Brevet FR2796718A1 — publié le 20010126

Etat de la technique. L'invention concerne un capteur de température, notamment pour surveiller la température des gaz d'échap pement d'un moteur à combustion interne, comprenant un sup port en céramique et un élément résistant dépendant de la température, prévu sur un premier segment d'extrémité du sup port comme segment sensible, au niveau d'un second segment d'extrémité du support, appelé segment de support, des con tacts électriques et des chemins conducteurs occupant la zone intermédiaire du support en s'étendant entre les contacts et l'élément résistant. L'invention concerne également un procédé de fa brication d'un tel capteur. On connaît un tel capteur de température selon le document DE 3 733 192. Avantages de l'invention. La présente invention a pour but de développer un tel capteur de température et concerne à cet effet un capteur caractérisé en ce que le segment sensible présente, au moins par endroits, une épaisseur plus faible que le segment de support et le segment intermédiaire. Le capteur de température selon l'invention pré sente une précision de mesure améliorée et une inertie plus faible du fait que le segment sensible présente, au moins par endroits, une épaisseur moindre que le segment de support. Cette réduction de l'épaisseur diminue l'inertie thermique du segment sensible de sorte que la température de ce segment ou de l'élément résistant dépendant de la tempéra ture qui se trouve à cet endroit, peut suivre rapidement toute variation de la température ambiante. En même temps, l'épaisseur réduite diminue l'échange de chaleur entre l'élément résistant et un support du capteur, par le segment de support ; cela permet qu'une température du support de capteur, qui diffère éventuellement de la température à mesu rer, n'influence que faiblement les résultats de mesure. Un tel segment sensible, d'épaisseur réduite, peut se réaliser en formant le support de plusieurs couches dont au moins une couche a été supprimée dans le segment sen- sible. En variante, le support peut avoir par ailleurs une épaisseur essentiellement constante dans le segment sensible, avec au moins un perçage ou une cavité. Dans ce cas l'élément résistant est prévu de préférence directement au-dessus d'un tel perçage ou cavité. Un tel support peut également être composé de plusieurs couches dont toutefois une au moins pré sente un passage dans le segment sensible, qui constitue la cavité. L'élément résistant thermosensible peut se pré senter par exemple sous la forme d'un tracé en méandres ou en zigzag dans un ou même plusieurs plans au niveau de la se conde zone d'extrémité. Cette longueur relativement grande de l'élément résistant de la seconde zone d'extrémité permet ainsi de mesurer un signal utile intense, à faible bruit, sous la forme d'une variation de résistance dépendant de la température. La longueur de l'élément résistant de la seconde zone d'extrémité, exposée en fonctionnement à une température relativement homogène, offre l'avantage supplémentaire que les variations de résistance des chemins conducteurs en fonc tion de la température, chemins qui relient l'élément résis tant aux contacts et s'étendent le long du segment de support à des températures différentes, ne modifient que très peu le résultat de la mesure. L'élément résistant est de préférence un mélange platine-oxyde d'aluminium ou, de manière générale, une gaine de platine avec des particules de céramique non conductrices. Pour réduire au minimum l'influence des lignes d'alimentation, c'est-à-dire des chemins conducteurs du seg ment de support reliant l'élément résistant aux contacts, à la valeur mesurée de la résistance, il est en outre avanta geux de choisir, pour ces lignes d'alimentation, une autre composition de matière que pour l'élément résistant de la se conde zone d'extrémité. on peut en particulier réaliser les lignes d'alimentation en platine métallique. De manière préférentielle, la zone intermédiaire est structurée pour avoir une résistance thermique plus éle vée que la première zone d'extrémité. Cette mise en structure réduit l'influence de la chaleur entre la seconde zone d'extrémité et la première zone d'extrémité servant à accro cher le capteur de température dans une garniture, et à réa liser le contact électrique. D'éventuelles déviations de température, entre une telle garniture et la seconde zone d'extrémité, ne risquent ainsi que de fausser légèrement le résultat de la mesure. Comme la mise en structure de la zone intermédiaire rend plus difficile l'évacuation de la chaleur de la seconde zone d'extrémité à travers le support, cette seconde zone d'extrémité présente en général une répartition de température très homogène en fonctionnement. La valeur me surée de la résistance de l'élément résistant permet ainsi de tirer des conclusions précises pour la température. De plus, la mise en structure fait que même en présence d'une dévia tion entre la température d'un fluide à mesurer et la garni ture, on aura une température stationnaire de la seconde zone d'extrémité, qui se rapproche effectivement de la température à mesurer et s'obtient plus rapidement que pour un capteur de température correspondant mais non structuré. La mise en structure peut se présenter sous la forme de perçages ou de cavités dans la zone intermédiaire. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation re présentés schématiquement dans les dessins annexés dans les quels - # la figure 1 est une vue de dessus d'un capteur de tempéra ture selon l'invention ; # les figures 2A-2C représentent des coupes du capteur de la figure 1 selon la ligne II-II pour différentes réalisa tions de l'invention ; et # les figures 3A, 3B montrent des coupes selon la ligne III- III de la figure 1 pour différentes réalisations de l'invention ; # la figure 4 est une vue éclatée d'un capteur selon l'invention. Description des exemples de réalisation. La figure 1 est une vue de dessus d'un capteur de température 1 selon l'invention. Sur un support 2 en cérami que oxyde, on a des chemins conducteurs 3, 4, un élément ré- sistant 5 et des contacts électriques 6. Les contacts élec triques 6 se trouvent dans un premier segment d'extrémité 7 du support 2 appelé segment de support. Celui-ci est destiné à être enfiché ou pincé dans une garniture (non représentée), ayant des contacts complémentaires des contacts 6 et permet tant de fournir au capteur de température la tension de me sure. Les chemins conducteurs 3, 4 s'étendent de façon rectiligne sur la zone intermédiaire 8 du support 2 jusqu'au voisinage d'une cavité 9 réalisée dans la surface du support. Les chemins conducteurs 3, 4 sont en platine métallique. La longueur de la zone intermédiaire 8 représente plus de la moitié de la longueur du support 2. La cavité 9 se poursuit par un segment sensible 10 du support. La longueur de ce segment sensible 10 corres pond pratiquement à un quart de la longueur totale du support 2. Dans ce segment 10, l'élément résistant 5 forme une liai son entre les chemins conducteurs 3, 4. La section de l'élément résistant 5 est inférieure à celle des chemins con ducteurs 3, 4 ; de plus, elle est en une matière à forte ré sistance de surface comme par exemple des particules de céramique enrobées de platine, notamment des particules d'oxyde d'aluminium ou un mélange de Pt avec des particules de céramique non conductrices. L'élément résistant 5 a un tracé en zigzag sur une grande partie de la surface du seg ment sensible de sorte que sa longueur totale est considéra blement plus grande que la longueur ou la largeur de ce segment 10. Ainsi, par le choix de la matière et par la sec tion relativement réduite par rapport à celle des chemins conducteurs 3, 4, l'élément résistant 5 participe d'une ma nière très prioritaire à la résistance électrique globale du capteur de température. La dépendance de cette résistance vis-à-vis de la température est ainsi pratiquement liée seu lement à la température du segment sensible 10. Le segment de support 7 portant le capteur de température est considérable ment moins chaud que le segment sensible 10 dans les condi tions de fonctionnement normales. La cavité 9 permet que la chute de température inévitable entre les deux segments 7, 10 se concentre principalement sur la zone de la cavité 9 ; le segment sensible 10 lui-même a ainsi une température relati vement homogène, qui peut se déduire de la résistance élec trique mesurée du capteur de température, sans équivoque, et de manière exacte. Du fait que la cavité 9 est au voisinage immédiat de la seconde zone d'extrémité, la partie de la masse du capteur de température qui est soumise à la varia tion de température du fluide à mesurer, est faible. C'est pourquoi le capteur peut suivre très rapidement les varia tions de température. La f igure 2, dans ses parties A, B, C montre, d'une manière non à l'échelle, les sections de capteur de température selon la ligne II-II de la figure 1. Dans la première variante représentée à la figure 2A, une bande de support 12 en céramique d'oxyde de zirconium stabilisée avec de l'yttrium, porte une couche isolante 13, un élément résistant 5 à tracé en zigzag ou en méandres et, par-dessus celui-ci, une seconde couche isolante 14, et fina lement une bande de recouvrement 15. Le but des couches iso lantes 12, 14 en oxyde d'aluminium est d'isoler le chemin conducteur 10, électriquement par rapport aux bandes de sup port et de recouvrement 12, 15. La raison est qu'aux tempéra tures auxquelles est exposé le capteur, à savoir les températures d'un capteur d'oxygène surveillant les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (qui