Brevet FR2673065A1 — publié le 19920821

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour protéger thermiquement des moyens électroniques lorsqu'ils sont mis en oeuvre dans un environnement à température extérieure élevée. La présente invention vise aussi une étiquette électronique mettant en oeuvre le procédé ci-dessus. Les composants à semi-conducteurs, notamment au silicium, constituent aujourd'hui une proportion importante des circuits électroniques utilisés Une limitation à leur utilisation résulte néanmoins de la dégradation des propriétés électroniques de ces matériaux lorsque la température du circuit augmente C'est ainsi que les effets thermiques affectent les propriétés électroniques de circuits au silicium et les rendent inutilisables en pratique au-dessus de 1200 C environ. D'autres matériaux semi-conducteurs, comme des composés binaires, résistent mieux à la température mais leur coût est sensiblement plus élevé. On rencontre donc souvent le besoin de limiter l'élévation de température de moyens électroniques lorsque ceux-ci sont destinés à fonctionner dans un environnement à température élevée. Ce besoin est encore plus important lorsque les moyens électroniques comprennent une alimentation électrique autonome (pile) En effet, lorsqu'elle est portée à température élevée, la pile a tendance à se décharger rapidement de sorte que le circuit devient inutilisable Ce problème est particulièrement gênant lorsque la pile ne peut pas être remplacée. En milieu industriel, les étiquettes électroniques sont d'un usage de plus en plus répandu. Elles se présentent habituellement sous forme d'un boîtier contenant une alimentation électrique et un circuit électronique, en général un circuit imprimé, comprenant une mémoire o on stocke des informations relatives à l'objet étiqueté et des moyens de lecture/écriture permettant d'accéder à cette mémoire. Les moyens de lecture/écriture sont commandés par induction à partir d'un plot fixe de lecture/écriture devant lequel on présente l'étiquette. Un inconvénient des étiquettes électroniques connues est qu'elles ne peuvent pas accompagner les produits qu'elles identifient lorsque ceux-ci sont soumis à des traitements thermiques à des températures dépassant la température maximum d'utilisation des composants, notamment de leurs alimentations électriques qui doivent rester à température modérée pour ne pas se décharger trop rapidement Cet inconvénient est rencontré par exemple dans des chaînes de peinture d'objets métalliques tels que des carrosseries, la température de traitement étant alors typiquement de 2700 C. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif permettant de maintenir des moyens électroniques au-dessous de leur température maximum d'utilisation lorsqu'ils sont temporairement exposés à un environnement de température élevée Un autre but est de réaliser une étiquette électronique dont les composants soient ainsi protégés'et qui assure une transmission fiable d'informations. Suivant l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on loge les moyens électroniques dans un noyau entouré par une enveloppe réalisée en un matériau à faible conductivité thermique, le matériau du noyau ayant une chaleur spécifique à l'état solide telle que, lors d'un cycle de fonctionnement des moyens électroniques dans l'environnement à température extérieure élevée de durée prédéterminée, le noyau absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques et les maintenir ainsi à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement. Le procédé selon l'invention combine deux effets permettant de limiter l'échauffement excessif des moyens électroniques La faible conductivité thermique de l'enveloppe assure que la puissance calorifique transmise à son intérieur soit faible de sorte que, pendant au moins ladite durée prédéterminée, la quantité de chaleur transmise est limitée En outre, cette quantité de chaleur est principalement absorbée par le noyau dont la chaleur spécifique à l'état solide est suffisamment grande Cette propriété du matériau du noyau assure que la