Brevet FR2872286A1 — publié le 20051230

Domaine de l'invention La présente invention concerne un module de capteur de gaz pour la mesure spectroscopique d'une concentration de gaz, notamment appliquée au domaine automobile. Le module de capteur comprend: - un capteur de gaz spectroscopique ayant une microstructure de me- sure et une puce de capteur munie de plots de contact ainsi que d'une puce de recouvrement transparente aux rayons infrarouges IR, recou- vrant la structure de mesure et fixée à la puce de capteur, - un boîtier prémoulé injecté en matière plastique ou en matière de 10 moulage, ayant un fond de boîtier et un bord de boîtier auquel est fixé un couvercle muni d'un orifice formant diaphragme au-dessus de la structure de mesure, - une puce de filtre entre le couvercle et la puce de recouvrement pour filtrer sélectivement une plage de longueur d'ondes de rayonnement 15 infrarouge, et - un châssis conducteur injecté en partie dans le boîtier prémoulé, ce châssis ayant plusieurs conducteurs dont les zones extérieures sont des pattes de branchement pour la mise en contact avec un substrat et dont les zones intérieures forment des plots de contact mis en contact avec les plots de contact du capteur de gaz. L'invention concerne également une unité de capteur de gaz comprenant un substrat ayant un côté supérieur et un côté inférieur, le substrat ayant au moins un orifice, et équipée d'un capteur selon l'invention. Etat de la technique Un tel module de capteur de gaz comporte par exemple un boîtier prémoulé dans lequel est fixé par injection un châssis conducteur à plusieurs conducteurs qui forment du côté intérieur du boîtier prémoulé, des plots de soudage et sur le côté extérieur, des pattes de branchement à mettre en contact avec un substrat par exemple une plaque conductrice. Le capteur de gaz qui se compose par exemple d'un empilage de puces, composé d'une puce de capteur ayant une membrane et une structure de mesure sensibles au rayonnement infrarouge, et d'une puce de recouvrement pour la structure de mesure, est en général collé au fond du boîtier pour être branché par des fils de soudage aux pattes de contact des conducteurs. Le volume intérieur du boîtier peut être rempli d'un gel de passivation pour protéger les fils de liaison ou de soudage. Sur la puce de recouvrement ou sur la face inférieure du couvercle, on a fixé une ou plusieurs puces de filtre optique, transparent de manière sélective au rayonnement infrarouge dans des plages de longueur d'ondes définies et per-mettant ainsi de mesurer le rayonnement infrarouge dans une plage de longueur d'ondes caractéristique d'un certain gaz et par exemple dans une plage d'ondes de référence. Les pattes de branchement sont recourbées vers le bas pour pouvoir fixer le module de capteur de gaz par sa face inférieure sur le substrat. Une lampe infrarouge, par exemple une ampoule incandescente, de courant faible est prévue écartée latéralement pour former un chemin d'absorption ou un volume d'absorption entre la lampe infrarouge et le module de capteur de gaz; ce volume est par exemple défini par un réflecteur fixé sur le côté supérieur du substrat pour renvoyer le rayonne-ment infrarouge émis par la lampe infrarouge vers le module de capteur de gaz. On peut ainsi utiliser l'absorption du gaz ou du mélange gazeux dans le volume d'absorption pour détecter la concentration de gaz. Le module de capteur de gaz est monté sur le substrat par un procédé d'installation habituel à côté de divers autres composants de même que la source de rayonnement infrarouge à distance définie du détecteur. Le réflecteur est installé au-dessus de la lampe et du capteur de gaz pour concentrer le rayonnement infrarouge. Le dimensionnement du module de boîtier de capteur dans la direction latérale et en hauteur dé-termine les dimensions minimales de la taille du réflecteur car celui-ci entoure le module de capteur de gaz. Exposé et avantages de l'invention Selon l'invention, dans le module de capteur de gaz les pattes de branchement sont recourbées vers le haut à partir du bord de boîtier. Le module de capteur de gaz selon l'invention offre de nom- breux avantages par rapport au module de l'état de la technique. En effet selon l'invention les pattes de branchement du module de capteur de gaz recourbées vers le haut, partent du fond du boîtier sur lequel est installé le capteur de gaz, s'écartent et sont recourbées vers le côté supérieur du boîtier. Le module de capteur de gaz et ses pattes de branchement peut ainsi être monté sur le substrat de façon que la structure de mesure et la puce de filtre optique soient directement en regard du substrat. Comme le substrat comporte un