Brevet FR2691807A1 — publié le 19931203

La présente invention concerne les capteurs de courant comprenant un élément résistif monté sur un support, des moyens pour alimenter en courant l'élément résistif, et des moyens pour mesurer la tension créée par le courant dans l'élément résistif. La présente invention concerne plus particulièrement les capteurs de courant fabriqués selon la technologie des circuits imprimés, ou celle des circuits hybrides à substrat céramique. De façon classique, comme l'illustre la vue de dessus de la figure l A et la vue en coupe de la figure 1 B, un capteur de courant résistif 1 comprend un élément résistif 2 ayant deux extrémités 2 a, 2 b fixées au moyen d'une soudure 3 sur des plages conductrices 4 a, 4 b d'un circuit 10 L'élément résistif 2 est disposé en série avec une piste conductrice 5 aboutissant à la plage 4 a et se prolongeant après la plage 4 b La piste conductrice 5 est parcourue par un courant I à mesurer (ou à surveiller) Le courant I traversant l'élément résistif 2 crée une tension V détectée au moyen de deux pistes conductrices ou bras de mesure 6 a, 6 b, issus des plages 4 a, respectivement 4 b, et menant à un dispositif de mesure (ou de détection) quelconque 7. On appellera par la suite "résistance de conversion" R la valeur de la résistance électrique entre les deux bras de mesure 6 a, 6 b, déterminant la conversion du courant I en tension V mesurée. L'élément résistif 2 est généralement constitué d'un alliage métallique présentant une résistivité sensiblement indépendante de la température, afin que la résistance de conversion R soit invariable dans la plage de température dans laquelle fonctionne le capteur courant 1. De tels alliages par exemple les alliages nickel-cuivre ou nickel-cuivre-manganèse sont disponibles auprès de divers fabricants et sont 2 2691807 proposés sous divers conditionnements, par exemple en rubans, en barres, en fils, L'élément résistif 2 tel qu'il est représenté sur les figures l A, l B, est obtenu à partir d'un ruban d'un tel alliage. Communément, la résistance électrique de l'élément résistif 2 est très faible, de l'ordre de quelques milliohms, principalement afin d'éviter une dissipation thermique excessive qui endommagerait la soudure 3. Pour améliorer la conduction thermique entre l'élément résistif 2 et le circuit 10, il est par ailleurs habituel de disposer une colle thermiquement conductrice 8 entre l'élément résistif 2 et le circuit , comme représenté sur la figure 1 B. Les capteurs de courant du type décrit ci- dessus présentent de grands avantages en raison de leur simplicité de fabrication. Il est néamnoins difficile d'obtenir une valeur précise de la résistance de conversion R lors d'une fabrication en série On a représenté sur la figure 1 B des débordements 3 a, 3 b de la soudure 3 qui se produisent sous l'élément résistif 2, lors de la fusion de la soudure 3 Ce phénomène, connu de l'homme de métier, a pour effet de court- circuiter partiellement l'élément résistif 2 dans sa partie utile, située entre les plages 4 a et 4 b, diminuant ainsi de façon aléatoire la valeur de la résistance de conversion R entre les bras de mesure 6 a, 6 b En pratique, on constate que la valeur de la résistance de conversion varie dans une fourchette de 8 % En outre, les variations en température de la résistance de conversion R sont beaucoup plus importantes que ce que laisse prévoir l'utilisation d'un alliage dont la résistivité est peu sensible à la température Ce fait est attribuable à l'influence de la résistivité de la soudure 3 et celle du matériau conducteur constituant les plages 4 a, 4 b Ce phénomène 3 2691807 est très marqué sur les circuits hybrides, dans lesquels les matériaux employés pour les couches conductrices (Au; Pt Au; Pd Ag; W) présentent une résistivité du même ordre de grandeur que celle de l'alliage constituant l'élément résistif 2, et très sensible aux écarts de températures. Un objet de la présente invention est de pallier ces inconvénients, et de permettre l'obtention d'un capteur de courant de précision peu sensible aux variations de température. Un autre objet de la présente invention est de permettre la fabrication en série de capteurs de courant sans dispersion des valeurs de la résistance de conversion. Pour atteindre ces objets, ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif capteur de courant, comprenant un élément résistif monté sur un support, des moyens pour alimenter en courant l'élément résistif, et des moyens pour mesurer la tension créée par le courant dans l'élément résistif, caractérisé en ce qu'au moins un desdits moyens comprend des moyens conducteurs reliés à une région de l'élément résistif non perturbée par des soudures de connection de l'élément résistif - Ainsi, la stabilité en température du capteur de courant selon l'invention ne dépend que de la stabilité du matériau constituant l'élément résistif. Avantageusement, ledit support comprend des plages conductrices auxquelles sont reliées respectivement les extrémités distales desdits moyens conducteurs. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens conducteurs sont des fils soudés ultrasoniquement sur l'élément résistif. Les fils peuvent ainsi relier directement le capteur de courant selon l'invention à un dispositif de mesure ou de détection de tension, ou des plages conductrices du support. Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens conducteurs sont des conducteurs rigides soudés électriquement sur l'élément résistif. On peut ainsi fabriquer le capteur de courant selon l'invention avant de le monter sur le support. Selon une variante de réalisation, permettant notamment la fabrication collective du capteur de courant selon l'invention, lesdits moyens conducteurs sont des excroissances de l'élément résistif. Selon une autre variante de réalisation, le capteur de courant selon l'invention est caractérisé en ce que l'élément résistif est collé sur ledit support, et en ce que les moyens pour alimenter en tension et les moyens pour mesurer la tension comprennent chacun des fils soudés sur l'élément résistif. On choisira de préférence un alliage de métaux choisis parmi le groupe constitué par le cuivre, le nickel et le manganèse, pour la réalisation dudit élément résistif. De préférence, ledit support est choisi parmi le groupe constitué par les circuits imprimés et les circuits hybrides. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'exemples de réalisations particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures l A et 1 B destinées à illustrer l'état de la technique ont été décrites précédemment, la figure 2 A représente une vue de dessus d'un premier exemple de réalisation d'un capteur de courant selon la présente invention, la figure 2 B illustre un procédé de réalisation d'un capteur de courant selon la présente invention, la figure 3 représente une vue de dessus d'un 2691807 deuxième exemple de réalisation d'un capteur de courant selon la présente invention, la figure 4 représente une vue de dessus d'un troisième exemple de réalisation d'un capteur de courant selon la présente invention, et la figure 5 représente une vue de dessus d'un quatrième exemple de réalisation d'un capteur de courant selon la présente invention. La figure 2 A représente un capteur de courant 50 selon la présente invention Le capteur de courant 50 comprend, comme celui des figures l A et 1 B, un élément résistif 2 soudé par ses extrémités 2 a, 2 b à des plages 4 a, 4 b d'un circuit 10, au moyen d'une soudure 3, l'ensemble étant disposé en série avec une ligne conductrice 5 du circuit 10. On a représenté en pointillé les débordements 3 a et 3 b de la soudure 3 décrits dans le préambule, situés sur la face inférieure de l'élément résistif 2, à proximité des plages 4 a, 4 b. Le capteur de courant 50 de l'invention comprend en outre deux fils électriques de mesure, respectivement 20, 30, soudés sur la face supérieure de l'élément résistif 2, les extrémités distales des fils 20, 30 étant respectivement soudées sur des plages de cablage il, 12 se prolongeant par des pistes conductrices 13, 14 menant à un dispositif 7 de mesure ou de détection de tension. Selon l'invention, les points de contact 21, 31 des fils 20, 30 avec l'élément résistif 2 sont disposés au delà des zones de l'élément résistif 2 court-circuitées par la soudure 3 ou par les débordements 3 a, 3 b de la soudure 3. Ainsi, les fils de mesure 20, 30 remplacent avantageusement les bras de mesure des dispositifs de l'art antérieur, car la résistance de conversion R du capteur 50 de l'invention, située ici entre les points de soudure 