Brevet FR2774471A1 — publié le 19990806

L'invention concerne un élément de détection pour un capteur de mesure électrochimique, en particulier servant à déterminer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comprenant un élément de dé- tection pour un capteur de mesure électrochimique, en parti- culier pour déterminer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comprenant au moins une électrode de mesure, exposée à des gaz à mesurer, au moins une électrode de référence exposée à des gaz de ré- férence, au moins un dispositif de chauffage qui présente un conducteur de chauffage et des lignes d'arrivée au conducteur de chauffage, ainsi qu'un canal de référence, par lequel on amène les gaz de référence à l'électrode de référence. Etat de la technique Des éléments de détection du type indiqué ci- dessus se composent de feuilles en céramique par exemple en oxyde de zirconium (ZrO2), stabilisé qui sont imprimés avec des électrodes comprenant des raccordements d'arrivée aux électrodes et un dispositif de chauffage avec un conducteur chauffant et des raccordements d'arrivée au conducteur chauf- fant et laminés ensemble et sont ensuite frittés pour obtenir un élément planaire de détection. Le dispositif de chauffage est dans le cas des capteurs de mesure électrochimiques in- corporé entre deux couches électriquement isolantes, par exemple en alumine (A1203) qui sont à leur tour associées aux feuilles en céramique respectivement voisines qui laissent passer les ions oxygène. Dans le cas des éléments de détection électrochi- miques qui fonctionnent avec un gaz de référence, on dispose une électrode dans un canal de gaz de référence qui s'étend par exemple dans le sens de la longueur de l'élément de dé- tection, et qui est en liaison avec l'air de l'atmosphère. Ce canal de référence passe dans le plan des couches entre l'électrode de référence et le dispositif de chauffage. Dans les zones, dans lesquelles le conducteur de chauffage enjambe le canal de référence, on a une mauvaise évacuation de la chaleur produite par l'énergie de chauffage, si bien qu'on peut en arriver à avoir une surchauffe du con- ducteur de chauffage. En outre une mauvaise évacuation de la chaleur dans la zone du canal de référence signifie qu'un chauffage de l'élément de détection n'est possible à sa tem- pérature de fonction qu'avec une énergie de chauffage accrue ou au bout d'un temps de chauffage long en conséquence. Pour avoir une meilleure transmission de la cha- leur il est connu par le document DE-196-09-323 de disposer le conducteur de chauffage du dispositif de chauffage en de- hors de la projection du canal de référence. Pour cela on a réalisé le canal de référence en deux parties dans la zone des électrodes et du conducteur de chauffage. Avantages de l'invention L'élément de détection selon l'invention est ca- ractérisé en ce que le conducteur de chauffage présente en dehors de la projection perpendiculaire du canal de référence au moins deux sections de piste de conducteur de chauffage, qui sont reliées via le canal de référence au moyen d'une section de liaison qui présente un section transversale de piste de conducteur plus grande que la section transversale de l'une des sections de piste de conducteur de chauffage. L'élément de détection selon l'invention a ainsi l'avantage que le transfert de la chaleur à partir du dispo- sitif de chauffage à la zone sensible de l'élément de détec- tion, réalisée avec les électrodes, se trouve sensiblement améliorée. On évite une surchauffe du conducteur de chauffage dans la zone du canal de référence, de telle sorte que la stabilité sur une longue durée du dispositif de chauffage et de cette façon de l'élément de détection s'en trouve grâce à cela accrue. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: * le canal des gaz de référence est élargi dans la zone de l'électrode de référence et forme un espace de gaz de réfé- rence, et * on fait passer la section de liaison en dehors de la pro- jection perpendiculaire de l'espace des gaz de référence par le canal de référence plus étroit, * au moins l'une des sections de piste de conducteur de chauffage présente une déviation située du côté des gaz à mesurer, déviation sur laquelle est constituée une section de prolongement, * la section de prolongement est constituée respectivement sur les deux sections de piste de conducteur de chauffage, * les sections de prolongement entourent en forme de boucle approximativement l'extrémité, située du côté des gaz à me- surer, du canal de référence, * entre les couches de piste de conducteur de chauffage et la section de liaison on constitue respectivement une section de piste de conducteur, la largeur de la section correspon- dante de piste de conducteur de chauffage devenant plus grande en direction de la section de liaison, * entre les lignes