du fait de ses bonnes propriétés thermomécaniques comme matière pré férentielle pour le support 2, est de l'oxyde de zirconium), devient légèrement conducteur alors que la céramique à base d'oxyde d'aluminium ne le devient pas. Pour éviter que des gaz de l'environnement du capteur n'arrivent jusqu'à l'élément résistant 5 et endomma gent celui-ci aux températures de fonctionnement élevées du capteur, les couches d'isolation 13, 14 et l'élément résis tant 5 sont entourés, également sur les côtés, par des parois étanches aux gaz 16, formées d'une céramique en oxyde de zir conium.. L'épaisseur des bandes 12, 15 est diminuée dans la zone dans laquelle elles recouvrent le tracé en méandres de l'élément résistant 5. La réduction de l'épaisseur peut se faire par un meulage complet ou par un fraisage de la bande réunie par un liant, avant le frittage, comme cela est repré senté pour la bande de support 12 ; on peut également réali ser de manière sélective une cavité 17 dans la zone du chemin conducteur 5 à tracé en zigzag, comme cela est par exemple représenté pour la bande de recouvrement 15. Sur les cÔtés de la cavité 17, les entretoises 18 qui subsistent servent à maintenir la résistance mécanique du capteur. Une telle réduction de l'épaisseur peut également être prévue seulement sur l'une des bandes 12, 15. On peut réaliser le capteur de température par des étapes successives de sérigraphie de la bande de support 12, de la couche d'isolation, du chemin conducteur 5, de la couche d'isolation 14, des parois 16 et de la bande de recou vrement 15, puis de frittage de la combinaison obtenue à des températures de l'ordre de 1 350 à 1 3600C. Cette température est suffisante pour fritter l'oxyde de zirconium des bandes 12, 15 et des parois 16 de manière étanche à l'air alors que, pour l'oxyde d'aluminium des couches isolantes 13, 14, il subsiste une certaine porosité résiduelle. La figure 2B montre une structure de couche du capteur permettant un temps de réaction particulièrement court pour le capteur. Deux bandes 12, 15 en oxyde de zirconium stabili sé avec de l'yttrium sont appliquées l'une sur l'autre pour construire un support de résistance mécanique suffisante. Ce lui-ci porte une première couche isolante 13 formant, avec une seconde couche isolante 14, une surface extérieure du capteur entourant le chemin conducteur 5. Contrairement aux réalisations des figures 2A, 2B, les couches isolantes for ment les surfaces extérieures du capteur ; pour protéger le chemin conducteur 5 de la destruction par la pénétration des gaz, il faut que ces couches isolantes soient étanches à l'air mais ne deviennent pas conductrices électriques aux températures d'utilisation du capteur. Pour cela, on utilise une poudre d'oxyde d'aluminium ultrafine dont la taille des particules est du domaine du nanomètre, ayant une température de frittage inférieure à celle de l'oxyde d'aluminium, avec une granulométrie plus grossière, ou encore en combinant l'oxyde d'aluminium formant les couches d'isolation 13, 14, avec des agents de frittage tels que de l'oxyde de magnésium ou de l'oxyde de silicium. La masse du segment sensible 10 et ainsi son inertie thermique, sont diminuées par les cavités 17 réali sées dans l'oxyde de zirconium de la bande. On peut également envisager, comme le montre la figure 2C, d'enlever complètement l'une des bandes 12 à seg ment sensible 10 ou de ne pas la prévoir dès l'origine, si cela est possible du point de vue de la résistance mécanique nécessaire du capteur. Une autre possibilité de réduire la masse du seg ment sensible 10 est de superposer l'élément résistant 5 dans plusieurs couches électriquement isolées les unes des autres. Cela diminue la surface de support nécessaire pour une même longueur de l'élément résistant et ainsi la masse nécessaire du segment sensible 10. Les figures 3A, 3B montrent les sections possi bles du capteur de température de la f igure 1, au niveau de la ligne de coupe III-III. A la figure 3A, la découpe 9 forme un perçage traversant d'un côté du support 2 à l'autre. La figure 3B montre une cavité 9 en forme de trou borgne. Ces deux variantes peuvent être combinées avec chacune des sec tions représentées aux figures 2A-2C. Pour d'autres variantes du capteur de tempéra ture, on peut prévoir plus d'une cavité 9 dans la zone inter médiaire 8. Si les cavités 9 sont des perçages borgnes, il est intéressant de réaliser ceux-ci alternativement sur les côtés opposés du support 2, et ainsi non seulement de dimi nuer la section de conduction thermique efficace du capteur de température dans la zone de la cavité, mais encore d'augmenter la longueur du chemin effectif pour une partie du flux thermique. La figure 4 montre un second mode de réalisation du capteur de température de l'invention, selon