quantité de chaleur transmise, qui est en elle-même réduite, se traduira par une élévation de température limitée du noyau et des moyens électroniques. Suivant une version avantageuse de la présente invention, le noyau, l'enveloppe et ladite durée prédéterminée sont tels que la quantité A = p C L 2/(t X/Ll) soit supérieure à 0,25, les grandeurs intervenant dans l'expression de la quantité A étant: p: masse volumique, en kg m-3, du matériau du noyau; C: chaleur spécifique à l'état solide, en J.K-' kg-1, du matériau du noyau; L 2: épaisseur minimum, en m, des parois du noyau; t: ladite durée prédéterminée, en s; X: conductivité thermique, en W m-l K-1, du matériau de l'enveloppe; et L 1: épaisseur minimum, en m, de l'enveloppe. En satisfaisant le critère ci-dessus, on réalise la protection thermique recherchée tout en optimisant l'encombrement du système. Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe réalisée en un matériau à faible conductivité thermique et un noyau dans lequel se logent les moyens électroniques, situé à l'intérieur de l'enveloppe et réalisé en un matériau ayant une chaleur spécifique à l'état solide telle que, lorsque le dispositif est placé dans l'environnement à ladite température extérieure élevée, le noyau absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques et les maintenir ainsi à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement pendant une durée prédéterminée. La constitution de ce dispositif par exemple sous forme d'étiquette électronique lui permet d'avoir des dimensions relativement réduites avec les avantages du procédé précité, ce qui est souhaitable pour limiter son encombrement et éviter les pertes d'informations lorsque le circuit électronique est destiné à échanger des sianaux électromagnétiques avec un dispositif extérieur. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci- dessous, lue conjointement aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue de face d'une étiquette électronique suivant l'invention; la figure 2 est une vue en coupe en élévation de l'étiquette représentée à la figure 1 suivant le plan II-II; et les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant le fonctionnement de cette étiquette. Le procédé et le dispositif de protection thermique de la présente invention sont décrits ci- dessous dans le cadre d'une de leurs applications préférées à une étiquette électronique protégée L'homme du métier pourra bien entendu utiliser ces enseignements pour réaliser des protections thermiques pour d'autres types de moyens électroniques devant subir des températures élevées (par exemple des circuits à semi- conducteurs ou incorporant une pile). Dans l'application décrite, les moyens électroniques à protéger comprennent (voir figures 2 et 4) une pile d'alimentation électrique 14 fournissant de l'énergie à un circuit imprimé 3 qui inclut une mémoire 12 et une unité de lecture/écriture 13 pour lire ou écrire des données numériques dans la mémoire 12 De façon connue, l'unité de lecture/écriture 13 est reliée à un circuit magnétique 11 permettant à l'étiquette électronique 10 d'échanger des informations par induction avec un plot fixe de lecture/écriture 20 représenté schématiquement à la figure 3. L'étiquette 10 dont la structure est représentée aux figures 1 et 2 comprend un boîtier extérieur 4, 5, une enveloppe 1, 21 située à l'intérieur du boîtier 4, 5 et un noyau 2, 22 dans lequel se logent les moyens électroniques 3, 11, 14, ce noyau 2, 22 étant situé à l'intérieur de l'enveloppe 1, 21. Le boîtier 4, 5 est réalisé en un matériau résistant aux températures extérieures élevées Text auxquelles l'étiquette est susceptible d'être soumise Un matériau approprié pour le boîtier 4, 5 est la matière plastique polyétheréthercétone (PEEK) telle que celle commercialisée par la société ICI sous l'appellation "Victrex" PEEK dont les propriétés mécaniques sont conservées jusqu'au-dessus de 3000 C. L'enveloppe 1, 21 est réalisée en un matériau à faible conductivité thermique X Un matériau isolant approprié pour l'enveloppe 1, 21 est le matériau microporeux