d'arrivée au conducteur de chauffage et les sections de piste de conducteur de chauffage on consti- tue respectivement une autre section de piste de conduc- teur, la largeur de la ligne d'arrivée correspondante au conducteur de chauffage se rétrécissant en direction de la section de piste de conducteur de chauffage, * par rapport à l'étendue longitudinale de la grande face de l'élément de détection, la section de piste de conducteur et l'autre section de piste de conducteur sont constituées côte à côte au moins approximativement à la même hauteur, * les deux sections de conducteur de chauffage sont disposées de façon symétrique par rapport à une ligne médiane qui s'étend dans le sens longitudinal de la grande face dans le plan de la grande face. Les sections de prolongement des sections qui forment le ruban du conducteur de chauffage, sections de pro- longement en forme de boucles constituées du côté étroit si- tué du côté des gaz à mesurer sur la grande surface, ont pour rôle de déplacer le taux de résistance des raccords d'arrivée au conducteur de chauffage et du conducteur de chauffage en faveur du conducteur de chauffage. De cette façon il est pos- sible d'avoir en même temps du fait du meilleur chauffage de la face étroite, qui est située du côté des gaz à mesurer, un chauffage plus rapide de l'élément de détection. En outre on augmente du fait du meilleur échauffement de la face étroite, située du côté des gaz à mesurer, la résistance de l'élément de détection aux chocs thermiques. Avec l'échauffement des lignes d'arrivée aux électrodes le couplage capacitif et résistif des raccords d'arrivée aux électrodes augmente en outre, ce qui conduit finalement à fausser le signal de mesure du fait de sur- oscillations ou d'oscillations parasites en cas de change- ments de la concentration dans les gaz d'échappement. Grâce au déplacement de la puissance de chauffe dans la pointe de l'élément de détection, c'est-à-dire dans la zone sensible des électrodes, on réduit le couplage capacitif et le cou- plage résistif des lignes d'alimentation dans l'élément de détection. On réduit le risque de courants de fuite dans le cas de surchauffe local grâce à la configuration qui va en se rétrécissant ou en s'élargissant, des passages allant des li- gnes d'arrivée au conducteur de chauffage aux sections du ru- ban du conducteur de chauffage et des sections du ruban du conducteur de chauffage à la section de liaison. Des courants de fuite se produisent du fait de la constitution d'un chemin pour le courant entre le dispositif de chauffage et une élec- trode, ce qui finalement a pour effet de fausser le signal de mesure recueilli par les électrodes. En augmentant les zones isolées comprises entre les branches en forme de méandres on désactive en même temps les zones qui présentent une diffé- rence de tension élevée entre les branches en forme de méan- dres. Le fait d'élargir le canal de référence à l'inté- rieur de la zone qui n'est pas recouverte par le conducteur de chauffage, a en outre l'avantage que l'électrode de réfé- rence peut être agrandie en conséquence et qu'il est possible d'avoir un meilleur échange gazeux de référence. Dessins La présente invention va être décrite ci-après plus en détail à partir d'un exemple de réalisation représen- té sur les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre une coupe transversale à travers un élé- ment de détection et - la figure 2 montre une coupe longitudinale à travers l'élé- ment de détection de la figure 1, selon la ligne II-II. Exemple de réalisation Sur la figure 1 on a représenté une coupe trans- versale d'un élément de détection 10 d'un capteur de mesure électrochimique non représenté plus en détail. L'élément de détection 10 a selon la figure 2 une section terminale 11, située du côté du raccordement, et une section terminale 12, située du côté des gaz à mesurer, et il présente une cons- truction planaire en couches se composant de plusieurs feuilles en céramique. Dans le cas du présent exemple de réa- lisation l'élément de détection 10 a une feuille de recouvre- ment 13, une feuille de canal du gaz de référence 14 et une feuille de détecteur 15. Les feuilles en céramique 13, 14, 15 sont réalisées sous une forme rectangulaire et présentent respectivement deux grandes faces opposées. Les feuilles en céramique 13, 14, 15 laissent passer les ions oxygène et sont réalisées par exemple en oxyde de zirconium (ZrO2) stabilisé. Dans la feuille du canal des gaz de référence 14 on a constitué une cavité sous la forme d'un canal de gaz de référence 16. Le canal de gaz de référence 16 s'étend depuis la section terminale 11 qui est située du côté du raccorde- ment, sur laquelle il sort sur la face frontale étroite par une ouverture 16a, jusqu'à la section terminale 12, située du côté des gaz à mesurer, o il est fermé et forme un espace 16b de gaz de référence. L'espace de gaz de référence 16b est élargi par rapport au canal 16 des gaz de référence (figure 2). La feuille du détecteur 15 porte sur sa grande face extérieure une électrode de mesure 17 et sur la grande face opposée intérieure une électrode de référence 18 tournée vers l'espace 16b du gaz de référence. L'électrode de mesure 17 est recouverte par une couche de protection poreuse 19 et est exposée au gaz à mesurer.