une vue écla tée. Le capteur est formé de trois feuilles céramiques plas- tiques combinées par laminage en utilisant un liant dit interlaminaire , par exemple de 1 1 oxyde d'aluminium. La première des trois feuilles, encore appelée feuille de stabi lisation 19, assure, comme les bandes 12, 15 des exemples de réalisation évoqués précédemment, la résistance mécanique du capteur de température. Une feuille de capteur 20, placée par-dessus, porte l'élément résistant 5, sensible à la tempé rature, les lignes d'alimentation 3, 4 et les contacts 6 pour le branchement dans une garniture externe. Les contacts 6 et les lignes d'alimentation 3, 4 sont en platine pur ; l'élément résistant 5 sensible à la température est formé d'un mélange de l'ordre de 60 % en volume de platine et de 40 % en volume de A1203. L'adjonction d'alumine A1203 pro duit, d'une part, à l'état fritté, un meilleur accrochage de la couche de capteur sur le support, et, d'autre part, vis-à- vis du platine pur de la résistance quadratique, la couche est relevée de quatre jusqu'à cinq fois. Avec une technique d'épaisseur de couche habituelle (largeur des chemins conduc teurs et intervalles, de l'ordre de 0,2 mm) on peut réaliser sur une surface de 10 x 6 mm 2# un élément Pt-100. Une feuille de recouvrement 21, qui est mince comme la feuille de capteur 20 par comparaison à la feuille de stabilisation 16, recouvre la feuille de capteur 20 sur la plus grande partie de sa sur face à l'exception des contacts 6. L'élément résistant 5 est dimensionné et disposé pour se trouver complètement à l'intérieur d'une fenêtre 17 matricée dans la feuille de sta bilisation 19. L'épaisseur du capteur de température, dans la zone de l'élément résistant 5, est ainsi considérablement plus faible que sur la plus grande partie de sa surface rési duelle. R E V E N D I C A T 1 0 N S 10) Capteur de température (1) , notamment pour surveiller la température des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant un support (2) en céramique et un élément résistant (5) dépendant de la température, prévu sur un pre mier segment d'extrémité du support (2) comme segment sensi ble (10), au niveau d'un second segment d'extrémité du support, appelé segment de support, des contacts électriques (16) et des chemins conducteurs (3, 4) occupant la zone in termédiaire (8) du support en s'étendant entre les contacts (6) et l'élément résistant (5), caractérisé en ce que le segment sensible (10) présente, au moins par endroits, une épaisseur plus faible que le segment de support (7) et le segment intermédiaire (8). 20) Capteur de température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (2) est formé de plusieurs couches et au moins l'une des couches a été supprimée au niveau du segment sensi ble (10). 30) Capteur de température selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le support (2) présente, au niveau du segment sensible (10), au moins un perçage ou une cavité (17). 40) Capteur de température selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément résistant (5) est prévu au-dessus du perçage ou de la cavité (17). 50) Capteur de température selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le support (2) est réalisé de plusieurs couches dont au moins une présente une cavité dans le segment sensible (10). 60) Capteur de température selon l'une quelconque des reven dications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément résistant (5) est prévu dans plusieurs plans. 70) Capteur de température selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément résistant (5) est formé de particules de céramique non conductrices, enveloppées de platine. 80) Capteur de température selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément résistant (5) est un mélange oxyde d'aluminium- platine. 90) Capteur de température selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les chemins conducteurs (3, 4) ont une autre composition que l'élément résistant (5). 100) Capteur de température selon la revendication 9 prise en liaison avec les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les chemins conducteurs (3, 4) sont en platine métallique. 110) Procédé de fabrication d'un capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' on forme un support (2) d'épaisseur régulière et, à partir de là, on réalise la structure du segment sensible (10) sur au moins une partie de sa surface, par enlèvement d'au moins une partie de l'épaisseur du support (2). 120) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu' après l'enlèvement on fritte le support (2). 130) Procédé de fabrication d'un capteur de température (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support se compose de plusieurs couches (16, 18, 19), et au moins l'une des couches comporte un passage (17) estampé.