Brevet FR2769984A1 — publié le 19990423

Etat de la technique. La présente invention concerne un élément détec- teur planaire pour déterminer des composants gazeux présen- tant une structure stratifiée dans laquelle est intégré un5 élément chauffant avec un conducteur chauffant de structure stratifiée. On connaît par exemple un tel élément détecteur selon le document DE- OS 42 31 966 (US-A-5 529 677); cet élé- ment est formé d'une combinaison de différentes feuilles su-10 perposées suivant une structure stratifiée. Entre les différentes feuilles, il y a des couches fonctionnelles tel- les que des électrodes,. des chemins conducteurs, ainsi qu'un élément chauffant à résistance électrique. Les couches fonc- tionnelles de même que l'élément chauffant sont réalisés par exemple par sérigraphie sur des feuilles non frittées (feuilles vierges) que l'on superpose pour les stratifier puis les fritter. Dans l'élément de détection planaire cor- respondant au type défini ci-dessus, dans un plan de la cou- che, entre une feuille de recouvrement extérieure et une structure stratifiée adjacente, on a placé l'élément chauf- fant à résistance. Cet élément chauffant à résistance est in- tégré entre deux couches isolantes électriques (par exemple des couches d'alumine A1203) de sorte que le conducteur chauffant est isolé électriquement par rapport aux feuilles adjacentes. Sur le côté opposé à la feuille de recouvrement, la structure stratifiée présente une épaisseur considérable- ment plus importante que la feuille de recouvrement adjacente à l'autre côté. Du fait de cette disposition extrêmement asy- métrique de l'élément chauffant par rapport à la succession des couches de la structure stratifiée, la feuille de recou- vrement est chauffée beaucoup plus fortement que la structure stratifiée munie des couches fonctionnelles. La répartition non homogène de la puissance de chauffage conduit, lors des changements de température, à une plus forte sensibilité aux chocs thermiques de l'élément de détection planaire. Avantages de l'invention. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un élément de dé- tection planaire du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'élément conducteur est prévu dans un plan de couches de la structure stratifiée pour avoir au moins approximativement une répartition homogène de la puissance de chauffage de5 l'élément chauffant sur la section de la structure strati- fiée. Cet élément planaire offre l'avantage d'une ré- partition homogène de la puissance de chauffage dans toute la section de l'élément de détection. Cela améliore la résis-10 tance aux variations de température ainsi que la résistance aux chocs thermiques de l'élément de détection. De plus, cela augmente le rendement de l'élément chauffant. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le plan de couches est situé au centre par rapport à la structure stratifiée, - la structure stratifiée présente, à l'état non fritté, au moins deux feuilles, du côté des couches fonctionnelles et au moins une feuille du côté de la couche de recouvrement, - l'épaisseur totale qui résulte de l'épaisseur des différen- tes feuilles, du côté des feuilles fonctionnelles, y com- pris l'épaisseur d'autres feuilles reliées le cas échéant avec les feuilles du côté fonctionnel, correspond au moins approximativement à l'épaisseur de la feuille du côté du recouvrement, - le conducteur chauffant est intégré dans des couches iso- lantes électriques et de part et d'autre de l'élément chauffant, il y a des couches ayant au moins approximative- ment la même épaisseur de couche, - les couches d'isolation électrique sont entourées par un châssis étanche qui a au moins approximativement l'épaisseur des deux couches isolantes. