Brevet FR2675254A1 — publié le 19921016

La présente invention concerne le domaine des détecteurs de niveau de liquide contenu dans un réservoir. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement à la détection du niveau d'huile dans le carter d'un moteur de véhicule automobile. On a déjà proposé de détecter des niveaux minimaux de fluide contenu dans un réservoir à l'aide de capteurs comprenant un élément semi-conducteur dopé thermorésistif dont la pente de résistivité s'inverse lors du franchissement d'une température critique. De tels capteurs sont décrits par exemple dans les documents US-A-3412610, US-A-3600946 et US-A-4065760. Plus précisément encore, le document US-A-3412610 décrit un dispositif de détection comprenant un composant semi-conducteur qui présente, comme illustré sur la figure I annexée, un coefficient de température positif en-dessous d'un seuil de température critique Tc et un coefficient de température négatif au-dessus de ce seuil. La figure 1 représente trois courbes a, b, c, de résistivité d'un tel composant semi-conducteur en fonction de la température, pour trois valeurs de dopage différentes du composant. Comme représenté sur la figure 2 annexée, le document US-A-3412610 propose d'utiliser le dispositif de détection précité pour surveiller le franchissement d'un niveau prédéterminé par un liquide 10, contenu dans un réservoir 12. Pour cela, selon le document US-A-3412610, le capteur 20 comprenant le composant semi-conducteur à coefficient de température variable est placé dans une paroi 14 du réservoir pour être en relation d'échange thermique avec le liquide 10. Le capteur 20 est placé à la hauteur du niveau à détecter. Le capteur 20 est alimenté par une source de tension 40 par l'intermédiaire d'une résistance série 42. Le capteur 20 est le siège d'un échauffement dû à l'effet Joule. Un témoin 44 est placé en parallèle de la résistance 42. Lorsque le niveau du fluide 10 est supérieur au niveau du capteur 20, celui-ci est refroidi correctement. La température du capteur 20 reste en dessous du seuil critique Tc. Sa résistance est donc élevée et le courant dans le capteur 20 ainsi que dans la résistance série 42 est faible. Le témoin 44 est donc désactivé. Lorsque le niveau du fluide 10 devient inférieur au niveau du capteur 20, le fluide 10 ne peut plus refroidir ce dernier. Le capteur 20 est échauffé par effet Joule. Dès que la température critique est atteinte, sa résistance chute ; le courant dans le capteur 20 et dans la résistance série 42 augmente rapidement lorsque la valeur de cette résistance série 42 est adaptée à la résistance du capteur 20. On obtient un effet d'avalanche. La tension aux bornes de la résistance 42 augmente. Le témoin 44 est activé. On a représenté sur la figure 3 annexée, un capteur 20 du type décrit dans le document US-A-4065760. Comme représenté sur la figure 3 annexée, selon le document US-A-4065760, la pastille 21 de matériau semi-conducteur est revêtue respectivement sur ses deux faces principales 22, 23, de couches d'aluminium 24, 25. Les couches d'aluminium 24, 25 sont elles-mêmes revêtues d'une couche de nickel 26, 27. La pastille 21 est formée de silicium dopé avec des impuretés de type P. Les couches d'aluminium 24, 25 ont une épaisseur de l'ordre de 6 à 12cil. Les couches de nickel 26, 27 ont une épaisseur de l'ordre de l um. L'ensemble comprenant la pastille 21 et les métallisations 24, 25, 26, 27, est encapsulé dans un boîtier métallique 30.Celui-ci est formé d'une coupelle 31 formée en un alliage de fer, nickel et cobalt, tel que le produit commercialisé sous la marque "KOVAR". La coupelle 31 est munie d'un revêtement interne 32 et d'un revêtement externe 31 d'or. Un ressort 34 en matériau électriquement conducteur est intercalé entre une borne de connexion 35 et la couche supérieure de nickel 26. La couche inférieure de nickel 27 est fixée sur la coupelle, plus précisément sur le revêtement interne 32 d'or, par une soudure 36. Les dispositifs décrits dans les documents précités ont déjà rendu de grands services. Toutefois, ils ne donnent pas totalement satisfaction, en particulier au niveau du coût et de la fiabilité ; ces dispositifs connus sont souvent attaqués par les vapeurs de carburant. La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau capteur à semi-conducteur qui élimine les inconvénients de la technique antérieure. Un but important de la présente invention est de proposer un capteur présentant une constante de temps thermique réduite. Un autre but important de la présente invention est de proposer un capteur dont le prix de revient est plus faible que celui des dispositifs antérieurs. Un autre but important de la présente invention est de proposer un capteur à coût et fiabilité améliorés. Un autre but important de la présente invention est de proposer un capteur conçu pour jauger différents types de fluides utilisés dans les véhicules automobiles, tel que l'huile moteur, l'huile de boîte de vitesse, le carburant, le liquide de refroidissement, le liquide lave-glace et le liquide de frein. Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un capteur comprenant une pastille de matériau semi-conducteur dopé, deux connexions électriquement conductrices fixées sur ladite pastille et un enrobage en matériau polymère résistant chimiquement au fluide environnant. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la pastille de matériau semi-conducteur est fixée sur les deux connexions électriquement conductrices par un polymère chargé de particules électriquement conductrices. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le matériau polymère d'enrobage est chargé de particules thermiquement conductrices et électriquement isolantes. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le matériau polymère de liaison entre la pastille et les connexions est un polyimide chargé de préférence de particules d'argent. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le matériau polymère d'enrobage est un polyfluorimide chargé de préférence d'oxydes métalliques. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - la figure 1 précédemment décrite représente l'évolution connue de résistivité, en fonction de la température, d'un composant semi-conducteur thermosensible, - la figure 2 précédemment décrite représente un dispositif de détection de niveau conforme au document antérieur US-A-3412610, - la figure 3 précédemment décrite représente un capteur à semi-conducteur conforme au document antérieur US-A-4065760, - la figure 4 représente sous forme d'organigramme les différentes étapes d'un procédé préférentiel de fabrication d'un capteur conforme à la présente invention, - les figures 5a à 5j illustrent schématiquement ces différentes étapes, plus précisément la figure 5a représente une vue en coupe d'une pastille de silicium dopé, la figure 5b représente la même pastille munie de métallisations, la figure 5c représente la même pastille après dépôt de couches de polyimide chargé de particules d'argent, les figures 5d et 5e représentent deux vues orthogonales entre elles, et partiellement en coupe axiale, d'un connecteur destiné à recevoir la pastille de silicium dopé, la figure 5f représente différents connecteurs placés sur un support temporaire commun, les figures 5g et 5h représentent deux vues orthogonales d'un connecteur muni d'une pastille de silicium dopé, les figures 5i et 5j représentent deux vues orthogonales du meme connecteur après formation de l'enrobage en polyfluorimide, et - les figures 6 et 7 représentent deux variantes de réalisation de boîtiers recevant le capteur sensible conforme à la présente invention. Le procédé préférentiel de fabrication d'un capteur conforme à la présente invention comprend tout d'abord, comme représenté sur la figure 4 annexée, des étapes 100, 102, 104 de préparation d'une pastille de matériau semi-conducteur 200 et des étapes 110, 112 de préparation d'un connecteur 250 support de pastille. L'étape 100 consiste à fabriquer des pastilles ou puces 200 thermorésistives en silicium dopé comme représenté schématiquement en coupe sur la figure 5a. Le dopage est de préférence de type P et réalisé avec du Bore. La fabrication de ces pastilles dopées est connue de l'homme de l'art et ne sera pas décrite par la suite. Les puces 200 sont métallisées sur leurs deux faces opposées principales 202, 204 comme représenté sur la figure 5b, pour la prise de contact. Ces métallisations 210, 212 sont de préférence faites chacune par superposition successivement d'une couche d'aluminium, d'une couche de titane, et d'une couche d'argent. La couche d'aluminium améliore la prise de contact sur le silicium. Elle a typiquement une épaisseur de l'ordre de 2 à 4cime La couche de titane sert de barrière. Elle a typiquement une épaisseur de l'ordre de 0,075pu. La couche d'argent améliore la prise de contact sur les connexions. Elle a typiquement une épaisseur de l'ordre de 6cru. Après contrôle les différentes puces métallisées formées à partir d'une plaquette commune, sont découpées. Les puces 200 ont de préférence une épaisseur de l'ordre de 0,5mm et une surface de 2,5mm x 2,5mm. Les puces 200 obtenues à la fin de l'étape 100 sont destinées à être fixées sur les connexions 260 du connecteur 250. La liaison définie entre les puces 200 et les connexions électriques 260 doit à la fois remplir les quatre fonctions suivantes : établir une liaison électrique fiable, assurer une faible dissipation thermique, présenter un coefficient