Brevet FR2855261A1 — publié le 20041126

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur de passage comportant deux résistances chauffantes et au moins un capteur de température de référence pour déterminer la température ambiante. Etat de la technique On connaît un tel capteur de passage selon le document EP O 955 524 A2. Ce capteur de température est utilisé pour déterminer la masse d'air aspirée par un moteur à combustion interne. Le capteur de passage décrit dans le document EP O 955 524 A2 comporte deux résis10 tances chauffantes ainsi que deux capteurs de température de référence. A l'aide des capteurs de température de référence on saisit la température ambiante ou celle de l'air passant sur le capteur de passage et cela sans être influencée par les résistances chauffantes. Les deux résistances chauffantes sont utilisées pour mesurer la masse d'air passant sur les 15 capteurs de passage. On utilise pour cela l'effet que la première résistance chauffante dans le sens du passage chauffe l'air qui le balaye et qu'ainsi la seconde résistance chauffante dans le sens du passage demande moins d'énergie de chauffage pour rester à une température prédéterminée. Le refroidissement différent de la première résistance chauffante et de la se20 conde résistance chauffante dans le sens de l'écoulement aboutit à une différence des valeurs des résistances chauffantes. Ces résistances de valeurs différentes constituent une mesure du débit massique d'air passant sur le capteur de passage. Les résistances à mesurer R(T) dépendant de la température 25 découlent de la formule suivante: R(T) = Ro (1 + a. T) dans laquelle Ro: valeur de la résistance à la température ambiante, a: coefficient de température de la résistance chauffante, T: température. Cette équation montre que la résistance R(T) dépendant de la température est fortement dépendante de la résistance Ro. Pour avoir une puissance de chauffage électrique suffisante il est nécessaire que les valeurs des résistances chauffantes soient faibles. Mais cette condition est à l'opposé du souhait d'une sensibilité élevée et d'une précision de mesure du capteur de passage car une faible valeur de la résistance à la température ambiante n'aboutit qu'à une faible variation de la valeur de la résistance induite par la température. De plus, dans les résistances chauffantes traversées par des courants relativement importants, du fait de l'augmentation de la tempé5 rature on rencontre des effets de structure et de migration des électrons et/ou des effets de recristallisation. Ces deux effets aboutissent à une variation irréversible de la valeur de la résistance et ainsi à un défaut de mesure dans la détermination du débit massique d'air. Exposé et avantages de l'invention Dans le capteur de passage selon l'invention à deux résistances chauffantes et au moins un capteur de température de référence pour déterminer la température ambiante il est prévu d'associer à chaque résistance chauffante un autre capteur de température pour déterminer la température de la résistance chauffante et les capteurs de température 15 sont prévus au voisinage immédiat des résistances chauffantes. Ce moyen assure une séparation fonctionnelle. La résistance chauffante a seulement pour but d'atteindre une température prédéterminée alors que le capteur de température qui l'entoure mesure la température de la résistance chauffante. Il est ainsi possible d'effectuer 20 des mesures de température avec un capteur de température ayant une résistance électrique élevée ce qui augmente la précision de la mesure du capteur de passage. De plus, les effets de structure et de recristallisation induits par les courants ne se produisent pas dans les capteurs de température ce qui laisse la précision de la mesure du capteur de température 25 pratiquement constante pendant toute la durée de fonctionnement du capteur de passage. Il est en outre avantageux que les capteurs de température et les résistances chauffantes s'entourent très largement pour que les températures fournies par les capteurs de température soient très large30 ment identiques à la température des résistances chauffantes et que la temporisation entre une variation de température de la résistance chauffante et la variation de température qui en résulte pour le capteur soient aussi faibles que possible. Selon un développement avantageux du capteur de passage 35 selon l'invention, on régule séparément le courant traversant chaque résistance chauffante et on utilise la différence des courants ou des tensions des capteurs de température pour mesurer le passage ou débit et pour détecter le sens du passage. Cela permet une mesure rapide et plus pré- cise du passage ou débit car la régulation de courant ou de tension des résistances chauffantes peut se faire très rapidement et la différence des courants traversant les capteurs de température ou la différence des tensions appliquées aux capteurs de température est très grande. Le signal 5 de sortie du capteur de passage selon l'invention est ainsi important et peut bien être exploité et traité dans la commande du moteur à combustion interne. Il