Brevet FR2658915A1 — publié le 19910830

Capteur pour mesurer simultanément la composition de mélanges gazeux et la vitesse de gaz ". L'invention part d'un capteur pour mesurer simultanément la composition de mélanges gazeux et la vitesse de gaz, notamment la concentration en oxygène et la concentration en monoxyde de carbone dans des mélanges gazeux et la vitesse de gaz avec un dispositif réalisé en technique multicouche. Jusqu'ici, on a mesuré la vitesse de l'air à l'aide de débitmètres à film chaud. Dans ce cas, il s'agit d'éléments à grande épaisseur chauffés à sondes thermiques intégrées. A l'aide d'un capteur de gaz chauffé supplémentaire à part, on peut mesurer l'émission de polluant dans l'air, par exemple du monoxyde de carbone (CO) au voisinage du débitmètre. Ce capteur présente également un réchauffeur et on peut le fabriquer en technique de couche épaisse ou en technique de couche mince. Pour mesurer l'émission de polluant (CO), on utilise par exemple des couches de SnO2. Ceci présente cependant l'inconvénient de nécessiter un réchauffeur propre et le cas échéant un capteur propre de température, ce qui rend les capteurs difficiles et coûteux à produire. Le capteur de l'invention est caractérisé en ce qu'il présente au moins un réchauffeur déposé sur un support et au moins un capteur de gaz avec des électrodes et une couche à réaction chimique et présente l'avantage suivant : à l'aide d'un seul capteur, on peut mesurer simultanément la vitesse du gaz polluant et sa concentration. Dans ce cas, au niveau du détecteur de gaz, il ne se passe pas de phénomènes endothermiques ou exothermiques, ou ils sont négligeables devant la convection. A l'aide d'une seule mesure de température et de chauffage, on réalise une température de travail constante nécessaire au dosage de polluant et à la mesure du débit de gaz. On peut choisir l'agencement et la succession des couches sur la substance support.On peut déposer les couches sur une face du support ou les couches pour le polluant peuvent se trouver sur une face du support ou elles peuvent se trouver sur une face pour la mesure du polluant et sur l'autre face pour la mesure du débit. Si le réchauffeur est contrôlé au-dessus de la résistance variable du courant traversant les spirales chauffantes, on n'a pas besoin d'une sonde supplémentaire de température dans le capteur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, entre le réchauffeur et le capteur de gaz on place au moins une sonde de température. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on dépose dans l'ordre suivant sur le support, un réchauffeur, une première couche isolante électrique, une sonde de température, une deuxième couche isolante électrique, des électrodes du capteur de gaz et une couche à réaction chimique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le capteur en substrat céramique comprend par exemple de l'oxyde d'aluminium. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le ou les réchauffeur(s) et les électrodes sont en forme de méandres. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la couche est en SnO2 (dioxyde d'étain). Suivant une autre caractéristique de l'invention, la couche est en dioxyde de titane Suivant une autre caractéristique de l'invention, on dépose les couches en technique de couche épaisse. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on dépose les couches en technique de couche mince. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le gaz est de l'air. A l'aide de la description qui va suivre et des modes de réalisation de l'invention représentés aux dessins et dans lesquels - La figure 1 montre la constitution d'un capteur et - la figure 2 montre la constitution d'un deuxième mode de réalisation. A la figure 1, on représente par 10 un capteur pour le dosage simultané de mélanges gazeux, notamment de la teneur de monoxyde de carbone dans les mélanges gazeux et pour mesurer la vitesse du gaz, qui présente une plaque support mince 11 de matériau bon ou mauvais conducteur de la chaleur, résistant à la température et à l'humidité, approprié aux différentes techniques de pression. Un tel matériau approprié est un substrat en céramique, par exemple en oxyde d'aluminium. On représente la plaque support par un rectangle mais on peut lui donner la forme adaptée aux conditions d'implantation. Sur la face supérieure, qui est la face exposée au polluant qu'on veut doser, on a imprimé un conducteur chauffant 12 en forme de méandres. Pour cela, on peut utiliser aussi bien la technique généralement connue de couche épaisse que celle de couche mince.On pourrait aussi réaliser le conducteur chauffant ainsi que toutes les couches suivantes par procédé de sérigraphie ou en technique multicouche. Le conducteur chauffant 12 peut être constitué de matériau NTC (coefficient de température négatif) ou PTC (coefficient de température positif). On recouvre le conducteur chauffant 12 d'une couche isolante 13 électrique imprimée, par exemple en verre. Elle sert simultanément aussi de support des électrodes du capteur de température 14. On peut relier par les pistes de contact 16 le capteur de température 14 à un circuit d'exploitation non représenté. En outre sur le capteur de température 14, se trouve une deuxième couche d'isolant électrique 17 qu'on peut réaliser comme la première couche isolante 13. Sur cette couche isolante 17, on imprime les deux électrodes 18 en forme de peigne du capteur de gaz 19. Le capteur de gaz 19 comprend en outre une couche 20 imprimée sur les électrodes 18, réagissant chimiquement, par exemple une couche de SnO2. La nature de cette couche dépend des gaz et des constituants de ces gaz qu'on veut doser. Ainsi à l'aide du dioxyde d'étain, couche de SnO2, on peut mesurer la teneur de CO dans l'air. Ceci est nécessaire