commercialisé par la société Wacker sous l'appellation WDS Ce matériau se compose d'oxydes inorganiques, notamment de silice et présente une conductivité thermique adéquate X = 0,025 W m-l K'I Ce matériau est obtenu par frittage d'une poudre d'oxydes et est disponible sous forme de plaques qu'on usine pour réaliser l'enveloppe 1, 21 La forme de l'enveloppe 1, 21 peut aussi être obtenue par moulage. Le noyau 22 est réalisé en un matériau ayant une forte chaleur spécifique à l'état solide C. Conformément à l'invention, cette chaleur spécifique élevée du noyau 2, 22 assure que, lorsque le dispositif de protection (constitué de l'enveloppe 1, 21 et du noyau 2, 22) est placé dans un environnement à température extérieure élevée Text (typiquement 200 à 3000 C), le noyau 2, 22 absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe 1, 21 pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques 3, 11, 14 à protéger On maintient ainsi ces moyens électroniques 3, 11, 14 à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement (typiquement inférieure à 1000 C) pendant au moins une durée t prédéterminée (typiquement 5000 s) lorsque l'étiquette électronique 10, initialement stabilisée à la température ambiante (environ 200 C) est portée à ladite température élevée Text. Un matériau approprié pour le noyau 2, 22 est un matériau composite contenant de là toile bakélisée, par exemple celui connu sous le nom Celoron (NFC 26150), dont la chaleur spécifique à l'état solide vaut C = 1254 J kg-1 K-1 et la masse volumique p = 1400 kg m-3 Ce matériau est moulé pour définir le logement des moyens électroniques 3, 11, 14 et pour que son contour extérieur s'adapte à l'intérieur de l'enveloppe 1, 21. Le noyau 2, 22 peut également être réalisé en acier inoxydable usiné ayant par exemple une chaleur spécifique à l'état solide C = 502 J kg-l K-1 et une masse volumique p = 7850 kg m-3 Dans ce cas le circuit magnétique 11 est à l'extérieur du noyau 2,22. Les moyens électroniques 3, 11, 14 sont logés dans le noyau 2, 22 et enrobés d'une résine 6 (par exemple de polyuréthane thermodurcissable) pour les maintenir en place. Le noyau 2, 22, l'enveloppe 1, 21 et le boîtier extérieur 4, 5 sont assemblés par collage La colle utilisée (indiquée par les repères 7 à la figure 2) peut être, comme il est bien connu dans le domaine du collage des isolants thermiques, de la silice déposée sous forme d'émulsion dans l'eau qui, après séchage présente une bonne tenue à température élevée. Le noyau 2, 22, l'enveloppe 1, 21 et le boîtier 4, 5 se composent chacun d'un corps (respectivement 2, 1 et 4) et d'un couvercle (respectivement 22, 21 et 5) préalablement mis en forme par usinage ou par moulage comme mentionné précédemment Le corps 2 du noyau comporte le logement pour les moyens électroniques 3, 11, 14, la forme de ce logement s'adaptant au mieux aux contours extérieurs que définissent ces moyens électroniques 3, 11, 14 compte tenu des contraintes de mise en forme. Pour réaliser l'étiquette électronique 10 telle que représentée aux figures, on dispôse les moyens électroniques 3, 11, 14 dans leur logement dans le corps 2 du noyau, puis on coule la résine polyuréthane 6 pour remplir ce logement On dispose alors le couvercle 22 du noyau vers la face arrière des moyens électroniques 3, 11, 14 et on place le noyau 2, 22 et son contenu dans un évidement de forme complémentaire prévu dans le corps 1 de l'enveloppe On colle ensuite le couvercle 21 de l'enveloppe sur la face arrière du dispositif et on le dispose dans le corps 4 du boîtier extérieur L'enveloppe 1, 21 est collée dans le corps 4 du boîtier On dispose enfin le couvercle 5 du boîtier en le collant au couvercle 21 de l'enveloppe et en le fixant au corps 4 du boîtier au moyen d'un raccord surmoulé 15 pinçant des rebords 16, 17 du corps 4 et du couvercle 5 du boîtier extérieur Le raccord surmoulé 15, pouvant être réalisé dans le même matériau que le boîtier 4, 5 (PEEK), assure une bonne étanchéité du boîtier 4, 5. Dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2, l'étiquette 10 a une forme sensiblement