Brevet FR2778742A1 — publié le 19991119

L'invention concerne d'une part un capteur thermoélectrique notamment pour appareils électriques, comprenant une résistance et un thermocouple sur un substrat de silicium associé à une couche en un matériau isolant électrique et thermique pouvant être constitué notamment par un composé de silicium. On connaît par exemple par le brevet EP 615 266, un capteur thermoélectrique destiné à un appareil électrique de protection, constitué par une résistance parcourue par un courant et par un capteur de température, la puissance thermique dissipée par la résistance étant mesurée par le capteur de température. Dans le capteur qui est décrit dans IEEE Electron Devices Vol. 13, N0 7, July 1992, une résistance chauffante en polysilicium et un thermocouple en polysilicium sont déposés sur une couche isolante électrique et thermique en composé de silicium, couche déposée elle même sur un substrat de silicium. La présente invention a pour but de fournir un capteur thermoélectrique réalisé avec des technologies de la micro-électronique qui présente un faible encombrement et est doté d'une mémoire thermique et d'une constante de temps adaptée à des appareils électriques de protection moteur ou à des disjoncteurs. Il est susceptible de comporter, sur le même substrat, des fonctions électroniques intégrées. La solidité du capteur peut être améliorée sans réduire la résistance thermique. Le capteur selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait que la résistance et le thermocouple sont déposés sur une plage centrale qui est réunie par des ponts à une plage de ceinture et par le fait qu'une masse centrale de silicium thermiquement isolée du substrat est disposée sous ladite plage centrale. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples et représentés par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du capteur thermoélectrique selon l'invention; - la figure 2 est une coupe selon I1- 11 de la figure 1; - la figure 3 est un second mode de réalisation du capteur o celui-ci est associé à des circuits électroniques au sein d'un circuit monolithique; 2 2778742 -la figure 4 est un troisième mode de réalisation du capteur selon l'invention - la figure 5 représente une première application du capteur selon l'invention dans un appareil de protection de type disjoncteur ou départ-moteur; - la figure 6 représente une seconde application du capteur selon l'invention dans un appareil de protection de type disjoncteur ou départ-moteur. Le capteur illustré aux figures 1 à 6 comporte une résistance 3 parcourue par un courant et un thermocouple 4, la puissance thermique dissipée par la résistance 3 étant mesurée par le thermocouple 4. Le capteur référencé 10 dans son ensemble est réalisé sur un substrat de silicium o0 avec les technologies de la micro-électronique, de type CMOS, BICMOS, ou bipolaire. A la fin du cycle de fabrication s'ajoute une étape de gravure du silicium. La résistance chauffante 3 est déposée sur une couche 1 en un matériau isolant électrique et thermique de type composé de silicium (Si02 ou Si3N4), cette couche isolante étant déposée elle-même sur un substrat de silicium 2. Le thermocouple 4 est également déposé sur la couche 1. La résistance 3 est réalisée en polysilicium. Le thermocouple 4 est réalisé en polysilicium ou en une autre technologie adaptée au support (aluminium par exemple). La résistance 3 et le thermocouple 4 sont déposés sur une plage centrale 12 qui est réunie par des ponts 11 à une plage de ceinture 13 de la couche 1. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 3, les ponts 11 réunissent la plage centrale 12 aux angles de la ceinture 13 de la couche 1. Une masse de silicium 5 est disposée sous la plage centrale 12 de la couche 1. Cette masse 5 est isolée du point de vue thermique du substrat 2 et procure une capacité thermique. Les ponts 11 fournissent des résistances thermiques. L'ensemble a une constante de temps thermique proportionnelle au produit de la résistance et de la capacité thermique, et se comporte comme un filtre RC du premier ordre. La résistance chauffante 3 en polysilicium est isolée du substrat de silicium par la couche 1. De même le thermocouple 4 est isolé du silicium par la couche 1. 3 2778742 Des puits 6 débouchant au niveau de la couche 1 s'étendent entre les ponts 11 et entre la masse centrale 5 et la ceinture de substrat 2. Ils servent à isoler, du point de vue thermique, la masse de silicium 5 par rapport au substrat 2. De préférence le thermocouple 4 est constitué de plusieurs thermocouples associés en série. La tension délivrée par les thermocouples varie avec la puissance thermique injectée dans la masse 5. La jonction chaude est placée sur la plage 12 tandis que la jonction froide est placée sur la ceinture 13. Les dimensions des bras de suspension et de la masse sont choisies de manière à réaliser un compromis entre la constante de temps, la fréquence de résonance, la résistance aux chocs du capteur. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le capteur est intégré à un circuit électronique 71 associé à la résistance 3 et à un circuit électronique 72 associé au thermocouple 4. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le capteur est rigidifié par un plus grand nombre de ponts 11 que dans la réalisation précédente. Sur certains ponts sont prévues des résistances chauffantes 31 en polysilicium. On peut réguler le chauffage procuré par ces résistances 31 sur les ponts de manière que la température sur ces ponts corresponde à un gradient positif, nul ou négatif vis à vis de la température du capteur. Selon le cas on augmente la résistance thermique, on la conserve ou on la diminue. Le capteur thermoélectrique 10 qui vient d'être décrit est notamment destiné à être utilisé dans un appareil électrique de protection d'une charge M (moteur par exemple), de type disjoncteur ou d'un départ-moteur, tel que celui illustré à la figure 5 ou 6. L'appareil comprend, sur une ligne de courant L, un capteur de courant 8 qui mesure le courant Il et fournit un courant de sortie 12. En cas de détection de défaut l'appareil protège la charge M en agissant sur un interrupteur KM. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le signal de sortie 12 du capteur de courant 8 est injecté sur un circuit électronique de traitement 91 calculant le courant efficace de la charge M à protéger. Le circuit 91 délivre un courant proportionnel au courant efficace et alimentant la résistance chauffante 3 du capteur. La puissance dissipée par la résistance 3 est proportionnelle au carré du courant et représente l'état thermique de la charge M à protéger. Cet état thermique est mesuré par le thermocouple 4 dont le signal de sortie est 4 2778742 envoyé au circuit électronique 91 qui commande l'ouverture de l'interrupteur KM en cas de défaut. Dans le capteur 10, I'état thermique de la charge est matérialisé sous la forme d'un écart de température par rapport à la température ambiante. Cet écart de température est maintenu à la suite d'un arrêt de l'alimentation électrique en réalisant une fonction de mémoire thermique en remplaçant le couple capacité- résistance normalement alloué à cette fonction. Le capteur permet un gain de fiabilité notable par rapport à la solution capacité- résistance pour un fonctionnement à des températures ambiantes supérieures à 1 00 C. Dans le mode de réalisation de la figure 6, le capteur thermoélectrique 10 reçoit ic directement le signal de sortie 12 du capteur de courant et réalise directement le calcul de l'état thermique de la charge M à protéger. Le thermocouple 4 pilote un circuit électronique 92 qui commande l'interrupteur KM. Le capteur remplace un circuit électronique analogique ou numérique dédié au calcul du courant efficace et de l'état thermique. Le fonctionnement du capteur est le suivant: La circulation d'un courant dans la résistance 3 provoque l'échauffement de la masse 5 par effet Joule. Le thermocouple 4 mesure l'écart de température entre la masse de silicium 5 et le substrat 2 qui est à la température ambiante. Des pertes par convection avec l'air peuvent réduire la résistance thermique. On les élimine en plaçant le capteur sous vide. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. 2778742 REVENDICATIONS 1- Capteur thermoélectrique notamment pour appareils électriques comprenant une résistance (3) et un thermocouple (4) sur un substrat de silicium (2) associé à une couche (1) en un matériau isolant électrique et thermique pouvant être constitué notamment par un composé de silicium, caractérisé par le fait que la résistance (3) et le thermocouple (4) sont déposés sur une plage centrale (12) qui est réunie par des ponts (11) à une plage de ceinture (13) et par le fait qu'une masse centrale de silicium (5) thermiquement isolée du substrat (2) est disposée sous ladite plage centrale (12). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les ponts (11) réunissent, par les coins, la plage centrale (12) aux angles de la plage de ceinture (13). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que des puits (6) pratiqués dans la couche (1) et le silicium (2) s'étendent entre les ponts (11) de manière à manière à isoler thermiquement la masse centrale de silicium (5) par rapport au substrat de silicium (2). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que des circuits électroniques (71, 72) associés à la résistance et au thermocouple sont intégrés au substrat de silicium. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que des ponts (11) portent des résistances chauffantes (31). 6. Application du capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le capteur est monté dans un appareil de protection électrique de manière que la résistance en polysilicium (3) soit couplée à un capteur de courant (8)