pour piloter la fraction air frais-air ambiant dans les habitacles de véhicule. On dépose toutes les couches 12 à 20 dans la succession décrite ci-dessus sur la plaque support 11 en technique de couche épaisse ou de couche mince. On peut aussi combiner l'une l'autre les deux techniques de couche épaisse et de couche mince dans un capteur 10, de façon à pouvoir déposer sur la plaque support les couches respectives de technique différente. On peut utiliser aussi le procédé de sérigraphie ou la technique multicouche. Les couches isolantes 13, 17 ne doivent pas agir comme isolant thermique. Grâce à la structure en couche du capteur 10, on place le réchauffeur 12, les électrodes 14 du capteur de température et du capteur de gaz 19 aussi près que possible l'un de l'autre, de sorte qu'on a pas de mesure retardée dans le temps. Evidemment, on peut aussi placer le capteur de température sur une face de la plaque support 11 et le capteur de gaz 19 sur l'autre face de la plaque support 11. Si le conducteur chauffant 12 est balayé par un courant, dans lequel on produit la température de fonctionnement nécessaire au capteur 10. On surveille la température de fonctionnement à l'aide du capteur de température 14. Si le gaz à contrôler balaye le détecteur 10, par élimination de chaleur par convection sur le capteur 10, il y a une adaptation nécessaire de la puissance de chauffage du conducteur chauffant 12. Pour cela, on branche au conducteur chauffant 12 un circuit de régulation électronique non représenté mais connu. Cette modification de l'intensité ou de la tension du courant traversant le conducteur chauffant 12 est un signal de mesure de la vitesse de l'air balayant le capteur 10. Naturellement, on mesure la température environnant le capteur 10, de manière connue à l'aide d'une deuxième sonde de température thermiquement découplée du capteur 10. La couche 20 chimiquement réactive comprend par exemple une couche de SnO2. Si le gaz, par exemple de l'air, balaye cette couche 20, la résistance électrique dans cette couche 20 se modifie en fonction de la composition de l'air. Ainsi se modifie le courant s'écoulant entre les deux électrodes 18 en une fonction connue de la composition de l'air. Ainsi peut-on mesurer par exemple la teneur de l'air en polluant. Mais la couche 20 peut aussi être en dioxyde de titane. Ici aussi le mode d'action du capteur de gaz 19 repose sur l'équilibre chimique entre les défauts de structure du dioxyde de titane et la teneur gazeuse en oxygène de l'atmosphère environnant le capteur 10, dont on doit déterminer la teneur en oxygène. De préférence, on utilise le capteur pour mesurer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne.Dans ce cas, une faible concentration d'oxygène dans l'atmosphère, telle qu'elle existe par exemple dans le cas d'un mélange riche pour alimenter un moteur à combustion interne ou dans l'aspiration, provoque, par suite de la grande différence d'activité d'oxygène entre le dioxyde de titane et l'atmosphère le passage d'ions oxygène du dioxyde de titane dans l'atmosphère. Ainsi se forment dans le dioxyde de titane des défauts de structure dus à l'oxygène et des électrons libres. Par suite de la formation d'électrons libres, la résistance du capteur chute en présence de mélange riche. En cas de mélange pauvre, on aurait la réaction contraire, et la résistance du capteur augmenterait. Le mode de réalisation montré à la figure 2 diffère de celui de la figure 1 en ce qu'il n'y a pas de sonde de température 14 et de couche isolante 17. Le capteur 10a comprend ainsi le support 11, le conducteur chauffant 12, la couche isolante 13 et le capteur de gaz 19 avec les électrodes 18 et la couche réactive 20. Dans le capteur 10a à la figure 2, on détermine la température du conducteur chauffant 12 à l'aide de la variation de résistance du conducteur chauffant 12. On transfère ainsi la température de mesure du capteur 10a à une mesure indirecte à l'aide d'un circuit électronique. Cela signifie qu'on exploite le même effet avec un autre circuit d'évaluation. Ainsi, on simplifie encore la structure du capteur 10. REVENDICATIONS 1 ) Capteur (10) pour mesurer simultanément la composition de mélanges gazeux, notamment la concentration en oxygène et la concentration en monoxyde de carbone dans des mélanges gazeux et la vitesse de gaz avec un dispositif réalisé en technique multicouche, caractérisé en ce qu'il présente au moins un réchauffeur (12) déposé sur un support (11) et au moins un capteur de gaz (19) avec des électrodes (18) et une couche à réaction chimique (20). 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre le réchauffeur (12) et le capteur de gaz (19) on place au moins une sonde de température (14). 3 ) Capteur selon la revendication 1 et/ou 2, caractérisé en ce qu'on dépose dans l'ordre suivant sur le support (11), un réchauffeur (12), une première couche isolante électrique (13), une sonde de température (14), une deuxième couche isolante électrique (17), des électrodes (18) du capteur de gaz (19) et une couche (20) à réaction chimique (20). 4 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur (11) en substrat céramique comprend par exemple de l'oxyde d'aluminium. 5 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les réchauffeur(s) (12) et les électrodes (14) sont en forme de méandres. 6 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche (20) est en SnO2 (dioxyde d'étain). 7 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche (20) est en dioxyde de titane 8 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on dépose les couches en technique de couche épaisse. 9 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on dépose les couches en technique de couche mince. 10 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le gaz est de l'air.