parallélépipédique à coins arrondis, le raccord surmoulé formant un bourrelet périphérique vers la face arrière du boîtier 4, 5 Aux quatre coins de la face arrière de l'étiquette sont disposés des organes 18 permettant de monter de manière amovible l'étiquette 10 sur un support approprié (non représenté). Le fonctionnement de l'étiquette électronique 10 décrite ci-dessus est connu de manière générale. L'étiquette 10 échange des informations numériques avec un plot fixe de lecture/écriture 20, le circuit magnétique 11 étant orienté vers l'avant du boîtier qui fait face au plot 20 lorsque l'étiquette 10 est présentée devant ce plot 20. Un avantage de l'étiquette 10 incorporant le dispositif de protection thermique suivant l'invention est qu'elle peut être utilisée dans un environnement à température extérieure élevée Text sans affecter le fonctionnement du circuit électronique 3 et de la pile 14 Cet effet est obtenu grâce à la combinaison de l'enveloppe isolante 1, 21 et du noyau à forte capacité calorifique 2, 22. La demanderesse a réalisé une étude d'optimisation de la protection thermique et de l'encombrement du dispositif décrit ci-dessus Elle a constaté des résultats particulièrement intéressants lorsque le noyau 2, 22 et l'enveloppe 1, 21 sont réalisés de façon que la quantité adimensionnelle A = p C L 2/(t X/L 1) soit supérieure à 0,25 Dans l'expression ci-dessus de la quantité A interviennent les paramètres suivants: p: masse volumique, en kg m-3, du matériau du noyau 2, 22; C: chaleur spécifique à l'état solide, en J.K-1 kg-1, du matériau du noyau 2, 22; L 2: épaisseur minimum, en m, des parois du noyau 2, 22, c'est-à-dire la plus courte distance entre le logement du noyau 2, 22 et l'enveloppe 1, 21; t: durée prédéterminée, en s, pendant laquelle les moyens électroniques doivent être mis en oeuvre dans l'environnement à température extérieure élevée Text; X: conductivité thermique en W m-l K-1, du matériau de l'enveloppe 1, 21; et LI: épaisseur minimum, en m, de l'enveloppe 1, 21, c'est-à-dire la plus courte distance entre le noyau 2, 22 et le boîtier extérieur 4, 5. C'est ainsi que, par exemple, pour des dimensions L 1 = 0,005 m et L 2 = 0,02 m qui permettent de réaliser une étiquette peu encombrante (quelques centimètres), on obtient les valeurs de A données au tableau I pour quatre couples de matériaux (dans lesquels pour l'acier inox: p = 7850, C = 502, X = 15; pour le Celoron: p = 1400, C = 1254; et, pour le WDS: p = 300, C = 1050 et X = 0,025) en se donnant une durée t de 5000 s. Tableau I Matériau de Matériau du Température l'enveloppe 1,21 noyau 2,22 A au coeur en fin de cycle Acier inox Acier inox 0,0053 150 C WDS WDS 0,25 92 C WDS Celoron 1,40 81 C WDS Acier inox 3,15 70 C Après une exposition des différentes étiquettes ainsi constituées à un cycle de températures de niveaux définis pendant t = 5000 s, on a observé, au coeur du dispositif o se trouvent le circuit électronique 3 et la pile 14, les températures données en dernière colonne du tableau I. REVENDICATIONS 1 Procédé pour protéger des moyens électroniques ( 3, 11, 14) lorsqu'ils sont mis en oeuvre dans un environnement à température extérieure élevée (Text), caractérisé en ce qu'on loge les moyens électroniques ( 3, 11, 14) dans un noyau ( 2, 22) entouré par une enveloppe ( 1, 21) réalisée en un matériau à faible conductivité thermique (X), le matériau du noyau ( 2, 22) ayant une chaleur spécifique à l'état solide (C) telle que, lors d'un cycle de fonctionnement des moyens électroniques ( 3, 11, 14) dans l'environnement à température extérieure élevée (Text) de durée prédéterminée (t), le noyau ( 2, 22) absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe ( 1, 21) pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques ( 3, 11, 14) et les maintenir ainsi à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement. 