est avantageux que le courant traversant les résistances chauffantes soit régulé en fonction de la température ambiante ou de la l0 température de l'air qui passe dans le capteur de passage; il est particulièrement avantageux que la température des résistances chauffantes dépasse la température ambiante d'une valeur fixe AT. La précision de la mesure du capteur de température selon l'invention est encore augmentée si les capteurs de température ont une 15 valeur de résistance beaucoup plus grande que celle des résistances chauffantes. Une construction particulièrement avantageuse du capteur de passage selon l'invention prévoit que l'élément de mesure du capteur de passage comporte un substrat qui tient une membrane et sur le substrat 20 et la membrane on a une couche résistante dans laquelle on dégage les résistances chauffantes, les capteurs de température et au moins un capteur de température de référence. Il est avantageux dans ces conditions que le capteur de température de référence se trouve au-dessus du substrat et que les résistances chauffantes ainsi que les capteurs de tempéra25 ture se trouvent principalement sur ou dans la membrane. Cette réalisation de l'élément de mesure simplifie la fabrication du capteur de passage ou de débit selon l'invention et la rend économique sans effet négatif sur le comportement du capteur de passage. On peut également dégager les lignes d'alimentation de 30 branchement des résistances chauffantes et des capteurs de température ainsi que du ou des capteurs de température de référence dans la couche résistante. La largeur des chemins conducteurs formant les résistances chauffantes peut être différente pour arriver à une émission de chaleur aussi régulière et avantageuse que possible. L'exploitation des capteurs de température peut se faire par une mesure en quatre points ou à l'aide d'un pont de Wheatstone. Il peut également être avantageux de prévoir un second capteur de température de référence et d'alimenter les résistances chauf- fantes et/ou les capteurs de température par un chemin conducteur commun pour l'alimentation en courant. Cette dernière caractéristique permet de réduire l'encombrement de l'élément de mesure et le coût de fabrication. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'un élément de 10 mesure selon l'invention d'un capteur de passage avec des capteurs de température situés à l'intérieur, - la figure 2 montre un second exemple de réalisation avec des capteurs de température situés à l'extérieur, - les figures 3 et 4 montrent des variantes des éléments de mesure des 15 figures 1 et 2, - la figure 5 montre un élément de mesure avec une borne de masse commune pour les résistances chauffantes, - la figure 6 montre un élément de mesure avec une masse commune pour les capteurs de température, - la figure 7 montre une variante à largeur locale différente pour les résistances chauffantes, la figure 8 montre un élément de mesure avec un montage des capteurs de température pour une mesure à quatre points, - la figure 9 montre un élément de mesure avec des capteurs de mesure 25 de température branchés selon un montage en pont de Wheatstone, - la figure 10 montre un schéma d'un exemple de réalisation d'un capteur de passage selon l'invention. Description des exemples de réalisation La figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'un 30 élément de mesure d'un capteur de passage selon l'invention en vue de dessus et en vue en coupe selon la ligne A-A par une représentation schématique. L'élément de mesure du capteur de passage se compose d'un substrat 1, par exemple en silicium. Le substrat 1 porte un capteur de température de référence RFamb. Le substrat 1 comporte une découpe 3 recouverte par une membrane 5 mince, mauvaise conductrice de chaleur. Au-dessus de la membrane 5 on a deux résistances chauffantes RH1, RH2 en forme de U arrivant jusqu'au niveau du substrat 1. Les résistances chauffantes RH1, RH2 sont reliées électriquement à une source de courant ou une source de tension régulées (non représentées). A l'intérieur des résistances chauffantes RH1, RH2 en forme de U on a des capteurs de température RF,H1, RF,H2. Les capteurs de tem5 pérature RFH1, RF,H2 servent à déterminer la température des résistances chauffantes RH1, RH2. Pour déterminer au mieux la température des résistances chauffantes RH1, RH2 et avec une faible temporisation, on a installé les capteurs de température RF,H1, RF,H2 au voisinage direct des résistances chauffantes RH1, RH2. Les résistances électriques des capteurs 10 de température RFH1, RFH2 sont beaucoup plus grandes que les résistances électriques des résistances chauffantes RH1, RH2. Les capteurs de température RF,H1, RFH2 sont reliés électriquement à un circuit d'exploitation non représenté. Dans le premier exemple de réalisation, les résistances 15 chauffantes RH1, RH2 et les capteurs de température RFH1, RFH2 s'étendent au-delà de la membrane 5. A l'endroit o les capteurs de température RFH1, RFH2 débordent de la membrane 5 ils sont beaucoup plus larges au moins au niveau de la branche transversale 7 que dans la zone de la membrane 