de dilatation thermique proche du silicium et garantir la fixation mécanique des puces 200. Après de multiples essais, la Demanderesse propose d'utiliser un matériau polymère chargé de particules électriquement conductrices pour relier les puces 200 et les connexions 260. Plus précisément, la demanderesse préconise d'utiliser du polyimide chargé de particules d'argent. Ainsi à l'étape 102, une couche 220, 222 de polyimide chargé d'argent est déposée sur chaque métallisation en argent 210, 212 des puces 200 comme représenté sur la figure 5c. Ce dépôt peut être effectué selon toute technique connue de l'homme de l'art, par exemple par sérigraphie. A l'étape 104, le polyimide chargé d'argent 220, 222 est séché. L'étape de séchage 104 est conduite de préférence à une température comprise entre 30"C et 750C. Très préférentiellement, l'étape 104 consiste à sécher les couches de polyimide 220, 222 chargées d'argent à une température de 70"C pendant une demi-heure. En parallèle, le connecteur 250 est fabriqué à l'étape 110. Cette étape consiste essentiellement à surmouler un corps 270 en matériau électriquement isolant sur deux fils de connexion 260 en matériau électriquement conducteur, comme représenté sur les figures 5d et 5e. Le corps 270 est formé de préférence en polyétheréthercétone. I1 peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Pour cette raison, la géométrie du corps 270 représenté sur les figures annexées ne sera pas décrite plus en détail par la suite. Selon la présente invention, les fils de connexion 260 sont formés en un alliage de fer, nickel et chrome (typiquement 1796 Co, 29% Ni, 5496 Fe). Il s'agit de préférence du produit commercialisé sous la marque "KOVAR". Ce produit est avantageux du fait qu'il présente un coefficient de dilatation linéaire Cd de 5,8 x 10 6/oC, proche de celui du 6 silicium (2,6 x 10 /0C) et une faible conductivité thermique (0,04 Cal/cm.s. C). En revanche, ce produit présente une résistance de contact relativement élevée. Pour cette raison, il est de préférence revêtu d'une double couche de nickel et d'or.La couche de nickel a typiquement une épaisseur de l'ordre de 3cru. La couche d'or a typiquement une épaisseur de l'ordre de 1,5ci. La couche de nickel et la couche d'or peuvent être déposées sur le Kovar selon toute technique connue de l'homme de l'art, telle que par exemple par dépôt électrolytique. Les deux connexions 260 de chaque connecteur sont de préférence sensiblement identiques. Elles émergent de part et d'autre du corps 270 de connecteur. L'une des extrémités 262 des connexions 260 est destinée à être raccordée au circuit d'exploitation. L'autre extrémité 264 des connexions 260 est destinée à recevoir la puce 200. Les connexions 260 sont formées avantageusement d'un fil de section constante, muni d'une excroissance 266 à leur extrémité 264 destinée à être reliée à la puce 200. La partie évasée 166 a de préférence la même géométrie que la pastille 200, par exemple rectangulaire. Le fil formant les connexions 260 peut être de section circulaire, par exemple d'un diamètre de l'ordre de 0,44mm. Le fil formant les connexions 260 peut en variante être de section rectangulaire, par exemple de l'ordre de 0,155mm x lmm. Ces connexions 260 peuvent ainsi être formées par matriçage dans une plaque. Les deux connexions 260 s'étendent sensiblement parallèlement dans le corps 270. Leurs extrémités 266 en regard sont écartées d'une distance L1 égale, ou sensiblement égale mais inférieure, à l'épaisseur L2 des pastilles 200.Les connexions 260 peuvent être pliées à cet effet comme représenté sur les figures 5d et Se Le connecteur support 250 ainsi formé représenté sur les figures 5d et 5e est prêt à recevoir une pastille 200 issue de l'étape 104 représentée sur la figure 5c. Toutefois avant de placer, à ltétape 120, une pastille 200 entre les extrémités 266 des connexions 260, de préférence on place les connecteurs 250 dans un support temporaire commun 280, comme représenté sur la figure 5f annexée. Le support 280 facilite la manipulation ultérieure des connecteurs 250. I1 peut faire l'objet de nombreuses variantes et ne sera donc pas décrit plus en détail par la suite. Après avoir placé une pastille 200 entre les extrémités 266 des connexions 260, à l'étape 120, comme représenté sur les figures 5g et 5h, la pastille 200 est fixée à ces dernières par chauffage du polyimide chargé d'argent 220, 222. Ce chauffage est obtenu grâce à toute technique connue de l'homme de l'art. Il s'agit de préférence d'une thermocompression à 300"C. I1 peut cependant s'agir en variante d'un chauffage par effet Joule, en faisant passer un courant dans la puce 200 et les couches de polyimide 220, 222 par l'intermédiaire des connexions 260. Des essais