2 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau ( 2, 22), l'enveloppe ( 1, 21) et la durée prédéterminée (t) du cycle de fonctionnement des moyens électroniques ( 3, 11, 14) sont tels que la quantité A = p C L 2/(t X/L 1) soit supérieure à 0,25, ies grandeurs intervenant dans l'expression de la quantité A étant: p: masse volumique, en kg m-3, du matériau du noyau ( 2, 22); c: chaleur spécifique à l'état solide, en J.K-1 kg-1, du matériau du noyau ( 2, 22); L 2: épaisseur minimum, en m, des parois du noyau ( 2, 22); t: ladite durée prédéterminée, en S; X: conductivité thermique, en W m-1, du matériau de l'enveloppe ( 1, 21); et Li: épaisseur minimum, en m, de l'enveloppe ( 1, 21) 3 Dispositif pour protéger thermiquement des moyens électroniques ( 3, 11, 14) conformément au procédé selon la revendication 1, lorsqu'ils sont mis en oeuvre dans un environnement à température extérieure élevée (Text), caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe ( 1, 21) réalisée en un matériau à faible conductivité thermique (X) et un noyau ( 2, 22) dans lequel se logent les moyens électroniques ( 3, 11, 14), situé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1, 21) et réalisé en un matériau ayant une chaleur spécifique à l'état solide (C) telle que, lorsque le dispositif est placé dans l'environnement à ladite température extérieure élevée (Te Xt), le noyau ( 2, 22) absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe ( 1, 21) pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques ( 3, 11, 14) et les maintenir ainsi à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement pendant au moins une durée (t) prédéterminée. 4 Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un boîtier extérieur ( 4, 5) entourant l'enveloppe ( 1, 21) et résistant à ladite température extérieure élevée (Text). Dispositif conforme à l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le noyau ( 2, 22) et l'enveloppe ( 1, 21) sont tels que la quantité A = p C L 2/(t X/L 1) soit supérieure à 0,25, les grandeurs intervenant dans l'expression de la quantité A étant: p: masse volumique, en kg m-3, du matériau du noyau ( 2, 22); C: chaleur spécifique à l'état solide, en J.K-1 kg- 1, du matériau du noyau ( 2, 22); L 2: épaisseur minimum, en m, des parois du noyau ( 2, 22); t: ladite durée prédéterminée, en s; X: conductivité thermique, en W m-1 K'1, du matériau de l'enveloppe ( 1, 21); et Lj: épaisseur minimum, en m, de l'enveloppe ( 1, 21). 6 Dispositif conforme à l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 1, 21) est réalisée dans un matériau constitué d'oxydes inorganiques, notamment de silice. 7 Dispositif conforme à l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le noyau ( 2, 22) est réalisé en un matériau composite contenant de la toile bakélisée. 8 Dispositif conforme à l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le noyau ( 2, 22) est réalisé en acier inoxydable. 9 Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le boîtier extérieur ( 4, 5) est réalisé en polyétheréthercétone. Etiquette électronique ( 10) mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant un boîtier ( 4, 5) et des moyens électroniques ( 3, 11, 14) comportant une alimentation électrique ( 14) et une mémoire ( 12) associée à des môyens de lecture/écriture ( 13), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une enveloppe ( 1, 21) située à l'intérieur du boîtier ( 4, 5) et réalisée en un matériau à faible conductivité thermique (X) et un noyau ( 2, 22) dans lequel se logent les moyens électroniques ( 3, 11, 14) situé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1, 21) et réalisé en un matériau ayant une chaleur spécifique à l'état solide (C) telle que, lorsque l'étiquette électronique ( 10) est soumise à une température extérieure élevée (Text), le noyau ( 2, 22) absorbe une fraction suffisante de la chaleur traversant l'enveloppe ( 1, 21) pour limiter l'élévation de température des moyens électroniques ( 3, 11, 14) et les maintenir ainsi à une température compatible avec leurs conditions de fonctionnement pendant au moins une durée (t) prédéterminée. 11 Etiquette électronique ( 10) conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que le noyau ( 2, 22), l'enveloppe ( 1, 21) et le boîtier ( 4, 5) sont assemblés par collage.