant aux crevasses de la couche conductrice.- En outre, l'invention concerne une structure de condensa- teur comportant une couche conductrice présentant un motif aléa- toire de crevasses dans laquelle lesdites crevasses sont recou- vertes par une seconde couche mince de matériau diélectrique. Le procédé de fabrication conforme à l'invention est ca- ractérisé en ce qu'on réalise la couche électriquement conduc- trice présentant des crevasses formées de façon inhérente à par- tir d'un matériau à contraintes internes élevées en utilisant un dépôt sous vide sur une couche isolante en un matériau diélec- trique ramolli par un agent plastifiant à évaporation lente, ce qui empêche les crevasses formées dans la couche conductrice de fissurer la couche diélectrique_ Plus spécifiquement, le procédé conforme a l'invention est caractérisé en ce qu'on réalise la seconde couche conductrice sur la couche diélectrique alors que la couche diélectrique est encore dans un état plastifié, ce qui empêche les crevasses for- mées sur la seconde couche conductrice de s' étendre dans la couche diélectrique. L'invention fournit des avantages significatifs. Le capteur conforme à l'invention peut réduire -l'effet de capillarité et l'hystérésis qui en résulte, jusqu'à éliminer complètement l'effet dans certaines formes de réalisation de l'invention. On améliore en outre la stabilité à long terme du capteur en évitant les fissures dans la couche diélectrique. De plus, on diminue la détérioration des caratéristiques du capteur par la contamination grâce à la couche diélectrique exempte de crevasses. Si on recouvre la couche supérieure par une seconde couche diélectrique, on empêche complètement la formation de capil- laires En choisissant un matériau ayant une perméabilité à l'eau élevée, on obtient une réponse exceptionnellemnt rapide. De plus, si la seconde couche diélectrique fournit une bonne adhérence sur les couches sous-jacentes, on obtient une protection extrêmement efficace contre la corrosion. On examine maintenant en détail l'invention à l'aide d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple non-limitatif *et illustrée aux dessins annexes, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe de dessus d'un capteur d'humidité conforme a l'invention; la figure 2 est une vue de côté en coupe suivant A-A à la figure i du capteur d'humidité capacitif illustre à la figure 1.; et la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 du capteur d'humidité capacitif illustré a la figure 1, après recouvrement de la couche conductrice par une couche diélectrique. D'après les figures 1 et 2, on peut fabriquer un capteur 6 par exemple sur un substrat en verre 4 de façon a placer d'abord, au plus près du substrat 4, une première électrode conductrice 1, qui peut par exemple être une couche de tantale oxydée anodiquement. Ensuite, on recouvre la première électrode conductrice I par une couche 3 de matériau diélectrique, qui est typiquement un polymère adéquat tel que l'acétate butyrate de cellulose par exemple. On recouvre la couche di.électrique 3 par une seconde électrode conductrice 2, en chrome par exemple ou en un autre matériau adéquat ayant une résistance élevée à-l'usure. La seconde électrode conductrice 2 doit être en un matériau qui s'autocontracte sous l'action de contraintes internes lorsqu'on le produit sous forme de couche mince. Cette technique produit plusieurs crevasses 7 dans la seconde électrode 2. On relie les conducteurs de contact (non représentés) d'un dispositif de me- sure de constante diélectrique aux électrodes i et 2 du capteur dans les zones de contact 8. D'après la figure 3, on peut recouvrir la seconde élec- trode conductrice 2 du capteu. par une seconde couche diélec- trique 5 à travers laquelle la vapeur d'eau peut diffuser pour atteindre la première couche diélectrique.3. Des matériaux adé- quats pour la seconde couche diélectrique sont, par exemple, l'acétate de cellulose et le polyvinylpyrrolidone réticulé. La forme de réalisation préférée de l'invention est carac- térisée par une forte adhérence de la seconde couche diélec- trlque 5 à la fois à l'électrode conductrice 2 présentant les crevasses 7 et à la première couche diélectrique 3. Le capteur conforme à l'invention peut être fabriqué comme suit: On fabrique la première électrode i sur un substrat en verre 4 en utilisant les procédés de la technologie classique des couches minces, par exemple l'oxydation anodiqẻ. On réalise une couche de polymère 3 sur la premiere électrode 1, par exemple en soulevant lentement le substrat en verre 4 hors d'un polymere liquide, ce qui laisse sur le substrat en verre 4 une fine couche de plastique dissout dans le solvant. Le solvant du matériau dielectrique peut, par exemple, être un mélange de NMP (N-méthylpyrrolidone) et d'alcool, dans lequel le solvant NMP forme le constituant à évaporation lente, le polymère