5; ainsi, les résistances chauffantes RH1, RH2 et les capteurs de 20 température RFH1, RFH2 ne possèdent au niveau des segments 7 qu'une très faible résistance si bien que le résultat de la mesure ne sera influencé que de manière très faible par la partie des capteurs de température RFH1, RF,H2 située au-delà de la membrane 5. Le branchement des capteurs de température RF.H1, RF,H2 et 25 des résistances chauffantes RH1, RH2 porte la référence 9. Une flèche 1 1 indique la direction d'écoulement de l'air passant sur l'élément de mesure. Cela signifie que le capteur de température de référence RFamb mesure la température de l'air arrivant non encore influencée par les résistances chauffantes RH1, RH2. La première résistance 30 chauffante RH 1 dans le sens de passage de l'air est attaquée par l'air qui la refroidit. En même temps, l'air prend de la chaleur de la première résistance chauffante RH, et chauffe ainsi la seconde résistance chauffante RH2. La régulation non représentée stabilise la température de la première résistance chauffante RH1 sur une valeur prédéterminée. Cette 35 valeur de consigne est en général différente d'une différence de température constante AT, supérieure à la température ambiante Tamb fournie par le capteur de température de référence RFamb. La seconde résistance chauffante RH2 est régulée sur la même température que la première résistance chauffante, à savoir Tamb + AT. Mais comme la seconde résistance chauffante RH2 est parcourue par de l'air réchauffé, la puissance de chauffage demandée à la seconde résistance chauffante RH2 est inférieure à la puissance de chauffage que doit fournir la première résistance chauf5 fante RH1. Cette différence des puissances de chauffage qui se traduit au niveau des capteurs de température sous la forme d'une différence de tension ou d'une différence de courant ou d'une combinaison de ces deux différences, est une mesure du courant massique ou débit massique de l'air parcourant l'élément de mesure. En même temps le signe algébrique 10 de cette différence permet de déterminer la direction de passage de l'air. Le capteur de température de référence RFamb, les résistances chauffantes RH1, RH2 ainsi que les capteurs de température RF,H1, RF,H2 sont obtenus par gravure d'une couche résistante appliquée sur le substrat 1 et sur la membrane 5. Cela permet d'une manière simple de réaliser 15 les composants électriques requis sur le substrat 1 et sur la membrane 5. La construction de principe des éléments de mesure de capteur de passage selon l'invention représentés aux figures 1 à 9 est pour l'essentiel identique de sorte que la description ci-après se limitera aux différences, en utilisant des mêmes références. La figure 2 montre une variante de réalisation qui diffère de l'exemple de réalisation de la figure 1 en ce que les capteurs de température RF,H1, RF,H2 sont installés au-delà des résistances chauffantes RH1, RH2. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, les résistances 25 chauffantes RH1, RH2 et les capteurs de température RF,H1, RF.H2 sont limités à la membrane 5 à l'exception de leurs branchements 9. Ainsi, la largeur des capteurs de température RF,H1, RFH2 est constante sur toute leur longueur. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3 les capteurs de température RF,H1, RF,H2 sont situés à l'intérieur des résistances chauffantes 30 RH1, RH2. La figure 4 montre un autre exemple de réalisation dans lequel les capteurs de température RF,H1, RF,H2 sont situés à l'extérieur des résistances chauffantes RH1, RH2. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, les résistances 35 chauffantes RH1, RH2 sont reliées par leur masse, de sorte que leurs éléments de branchement sont réduits d'une unité. Dans ce cas le point de masse commun n'est pas nécessairement situé au niveau de la membrane. Il peut également se trouver à l'extérieur de la membrane 5. A la figure 6 on a réuni les capteurs de température RFH1, RF,H2 en leur milieu ce qui permet l'économie d'un branchement. Dans ce cas également le point commun de la masse ne se situe pas nécessairement au niveau de la membrane 5. La figure 7 montre un exemple de réalisation dans lequel les deux branches des résistances chauffantes en forme de U RH1, RH2 ont des largeurs différentes. La première résistance chauffante RH1 a une branche amont plus large que la branche tournée du côté de la seconde résistance chauffante RH2. Dans le cas de la seconde résistance chauffante RH2, la i0 branche tournée vers la première résistance chauffante RH1 est plus étroite que la seconde branche en aval appartenant à la seconde résistance chauffante RH2. Ces moyens permettent d'améliorer la symétrie de la répartition de la température dans la membrane 5. Il est à remarquer que la largeur et la forme des résistances 15 chauffantes RH1, RH2 de même que la largeur et la forme des capteurs de température RFH1, RFH2 peuvent être adaptées à différentes conditions comme par exemple entre autre une répartition plus régulière de la température. Dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 8, les 20 capteurs de température RF,H1, RFH2 