21, 31 des fils de mesure 20, 30, ne dépend que de la résisitivité du matériau constituant l'élément résisitif 2. Par ailleurs, la stabilité en température du capteur de courant 50 ne dépend que de la stabilité du matériau constituant l'élément résistif 2, et on choisira de préférence des alliages résistifs du type nickel- cuivre ou nickel-cuivre-manganèse. L'exemple de réalisation de l'invention décrit ci-dessus se prête bien aux techniques de montage utilisées pour les circuits imprimés, et ainsi qu'à celles utilisées pour les circuits hybrides Le tableau ci-dessous donne un aperçu non limitatif et non exhaustif des technologies utilisables pour la réalisation d'un capteur de courant selon l'invention. Circuit Condcteur constituant les Soudure ( 3) Fils électriques Soudure des plages conductrices de l'élément ( 20, 30) fils électriques ( 4 a, 4 b, 11, 12) résistif ( 2) ( 20, 30) Fils d'aluminium Soudure ultra- Soudure à l'or sonique Or(Au) étain (Sn-Au) Circuits hybrides fabriqués Fils d'or Soudure selon la technologie ultrasonique ou dite "couche épaisse" thermrnosonique et Circuits hybrides fabriqués Soudure à l'étain selon la technologie Fils de cuivre plomb (Sn Pb) dite "des coffrités basse monobrins température" Ag, Pd Ag, Pt Au, Cu Soudure étain Soudure (conducteurs étamables) Plomb électrique par point (Sn-Pb) Fils de cuivre Soudure à l'étain- multibrins plomb (Sn-Pb) Circuits hybrides fabriqués Tungstène, recouvert d'une Soudure à l'or Fils d'aluminium Soudure ultrasonique selon la technologie dite des couche de nickel et d'or étain (Sn-Au) "coffrités haute température" (W+NI+Au) Fils d'or Soudure ultrasonique _______ _ou thermosonique Soudure électrique Fils de cuivre par point monobrins Circuits imprimés Cuivre (Cu) Soudure étain Soudure étain-plomb plomb (Sn-Pb) (Sn-Pb) Fils de cuivre Soudure étain-plomb multibrins (Sn-Pb) b O 0 D On décrira maintenant un procédé de cablage des fils de mesure 20, 30 permettant d'ajuster la résistance de conversion R du capteur 50 avec une grande précision Pour des raisons de simplicité, on se limitera aux procédés de fabrication utilisant la soudure ultrasonique (cf tableau). En référence à la figure 2 B, on injecte un courant prédéterminé Ip dans l'élément résistif 2, par exemple au moyen de pointes de test 40, 41 disposées sur la piste conductrice 5 et reliées à un générateur de courant 45 On dispose d'autres pointes de test 42, 43 sur les plages de mesure 11, 12, les pointes 42, 43 étant reliées à un voltmètre 44. On soude tout d'abord un premier fil 20 entre une plage de mesure il et l'élément résistif 2, au moyen d'une machine de cablage aux ultrasons 46. On soude ensuite le deuxième fil 30 sur la plage de mesure 12 restante, et on recherche, avant de souder l'extrémité 31 du fil 30 sur l'élément résistif 2, l'emplacement donnant, en lecture du voltmètre 44, la tension Vp correspondant à la résistance de conversion R souhaitée (Vp = R Ip). Pour cela, on pose l'extrémité 47 de la machine de cablage 46 sur l'élément résistif 2 pour établir un contact entre l'extrémité 31 du fil 30 et l'élément résistif 2, et on répète cette opération jusqu'à ce que le bon emplacement pour la soudure du fil 30 soit trouvé Sur la figure 2 B, une flèche indique l'axe selon lequel s'effectue la recherche de l'emplacement de soudure. On obtient ainsi un calibrage très précis du capteur de courant selon l'invention. La figure 3 représente un autre exemple de réalisation d'un capteur de courant 60 selon l'invention, dans lequel on peut aussi utiliser le procédé décrit ci-dessus. Dans cet exemple, l'élément résistif 2 est collé sur le circuit 10 au moyen d'une colle isolante 15 ayant de préférence une bonne conductivité thermique. Les fils de mesure 20, 30 et les plages de mesure 11, 12 décrits précédemment sont conservés On remplace ici les plages conductrices d'alimentation en courant décrites plus haut par des fils 65, 67 soudés aux extrémités 2 a, 2 b de l'élément résistif 2, et reliant l'élément résistif à la piste conductrice 5 par l'intermédiaire de plages de cablage 66, 68 sur lesquelles sont soudées les extrémités distales des fils 65, 67. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que de nombreuses variantes de la présente invention peuvent être réalisées en combinant les exemples de la figure 2 A et l'exemple de la figure 3. Il apparaîtra aussi à l'homme de l'art que dans certaines conditions d'utilisation, les moyens d'alimentation et les moyens de mesure peuvent être intervertis Ainsi, dans la figure 2 A, les fils de mesure 20, 30 pourraient être utilisés pour l'alimentation en courant, et les plages 4 a, 4 b comme moyens de mesure; la mesure d'une tension s'effectuant avec un courant pratiquement nul, la mesure ne serait pas entachée des erreurs dues aux variations de résistivité de la soudure 3 et du matériau constituant les plages conductrices 4 a, 4 b. Il en est de même pour l'exemple de la figure 3, o les fils d'alimentation 65, 67 pourraient être utilisés pour la mesure, et les fils de mesure 20, 30 pour l'alimentation en courant Dans une autre variante de réalisation, on pourrait aussi multiplier le nombre de fils d'alimentation 65, 67 afin de permettre le passage d'un courant plus important. On a représenté sur les figures 4 et 5 des variantes de réalisation de capteurs de courant selon l'invention, pouvant être fabriqués avant d'être montés sur un circuit. 2691807 Le capteur de courant 70 de la figure 4 comprend deux conducteurs rigides 71, 75, par exemple en cuivre, disposés perpendiculairement à l'élément résistif 2 et soudés chacun en un point 72, 74 de l'élément résistif 2, par soudure électrique. L'ensemble formé par l'élément résistif 2 et les deux conducteurs 71, 75 forme un composant prêt à être monté ou soudé sur les plages d'un circuit, par les extrémités 2 a et 2 b de l'élément résistif 2 et les extrémités distales des conducteurs 71 et 75. Dans le capteur de courant 80 de la figure 5, on a directement découpé dans une feuille d'alliage résistif un élément résistif 2 comportant deux excroissances 81, 82 remplaçant les conducteurs rigides de la figure 4, et formant des bras de mesure ou d'alimentation. Les capteurs de courant des figures 4 et 5 conviennent particulièrement bien à une fabrication en série tout en permettant d'obtenir une grande précision pour ce qui est de la résistance de conversion. On notera que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits. L'homme de l'art pourra apporter diverses variantes et modifications à la présente invention, notamment en ce qui concerne les choix des matériaux et la forme de l'élément résistif. il 2691807 REVENDICATIONS 1 Dispositif capteur de courant ( 50, 60, 70, ), comprenant un élément résistif ( 2) monté sur un support ( 10), des moyens pour alimenter en courant l'élément résistif, et des moyens pour mesurer la tension créée par le courant dans l'élément résistif, caractérisé en ce qu'au moins un desdits moyens comprend des moyens conducteurs ( 20, 30, 71, 75, 81, 82) reliés à une région de l'élément résistif ( 2) non perturbée par des soudures ( 3, 3 a, 3 b) de connection de l'élément résistif. 2 Dispositif capteur de courant ( 50, 60, 70, ), selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support ( 10) comprend des plages conductrices ( 11, 12) auxquelles sont reliées respectivement les extrémités distales desdits moyens conducteurs ( 20, 30, 71, 75, 81, 82) 3 Dispositif capteur de courant ( 50, 60) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens conducteurs sont des fils ( 20, 30) soudés ultrasoniquement sur l'élément résistif ( 2). 4 Dispositif capteur de courant ( 70) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens conducteurs sont des conducteurs rigides ( 71, ) soudés électriquement sur l'élément résistif ( 2). Dispositif capteur de courant ( 80) selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens conducteurs sont des excroissances ( 81, 82) de l'élément résistif ( 2). 6 Dispositif capteur de courant ( 60) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément résistif ( 2) est collé ( 15) sur ledit support ( 10), et en ce que les moyens pour alimenter en tension et les moyens pour mesurer la tension comprennent chacun des fils ( 20, 30, 65, 67) soudés sur l'élément résistif ( 2). 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit support est choisi parmi le groupe constitué par les circuits imprimés et les circuits hybrides. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit élément résistif est constitué d'un alliage de métaux choisis parmi le groupe constitué par le cuivre, le nickel et le manganèse.