réalisés par la demanderesse ont permis d'atteindre une force d'arrachement en cisaillement des connexions 260, de 700 à 1000g. Une fois les connexions 260 fixées à la puce 200, l'ensemble ainsi formé est muni d'un enrobage 290 résistant chimiquement au fluide environnant, comme représenté sur les figures 5i et 5j. On rappelle que dans le cadre de la présente invention, le milieu environnant peut être formé par exemple par l'un des fluides suivants : l'huile moteur, l'huile de boîte de vitesse, le carburant éventuellement oxygéné, le liquide de refroidissement, le liquide lave glace, ou encore le liquide de frein d'un véhicule automobile. Cet enrobage 290 doit être isolant électriquement, stable par rapport au fluide environnant et à température élevée, bon conducteur thermique et aisément réalisable sous forme d'un dépôt d'épaisseur uniforme, avantageusement relativement mince. Après de nombreux essais, la demanderesse a retenu pour réaliser l'enrobage 290 un matériau polymère de type polyfluorimide. L'enrobage de polyfluorimide 290 est formé par tout moyen classique connu de l'homme de l'art. De préférence pour former cet enrobage 290, les extrémités 266 des connexions entre lesquelles est placée une pastille 200, sont plongées dans un bain de polyfluorimide liquide, puis retirées de ce bain, à l'étape 122. Pour rendre l'enrobage 290 bon conducteur thermique tout en restant électriquement isolant, le polyfluorimide est de préférence muni de charges formées d'oxydes métalliques. I1 s'agit de préférence de MgO et de ZrO2 en poudre avec une granulométrie inférieure à 20ci. La demanderesse a réalisé des essais qui se sont avérés très concluants à 350 C dans des essences, des huiles moteur, des huiles de frein et des liquides de refroidissement avec un polyfluorimide de type EYMID L-20 commercialisé par la Société ETHYL. Plus précisément, les essais ont été conduits avec un mélange de polyfluorimide de type EYMID L-20 à raison de 20% en poids, mis en oeuvre dans un solvant formé d'un mélange de méthyléthylcétone et de n-méthylpyrrolidone à raison de 75% en poids et incorporant 5% en poids de charge de MgO et ZrO2. La couche d'enrobage 290 a de préférence une épaisseur de l'ordre de 20hum. L'enrobage de polyfluorimide 290 est séché et réticulé à l'étape 124 après avoir été formé à l'étape 122. De préférence, l'étape 124 de séchage et réticulation comprend une montée progressive en température. Selon une mise en oeuvre particulière, cette montée en température est la suivante : 800C pendant 30 minutes, puis Il 00C pendant 30 minutes, puis 240"C pendant 1 heure, et enfin 3150C pendant 2 heures. Une fois l'enrobage 290 séché et réticulé, le dispositif est testé à l'étape 126. Le cas échéant à l'étape 128, une résistance de correction similaire à la résistance 42 de la figure 2 peut être soudée à une connexion 260 pour définir le courant requis. Puis à l'étape 130, le capteur est conditionné dans un boîtier 300 adéquat en fonction de l'application particulière visée (détection de carburant, d'huile moteur, d'huile de boite de vitesse, de liquide de refroidissement, de liquide lave glace, de liquide de frein ...). On a représenté schématiquement sur les figures 6 et 7, deux modes de réalisation de tels boîtiers 300. I1 s'agit de préférence de boîtiers 300 métalliques. Ceux-ci peuvent faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation et ne seront donc pas décrits dans le détail par la suite. On notera cependant que de préférence, ces boîtiers 300 comprennent une partie filetée 302, destinée à être vissée dans un alésage taraudé formé dans le réservoir à contrôler, une partie 304 non symétrique de révolution permettant d'appliquer un couple de serrage au boîtier et une partie connecteur 306 permettant de relier le capteur au circuit d'exploitation. La partie sensible du capteur formée par la pastille 200 revêtue du polyfluorimide 290 est placée dans une chambre 308 ouverte qui débouche dans le réservoir à contrôler. Ainsi, cette partie sensible est placée dans l'air ou dans le fluide à contrôler, selon que le fluide est en dessous ou non de la partie sensible du capteur. Le capteur décrit précédemment peut être utilisé dans un circuit d'exploitation du type représenté sur la figure 2, c'est-à-dire en série d'une source d'alimentation électrique et d'une lampe. Le circuit d'exploitation peut cependant faire l'objet de variantes de réalisation. I1 peut par exemple être conforme aux dispositions décrites par la demanderesse dans la demande de brevet français déposée le 30 Novembre 1989 sous le n" 89 15793 pour la détection du niveau d'huile dans le carter d'un moteur de véhicule automobile. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Ainsi par exemple, le dépôt de polyimide chargé d'argent pourrait être fait sur les extrémités 266 des connexions et non pas sur la pastille 260. Par ailleurs, le boîtier métallique peut être omis. Dans ce cas, un filetage peut être formé directement sur la périphérie du corps en polyétheréthercétone. Selon encore une autre variante, le corps et le boîtier peuvent être formé de polyimide et/ou de polyfluorimide. I1 peut s'agir par exemple de polyimide chargé d'oxydes métalliques et revêtu de polyfluorimide non chargé. REVENDICATIONS 1. Dispositif détecteur de niveau de liquide contenu dans un réservoir, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur formé d'une pastille de matériau semi-conducteur dopé (200), de deux connexions électriquement conductrices (260) fixées sur ladite pastille (200) et d'un enrobage (290) résistant chimiquement au fluide environnant et formé d'un matériau polymère. 2. Dispositif détecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pastille de matériau semi-conducteur (200) est fixée sur les connexions (260) par un polymère (220, 222) chargé de particules électriquement conductrices. 3. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le matériau polymère (290) d'enrobage est chargé de particules thermiquement conductrices et électriquement isolantes. 4. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau polymère (290) d'enrobage est un polyfluorimide. 5. Dispositif détecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le polyfluorimide (280) est chargé de particules d'oxydes métalliques. 6. Dispositif détecteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les particules d'oxyde métalliques sont des particules de MgO et ZrO2. 7. Dispositif détecteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau polymère (220, 222) utilisé pour fixer la pastille (200) sur les connexions (260) est un polyimide. 8. Dispositif détecteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le polyimide (220, 222) est chargé de particules d'argent. 9. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la pastille (200) de matériau semi-conducteur est une pastille de silicium dopé de Bore. 10. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les deux faces de contact (202, 204) de la pastille de matériau semi-conducteur (200) sont munies de métallisations formées par superposition de couches d'aluminium, titane et argent (212, 214). 11. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 10 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau polymère chargé de particules électriquement conductrices (220, 222) est déposé par sérigraphie sur la pastille (200) de matériau semi-conducteur dopé. 12. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'un corps support (270) en matériau électriquement isolant est surmoulé sur les connexions électriquement conductrices (260). 13. Dispositif détecteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le corps support surmoulé (270) est formé de polyétheréthercétone. 14. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les connexions (260) sont formées d'un alliage de fer, nickel et chrome, de préférence 1796 Co, 2996 Ni et 54% Fe. 15. Dispositif détecteur selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les connexions (260) sont revêtues d'une double couche de nickel et d'or. 16. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que les connexions (260) sont formées d'un fil de section constante présentant une partie évasée (266) à leur extrémité recevant la pastille de matériau semi-conducteur (200). 17. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'ensemble comprenant la pastille de matériau semi-conducteur dopé (200) et les deux connexions (260) est placé dans un boîtier métallique. 18. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé par le fait qu'un filetage est formé sur la surface du corps support (270). 19. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'ensemble comprenant la pastille de matériau semi-conducteur dopé (200) et les deux connexions (260) est placé dans un boîtier en polyimide. 20. Dispositif détecteur selon la revendication 19, caractérisé par le fait que le boîtier comprend un corps en polyimide chargé d'oxydes métalliques et revêtu de polyfluorimide non chargé. 21. Dispositif détecteur selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que la pastille de matériau semi-conducteur dopé (200) est connectée en série d'une alimentation électrique et d'une lampe. 22. Application du dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 21 à la détection du niveau de l'un des fluides choisis dans le groupe comprenant : les carburants, les huiles moteur, les huiles de boîte de vitesse, les liquides de refroidissement, les liquides lave glace et les liquides de frein.