(figure 1). Entre la feuille de recouvrement 13 et la feuille du canal des gaz de référence 14 on place un dispositif élec- trique de chauffage 20. De la vue de dessus selon la figure 2, ressort la forme qui s'étend dans le plan de la couche, du dispositif de chauffage 20 et du canal de référence 16 avec l'espace 16b pour les gaz de référence. Le dispositif de chauffage 20 présente deux lignes d'arrivée 21 au conducteur de chauffage qui s'étendent en parallèle aux grandes faces des feuilles en céramique 13, 14, 15, et sur la section ter- minale 12 qui est située du côté des gaz à mesurer, de l'élé- ment de détection 10 un conducteur de chauffage 22, en forme de méandre qui se compose d'une section gauche de bande de conducteur de chauffage et en une section droite 24 de bande10 de conducteur de chauffage. Sur la section terminale 11 qui est située du côté du raccordement, les deux lignes d'arrivée 21 au conducteur de chauffage possèdent deux emplacements 29 de réception pour des contacts traversants, non représentés plus en détail, par lesquels on fait passer les lignes d'ar- rivée 21 au conducteur de chauffage sur la grande face exté- rieure de l'élément de détection 10. Pour réaliser l'isolement électrique par rapport aux feuilles adjacentes en céramique 13 et 14 on noie le dis- positif de chauffage 20 selon la figure 1 dans deux couches isolantes 25 et 26 qui sont par exemple en alumine (A1203).Pour assurer l'étanchéité des couches isolantes 25 et 26 on a mis autour de celles-ci un cadre d'étanchéité 27 par exemple réalisé dans la matière des feuilles adjacentes en céramique 13 et 14. En direction de la section terminale 12 située du côté des gaz à mesurer on a constitué à la fin des lignes d'arrivée au conducteur de chauffage 21 respectivement une section de piste conductrice 31, les lignes d'arrivée au con- ducteur de chauffage 21 allant en se rétrécissant constamment sur la largeur du conducteur de chauffage 22 réalisée de fa- çon plus étroite. Dans le sens de la longueur, à peu près à la hauteur des sections de pistes conductrices 31 le conduc- teur de chauffage 22 présente une section de liaison 33, par laquelle on fait passer le conducteur de chauffage 22 en de- hors de l'espace pour les gaz de référence 16b via le canal de référence 16. La section de liaison 33 est réalisée de fa- çon plus large par rapport aux sections de piste du conduc- teur de chauffage 23, 24 et elle présente par exemple la largeur des lignes d'arrivée au conducteur de chauffage 21. De cette façon la section de liaison 33 possède une résis- tance ohmique plus faible qu'une zone comparable des sections 23, 24 de piste de conducteur de chauffage. On fait passer les sections 23, 24 de piste de conducteur de chauffage plus étroites vers la section de liaison plus large 33 via d'au- tres sections 34 de piste de conducteur, d'une manière analo- gue à la constitution des sections 31 de piste de conducteur. Grâce aux réalisations ondulées des branches en forme de méandre avec les sections 31, 34 de piste de conducteur, on obtient dans les zones qui présentent une différence élevée de tension des écartements des branches formant des méandres et des sections transversales des conducteurs plus grands. De cette façon on désactive ces zones qui présentent une diffé- rence élevée de tension, grâce à quoi l'on réduit le risque de courants de fuite en cas de surchauffe locale. Sur la section terminale 15 qui est située du cô- té des gaz à mesurer, les deux sections 23, 24 de piste de conducteur de chauffage présentent respectivement une section de piste de conducteur gauche 35 en forme de boucle et une section de piste de conducteur droite 36 en forme de boucle. Le conducteur de chauffage 22 est prolongé par les deux sec- tions de piste de conducteur en forme de boucle 35 et 36, grâce à quoi l'on obtient une puissance de chauffage plus élevée dans la section terminale antérieure 12 qui est située du côté des gaz à mesurer, de l'élément de détection 10. Grâce au meilleur échauffement de la face frontale de l'élé- ment de détection 10 on évite des fissures de chocs thermi- ques, en partant des contraintes de traction de la face froide, lors du branchement du dispositif de chauffage 20. En outre grâce au large entourage de l'espace 16b des gaz de ré- férence à son extrémité avec le conducteur de chauffage 22 on améliore le transfert de la chaleur vers les feuilles