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, sur une face de l'élément chauffant, on a une structure stratifiée de recouvrement formée d'une seule feuille qui présente, à l'état non fritté, une épaisseur com- prise entre 0,6 et 1 mm, de préférence une épaisseur égale à 0,8 mm. La structure stratifiée, adjacente au côté opposé de l'élément de chauffage par résistance et qui contient les couches fonctionnelles (structure stratifiée du côté des cou- ches fonctionnelles), comporte un certain nombre de feuilles et d'autres couches comme par exemple une couche de recouvre-5 ment prévue sur l'électrode extérieure aboutissant à une épaisseur totale qui correspond sensiblement à l'épaisseur de la feuille de recouvrement ou de la structure stratifiée du côté de la feuille de recouvrement. Cela signifie que l'épaisseur des feuilles, du côté de la couche fonctionnelle10 dF pour une répartition régulière des épaisseurs, est donnée par la formule suivante: df = (dF1 - dD):n Dans cette formule dF1 représente l'épaisseur de la feuille de recouvrement à l'état non fritté, dD représente l'épaisseur de la couche de recouvrement pré- vue sur l'électrode extérieure ou touche de protection, n représente le nombre des feuilles du côté des couches fonctionnelles. Ce calcul suppose que les couches d'isolation, de part et d'autre de l'élément chauffant, présentent au moins sensiblement la même épaisseur. Dessins. Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit ci-après de manière plus détaillée à l'aide de l'unique figure annexée qui est une vue en coupe schématique d'un tel élément détecteur. Description de l'exemple de réalisation. L'unique figure est une vue en coupe d'un élément détecteur 10 en technique planaire servant par exemple à dé- terminer la teneur en oxygène des gaz d'échappement de mo- teurs à combustion interne de véhicules automobiles ou d'installations de chauffage. L'élément de détection selon le présent exemple de réalisation est un capteur lambda 1 (capteur de Nernst). La structure et le fonctionnement d'un tel capteur sont connus de manière générale. La description donnée ci-après concernera seulement les parties de la struc- ture nécessaires à la compréhension de l'invention. L'élément de détection 10 présente à l'état frit- té, une structure en forme de plaquette, allongée, composée de plusieurs couches superposées d'une structure stratifiée. Les couches à l'état non fritté sont formées principalement par des feuilles d'électrolyte solides conducteur d'ions d'oxygène. L'élément détecteur 10 selon le présent exemple de réalisation se compose d'une cellule de mesure 12 électro- chimique et d'un élément chauffant 14. La cellule de mesure 12 présente une structure stratifiée 12' du côté des couches fonctionnelles, avec une première feuille 16 ainsi qu'une se- conde feuille 18. Un canal de référence 20 est intégré dans la seconde feuille 18. Sur la surface de la feuille 16, du côté du gaz de mesure, il y a une électrode de mesure 22 et sur la surface associée au canal de référence 20 il y a une électrode de référence 24. Une couche de recouvrement 26, po- reuse, par exemple égale à 0,1 mm, est placée sur l'électrode de mesure 22. L'élément chauffant 14 comporte un conducteur chauffant 30 intégré entre deux couches d'isolation 28, 29; les deux couches d'isolation 28, 29 ont pratiquement la même épaisseur. La couche d'isolation 29 est adjacente à une feuille de recouvrement 32, extérieure. Pour assurer la fer- meture étanche au gaz des couches d'isolation poreuses 28, 29, celles-ci sont entourées d'un châssis d'étanchéité 34. Ce châssis est par exemple réalisé par le dépôt par impression d'un électrolyte solide sur les feuilles 18, 32 se trouvant de part et d'autre des couches d'isolation 28, 29. Le conducteur chauffant 34 se trouve dans un plan de couches 36 qui se situe au milieu, entre la structure stratifiée prévue des deux côtés. Dans cette hypothèse, l'épaisseur de la couche des feuilles 16, 18 de la cellule de mesure 12, en tenant compte de l'épaisseur de la couche de revêtement 26, se mesure suivant l'épaisseur de la couche de revêtement 32 ou inversement. Dans le présent exemple de réalisation, l'épaisseur de la couche de revêtement 32, à l'état non frit- té, est égale à 0,8 0,1 mm. La couche de revêtement 26, po- reuse, correspond sensiblement à 0,1 mm. On en déduit, pour5 les feuilles 16, 18, une épaisseur de couche de l'ordre de 0,35 0,05 mm. Le rapport des épaisseurs des feuilles 16, 18, 32 reste pratiquement conservé dans le rapport des épais- seurs même après le frittage, la réduction par frittage re- présentant environ 20 %. l0 On pourrait également envisager d'utiliser les deux feuilles 16, 18 avec une épaisseur différente. Seule im- porte la somme des épaisseurs de la structure stratifiée du côté des couches fonctionnelles de l'élément détecteur en in- tégrant les autres couches comme par exemple la couche de re- vêtement 26, pour avoir au moins l'épaisseur de la feuille de recouvrement 32 ou d'une structure stratifiée prévue du côté de la feuille de recouvrement et remplaçant cette feuille de recouvrement 32. Les feuilles 16, 18, 32 sont par exemple en oxyde de zirconium stabilisé. Pour réaliser une liaison frittée, le châssis d'étanchéité 34 est réalisé dans la même matière que les feuilles adjacentes 18, 32. Des électrodes 22, 24 ainsi que le conducteur chauffant 30 sont par exemple en un cermet de platine. Les couches d'isolation 28, 29 du présente exem- ple de réalisation sont en alumine A1203; on imprime tout d'abord une couche d'isolation 29 sur la couche de revêtement 32. Puis on applique l'élément chauffant 30 également en technique d'impression sur la couche d'isolation 29. Autour de la couche d'isolation 29 on imprime finalement une moitié du châssis d'étanchéité 34, par exemple selon une technique d'impression. Pour réaliser la structure stratifiée de la cel- lule de mesure 12 on imprime les deux électrodes 22, 24 et des lignes d'alimentation, non représentées en détail, sur la feuille 16. Sur la seconde feuille 18 on applique l'autre couche d'isolation 28 ainsi qu'une autre moitié du châssis d'étanchéité 34. La structure stratifiée ainsi réalisée du côté des couches fonctionnelles et la structure stratifiée du côté de l'élément chauffant avec les feuilles à l'état non fritté, est alors assemblée par l'agglomération à l'aide de couches5 de liant appliquées entre les feuilles; puis on fritte à une température par exemple de 1400 C. Après le frittage on ob- tient l'élément détecteur en forme de plaquette de section rectangulaire. La structure stratifiée décrite ci-dessus n'est toutefois pas limitée au présent exemple de réalisation avec un élément détecteur 10 du type cellule de Nernst. La pré- sente invention s'applique également à un élément détecteur composé de plus de trois feuilles. Un tel élément détecteur est par exemple un détecteur à bande large dans lequel, à la place de la cellule de mesure 12, on a une cellule de pompage et une cellule de concentration (cellule de Nernst). R E V E ND I C A T IONS 1 ) Elément détecteur planaire pour déterminer des composants gazeux présentant une structure stratifiée dans laquelle est intégré un élément chauffant avec un conducteur chauffant de5 structure stratifiée, caractérisé en ce que l'élément conducteur (30) est prévu dans un plan de couches (36) de la structure stratifiée pour avoir au moins approxi- mativement une répartition homogène de la puissance de chauf- fage de l'élément chauffant (14) sur la section de la structure stratifiée. 2 ) Elément détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plan de couches (36) est situé au centre par rapport à la structure stratifiée. 3 ) Elément détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que - la structure stratifiée présente, à l'état non fritté, au moins deux feuilles (16, 18), du côté des couches fonction- nelles et au moins une feuille (32) du côté de la couche de recouvrement, et - l'épaisseur totale qui résulte de l'épaisseur des différen- tes feuilles (16, 18), du côté des feuilles fonctionnelles, y compris l'épaisseur d'autres feuilles reliées le cas échéant avec les feuilles du côté fonctionnel, correspond au moins approximativement à l'épaisseur de la feuille (32) du côté du recouvrement. 4 ) Elément détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur chauffant (30) est intégré dans des couches isolantes électriques (28, 29) et de part et d'autre de l'élément chauffant (30) il y a des couches (28, 29) ayant au moins approximativement la même épaisseur de couche. ) Elément détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les couches d'isolation électrique (28, 29) sont entourées par un châssis étanche (34) qui a au moins approximativement l'épaisseur des deux couches isolantes (28, 29)