sont certes séparés au niveau de la membrane 5 mais les branchements 9a, 9b reçoivent le même courant. Cette variante de réalisation convient tout particulièrement pour déterminer la valeur de la résistance des capteurs de température RF,H1, RF,H2 par des mesures en quatre points entre les branchements 9c, 9d ou 9d, 9e. La figure 9 montre un exemple de réalisation dans lequel l'exploitation des résistances des capteurs de température RF,H1, RFH2 se fait à l'aide d'un pont de Wheatstone (non représenté). Pour cela, en plus des capteurs de température RFH1, RF,H2 on a prévu d'autres résistances 13, 15 alimentées en tension par une borne commune 9b. La figure 10 montre un schéma de montage d'un circuit d'exploitation des éléments de mesure représentés aux figures 1 à 9. On régule la tension UHi appliquée à la première résistance chauffante RH1 ainsi que la tension UH2 appliquée à la seconde résistance chauffante RH2. Cela se fait par l'intermédiaire d'un premier montage en pont 17 et par un 35 premier amplificateur de différence 19. Ce circuit est régulé par la tension UHi appliquée à la première résistance chauffante RH1 de sorte que cette résistance chauffante RH1 soit à la température souhaitée T = Tab + AT. De la même manière un second montage en pont 21 et un second amplificateur de différence 23 régulent la tension UH2 appliquée à la seconde résistance chauffante RH2. Les tensions UHI, UH2 sont appliquées à un soustracteur 25 qui partant de là génère une tension de sortie UA. Cette tension de sortie UA est une mesure du débit massique d'air traversant 5 l'élément de mesure et le signal de sortie du capteur de passage; cette tension peut être traitée dans un circuit de traitement ou par la commande de moteur (non représenté) d'un moteur à combustion interne. REVENDICATIONS 1 ) Capteur de passage comportant deux résistances chauffantes (RH1, RH2) et au moins un capteur de température de référence (RFnb) pour déterminer la température ambiante, caractérisé en ce qu' un autre capteur de température (RF,H1, RFH2) est associé à chaque résistance chauffante (RH1, RH2) pour déterminer la température de la résistance chauffante (RH1, RH2) et les autres capteurs de température (RF,H1, RFH2) sont prévus au voisinage 1o immédiat des résistances chauffantes (RH1, RH2). 2 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs de température (RFH1, RFH2) et les résistances chauffantes 15 (RH1, RH2) s'entourent très largement les uns les autres. 3 ) Capteur de passage selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que le courant traversant chaque résistance chauffante (RH1, RH2) est régulé 20 séparément, et on utilise la différence des tensions appliquées au capteur de température (RFH1, RF,H2) pour mesurer le passage et pour détecter la direction de passage. 4 ) Capteur de passage selon la revendication 2, 25 caractérisé en ce que le courant à travers les résistances chauffantes (RH1, RH2) est régulé en fonction de la température ambiante (Tamb). 5 ) Capteur de passage selon la revendication 3, 30 caractérisé en ce que les résistances chauffantes (RH1, RH2) sont régulées sur une température qui dépasse la température ambiante (Tamb) d'une amplitude prédéterminée (AT). 6 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs de température (RH1, RH2) ont une valeur de résistance plus grande que celle des résistances chauffantes (RF,H1, RF,H2). O10 7 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de mesure comporte un substrat (1) qui tient une membrane (5), avec sur le substrat (1) et sur la membrane (5) une couche résistante dans 5 laquelle on a dégagé les résistances chauffantes (RH1, RH2), les capteurs de température (RF,H1, RF,H2) et au moins un capteur de température de référence (RFamb). 8 ) Capteur de passage selon la revendication 7, 10 caractérisé en ce que le capteur de température de référence (RFamb) est placé sur le substrat (1), et à la fois les résistances chauffantes (RH1, RH2) et les capteurs de température (RFH1, RFH2) sont installés principalement sur la membrane (5). 9 ) Capteur de passage selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que des lignes d'alimentation prévues pour brancher les résistances chauffantes (RH1, RH2) et les capteurs de température (RFH1, RFH2) sont dégagées de la couche résistante. 10 ) Capteur de passage selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les chemins conducteurs formant les résistances chauffantes (RH1, RH2) ont une largeur différente par segments. 25 11 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs de température (RF,H1, RF,H2) sont exploités à l'aide d'une mesure en quatre points ou d'un pont de Wheatstone. 30 12 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est destiné à déterminer un débit massique d'air. 13 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un second capteur de température de référence (RFamb,2). il 14 ) Capteur de passage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résistances chauffantes (RH1, RH2) et/ou les capteurs de température (RF,H 1, RF,H2) sont alimentés chacun en courant par un chemin conducteur commun.