étant de l'acétate butyrate de cellulose. On pré- sèche le polymère pendant environ 10 minutes a 150 C. On évapore ainsi l'alcool, mais le polymère reste dans un état plastifié sous l'effet de l'agent plastifiant NMP. Ensuite, on dépose une électrode de surface 2, par exemple en chrome, sur la couche de polymère plastifié. On dépose l'électrode 2 jusqu'à une épais- seur d'environ 0,1 à 1 Rm. On recuit la structure du capteur pendant environ 3 jours à une température de 150 C, ce qui éva- pore l'agent plastifiant NMP et provoque la polymérisation de la couche diélectrique jusqu'à sa dureté finale. En variante, on peut se passer de l'utilisation d'un sol- vant à évaporation lente comme moyen plastifiant de la couche diélectrique en maintenant la couche diélectrique dans un état plastique au moyen d'une température de traitement élevée, le capteur devant être maintenu à 180 OC, par exemple, au cours du dépôt en phase vapeur de l'électrode de surface 2. Dans cette façon de procéder, une condition essentielle est que la tempéra- ture du substrat soit supérieure à la température de transition vitreuse Tg ou a la température de fusion de la couche dié-lec- trique. D'après la figure 3, on realise la seconde couche diélec- trique 5 par immersion dans un plastique liquide en utilisant un procédé comparable à celui utilisé pour la première couche 3 Dans cette façon de procéder, une condition essentielle est que le solvant utilisé dans le polymere liquide ne dissolve pas la première couche 3 En variante, on peut realiser la seconde couche diélectrlaque par polyméerisatlon par plasma d'un monomere adequat (par exemple le styrene),.ce qui conduit a une bonne ad- herence entre les couches. REVENDICATIONS 1. Capteur d'humidité capacitif (6) pouvant être relié à un dispositif de mesure de constante diélectrique, ledit capteur comprenant - une couche diélectrique (3), dont la constante diélec- trique varie en fonction de la quantité d'eau absorbée dans la couche, et - au moins deux couches conductrices (2,1) isolées gal- vaniquement entourant la couche diélectrique (3), l'une (2) des couches conductrices de la structure de condensa- teur étant munie d'un motif aléatoire de crevasses (7.), qui permettent une communication immédiate entre l'air am- biant et la couche diélectrique (3), c a r a c t é r i s é en ce que - la couche diélectrique (3) a une structure pleine sans fissures correspondant aux crevasses.(7) de la couche conductrice (2). 2. Capteur d'humidité conforme à la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que la couche conductrice (2) com- portant les crevasses est recouverte par une seconde couche di- électrique (5) qui peut permettre à la vapeur d'eau de diffuser dans la première couche diélectrique (3). 3. Capteur d'humidité conforme à la revendication 2, c a r a c t é r i s é en ce que la seconde couche diélectrique (5) adhère fermement à la fois à la qouche conductrice formant électrode (2) comportant les crevasses et à la première couche dielectrique (3). 4 Procédé pour fabriquer un capteur d'humidité capacitif (6), dans lequel - on réalise une première électrode conductrice (1) sur un substrat isolant (4), - on réalise une couche diélectrique (3) sur la première électrode conductrice (1), - on forme une seconde électrode conductrice (2) sur la couche diélectrique (3) à partir d'un matériau de grande. résistance a l'usure qui se contracte sous l'action de contraintes internes lorsqu'on le réalise sous forme d'une couche mince et qui forme des crevasses (7) dans la'sé- conde couche conductrice (2), c a r a c t é r i s é en ce que - on réalise la seconde couche conductrice (2) sur la couche diélectrique (3) alors que la couche diélectrique est encore dans un état plastifié, ce qui empêche les cre- vasses (7) formées sur la seconde couche conductrice (2) de s'étendre dans la couche diélectrique (3). 5. Procédé conforme à la revendication 4, c-a r a c t é - r i s é en ce qu'on réalise la seconde électrode (2) comportant les crevasses (7) par évaporation sous vide- sur la couche di- électrique plastifiée (3).- 6. Procédé conforme à l'une des revendications 4 ou 5, c a r a c t é r i s é en ce qu'on réalise la couche diélec- trique (3) a partir d'une. matière plastique. 7. Procédé conforme 'a l'une des revendications 4 à 6, c a r a c t é r i s é en ce qu'on maintient la couche diélec- trique dans un état plastifié au moyen d'un solvant s'évaporant lentement, tel que le NMP (N-méthylpyrrolidone) par exemple. 8. Procédé conforme à l'une des revendications 4 à 7, c a r a c t é r i s é en ce qu'on maintient la couche diélec- trique (3) dans un état plastifié en s'aidant d'une température élevée, ce qui garde le capteur (6) a une température surérieure à la température de transition vitreuse Tg ou à la températute de fusion, par exemple à 180 C, au cours du traitement de la se- conde électrode conductrice (2).