voisi- nes 14 en céramique. Il est essentiel pour la forme du conducteur de chauffage 22 que les sections de piste de conducteur de chauffage 23 et 24 se trouvent en dehors de la projection perpendiculaire de l'espace 16b des gaz de référence. On fait passer uniquement via le canal étroit de référence 16 avec la section de liaison 33 une section de piste de conducteur qui présente une section transversale plus grande que la section transversale du conducteur de chauffage 22 ou que la plus grande section transversale de l'une des sections 23, 24 de piste de conducteur de chauffage 23, 24. De cette façon on a l'assurance que le conducteur de chauffage 22 avec les sec- tions de piste de conducteur de chauffage 23, 24 est serré entre les feuilles adjacentes 13, 14, grâce à quoi il se forme une meilleure conduction de la chaleur, en particulier via la feuille du canal de référence 14 en direction de la feuille du détecteur 15. La canal des gaz de référence 16 exerce, uniquement dans la zone de la section de liaison 33 qui ne présente pas en outre de fonction essentielle de chauffage, une atténuation extrêmement faible sur la conduite de la chaleur. La configuration du dispositif de chauffage selon l'invention ne se limite pas à l'élément de détection décrit 10. Il peut également s'appliquer dans le cas d'autres élé- ments de détection qui possèdent une cavité entre le disposi- tif de chauffage et la zone sensible. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Elément de détection pour un capteur de mesure électro- chimique, en particulier pour déterminer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comprenant au moins une électrode de mesure, exposée à des gaz à mesurer, au moins une électrode de référence exposée à des gaz de référence, au moins un dispositif de chauffage, qui présente un conducteur de chauffage et des lignes d'arri- vée au conducteur de chauffage, ainsi qu'un canal de réfé- rence, par lequel on amène les gaz de référence à l'électrode de référence, caractérisé en ce que le conducteur de chauffage (22) présente en dehors de la pro- jection perpendiculaire du canal de référence (16) au moins deux sections (23, 24) de piste de conducteur de chauffage, qui sont reliées via le canal de référence (16) au moyen d'une section de liaison (33) qui présente un section trans- versale de piste de conducteur plus grande que la section transversale de l'une des sections (23, 24) de piste de con- ducteur de chauffage. 2 ) Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal des gaz de référence (16) est élargi dans la zone de l'électrode de référence (18) et forme un espace de gaz de référence (16b), et - on fait passer la section de liaison (33) en dehors de la projection perpendiculaire de l'espace des gaz de référence (16b) par le canal de référence plus étroit (16). 3 ) Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'une des sections de piste de conducteur de chauf- fage (23, 24) présente une déviation située du côté des gaz à mesurer, déviation sur laquelle est constituée une section de prolongement (35, 36). 4 ) Elément de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que - la section de prolongement (35, 36) est constituée respec- tivement sur les deux sections (23, 24) de piste de conduc- teur de chauffage, et - les sections de prolongement (35, 36) entourent en forme de boucle approximativement l'extrémité, située du côté des gaz à mesurer, du canal de référence (16b). ) Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre les couches (23, 24) de piste de conducteur de chauf- fage et la section de liaison (33) on constitue respective- ment une section de piste de conducteur (34), la largeur de la section correspondante (23, 24) de piste de conducteur de chauffage devenant plus grande en direction de la section de liaison (33). 6 ) Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre les lignes d'arrivée au conducteur de chauffage (21) et les sections de piste de conducteur de chauffage (23, 24) on constitue respectivement une autre section de piste de con- ducteur (31), la largeur de la ligne d'arrivée correspondante au conducteur de chauffage (21) se rétrécissant en direction de la section de piste de conducteur de chauffage (23, 24). 7 ) Elément de détection selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que par rapport à l'étendue longitudinale de la grande face de l'élément de détection, la section (31) de piste de conduc- teur et l'autre section (34) de piste de conducteur sont constituées côte à côte au moins approximativement à la même hauteur. 8 ) Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux sections (23, 24) de conducteur de chauffage (23, 24) sont disposées de façon symétrique par rapport à une li- Il gne médiane qui s'étend dans le sens longitudinal de la grande face dans le plan de la grande face.