orifice au-dessus de la structure de mesure et de la puce de filtre, le rayonnement infrarouge peut traverser le substrat pour arriver sur le capteur de gaz fixé contre le côté inférieur du substrat. Les pattes de branchement du boîtier prémoulé sont ainsi tournées vers le couvercle ou vers l'ouverture. L'invention permet ainsi de réduire considérablement la taille du réflecteur car le module de capteur de gaz n'a plus à être entouré par le réflecteur. Cela permet de réduire de manière significative la taille globale de l'unité de capteur de gaz. En outre tous les composants électriques peuvent être montés sur un côté du substrat par une seule opération notamment sans avoir à retourner le substrat. On réduit ainsi de manière significative le temps de fabrication en supprimant une intervention sur les deux faces; la qualité des soudures est améliorée grâce à un procédé de soudage à la vague, sur une face. Grâce à la face supérieure réfléchissante du substrat obtenue par exemple par métallisation à l'aide d'un revêtement NiAu, la ré- flexion de la source de rayonnement infrarouge peut se faire à la fois par le réflecteur et par le côté supérieur du substrat vers l'orifice du substrat; on obtient ainsi un rendement de rayonnement élevé et la saisie complète de la plage d'absorption formée entre le réflecteur et le substrat. On évite ainsi l'occultation non intentionnelle du rayonnement par le module de capteur de gaz lui-même. En outre il n'est pas nécessaire que le réflecteur possède une fonction de compatibilité électromagnétique (CEM) même si le capteur est sensible. Le réflecteur n'est pas nécessairement en métal ou ne comporte pas nécessairement sur sa face intérieure des revêtements métalli- ques qui doivent être reliés électriquement de manière compliquée au substrat comme cela est parfois le cas dans les systèmes connus. Le revêtement réfléchissant du côté supérieur ou de la face supérieure du substrat peut être raccordé simplement à la masse électrique du système, ce qui assure avec des moyens réduits, une protection idéale contre les rayonnements électromagnétiques du module de capteur de gaz installé sous le substrat; cette protection concerne également les autres composants électriques. Le chemin d'absorption du rayonnement est augmenté du fait de la déviation par le substrat et d'une meilleure saisie du volume d'absorption par le revêtement réfléchissant de la face supérieure du substrat; on augmente ainsi la précision de la mesure. Il est également avantageux que la plus grande distance du module de capteur de gaz par rapport au réflecteur permette d'avoir des angles plus importants d'incidence du rayonnement arrivant sur le module de capteur de gaz. Selon l'invention on utilise en outre un boîtier prémoulé ayant un bon couplage de contrainte entre la puce du capteur de gaz et le substrat. La forme et le dimensionnement ou l'empreinte du boîtier pré-moulé sont en outre compatibles avec la norme JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Le boîtier peut ainsi être garni par un équipement standard et compatible avec le domaine automobile. Dans le cas d'un fond de boîtier plat, on peut modifier de manière spécifique la forme du couvercle et du boîtier par exemple prévoir des ouvertures et moulures ou des arêtes sans que l'installation du module de capteur de gaz sur un substrat ne soit influencée de manière négative. Ainsi selon l'invention on peut prévoir une mise en place standard simple, par exemple selon le procédé de prélèvement/ installation ( Pick and Place ), par exemple avec des outils de prise sous vide utilisant toujours le même côté arrière du boîtier comme surface d'aspiration. Le fond du boîtier prémoulé peut recevoir par injection très simplement une plaque de blindage ou surface métallique reliée à la broche de mise à la masse du châssis conducteur. Ainsi grâce à la réalisation supplémentaire de la couche de réflexion sur la face supérieure du substrat et le branchement à la masse, on a une excellente protection contre le rayonnement électromagnétique. L'invention permet en principe un alignement électrique actif du module de capteur de gaz par rapport à la direction du rayonnement 25 dans le cas d'un réflecteur pré-assemblé. Selon l'invention, une unité de capteur comporte: - un module de capteur de gaz dont les pattes de branchement sont fixées à la face inférieure du substrat, le couvercle muni de l'orifice formant diaphragme étant installé sous l'orifice du substrat, - une lampe fixée au substrat au-dessus du côté supérieur du substrat et - un réflecteur sur la face supérieure de substrat ou sur le côté supérieur du substrat, pour réfléchir le rayonnement infrarouge émis par la lampe vers l'orifice du substrat, Selon d'autres caractéristiques avantageuses: - le réflecteur entoure la lampe et l'orifice du substrat et comporte des orifices de passage de gaz, - le côté inférieur du substrat est garni de composants actifs et/ou passifs, la lampe est installée sur un socle fixé au côté inférieur du substrat, le côté supérieur du substrat sous le réflecteur comporte un revête- 5 ment réfléchissant, - le revêtement réfléchissant du substrat est relié à un branchement de masse. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 10 détaillée à l'aide de quelques modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une section d'un premier mode de réalisation d'un module de capteur de gaz selon l'invention, - la figure 2 est une section d'un second mode de réalisation d'un mo- 15 dule de capteur de gaz comportant une plaque de blindage injectée dans le fond du boîtier, - la figure 3 montre une section d'une unité de capteur de gaz comprenant un substrat, un module de capteur de gaz, une lampe et différents composants électroniques. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un module de capteur de gaz 1 comprenant un capteur de gaz 2 avec une puce de capteur 3 et une puce de couverture 5 transparente aux rayons infrarouges IR, fixés sur la puce de capteur 3 par une liaison 4 de verre de scellement, de manière étanche au vide. Une puce de filtre optique 9 est fixée à l'aide d'une couche de colle 6 optiquement transparente, c'est-à-dire transparente aux rayons IR sur la face supérieure de la puce de recouvrement 5. Le côté supérieur de la puce de capteur 3 comporte une structure de mesure 11 ayant une membrane 10 sous laquelle a été gra- vée une caverne 12 et une structure de thermopile 14 sur la membrane 10; cette structure 14 est à son tour couverte par une couche absorbante pour absorber le rayonnement infrarouge IR. La structure de thermo- pile 14 se compose d'au moins deux chemins conducteurs remis en con- tact et formés de matières différentes, par exemple de silicium polycristallin et d'un métal; cette structure s'étend de la membrane 10 latéralement jusqu'au-delà de la membrane 10 pour arriver dans la zone massive du bord de la puce de capteur 3. Les chemins conducteurs de la structure de thermopile 14 sont reliés à des plots de soudage 17 prévus sur le côté supérieur de la puce de capteur 3 au-delà de la puce de recouvrement 5. Une autre caverne 16 est réalisée dans la structure de mesure 11 dans la face inférieure de la puce de recouvrement 5. La puce de capteur 3 est collée à l'aide d'une couche de colle 20 contre le fond 22a d'un boîtier prémoulé 22 injecté en matière plastique ou matière de moulage; ce boîtier comporte un bord périphérique 22b. Le boîtier prémoulé 22 comporte un châssis conducteur 23 formé de plusieurs conducteurs 24. Ce châssis est partiellement injecté et la zone extérieure des conducteurs 24 sert de patte de branchement 24a en constituant respectivement dans la zone intérieure des conducteurs 24 une face supérieure dégagée pour constituer un plot de soudage 24b. Les plots de soudage 24b sont, par les fils de soudage 26, mis en contact avec les pattes de soudage 17 sur le côté supérieur de la puce de capteur 3. Le boîtier prémoulé 22 est fermé par un couvercle 30 par exemple en métal ayant un orifice formant diaphragme 32 situé au-dessus de la puce de filtre optique 9 et servant ainsi de diaphragme dans le rayonnement infrarouge incident; le rayonnement peut ainsi traverser la puce de filtre optique 9, la couche de colle optiquement transparente 6, la puce de recouvrement 5 pour arriver sur la couche absorbante 15. Un agent de passivation par exemple un gel de passivation 35 est prévu dans le volume intérieur 34 du boîtier entre le boîtier prémoulé 22 et le couvercle 30. Selon l'invention, les pattes de branchement 24a sont recourbées vers le haut c'est-à-dire dans la direction en s'écartant du fond du boîtier. Ces pattes ont un premier coude en passant de leur tracé horizontal en sortie du bord de boîtier 22b pour remonter en biais; ils ont également un second coude 39 pour revenir dans une direction sensible-ment horizontale. La figure 2 montre un mode de réalisation dans lequel une plaque de blindage 40 constituant une partie du châssis conducteur 23 est injectée dans le fond 22a du boîtier. La plaque formant écran 40 est reliée à un conducteur 24 et peut ainsi être raccordée par une patte de branchement 24a correspondant au contact de masse d'un substrat. La figure 3 montre une unité de capteur de gaz 42 compor- tant un module de capteur de gaz 1 selon la figure 1 ou la figure 2 dont les pattes de branchement 24a sont fixées contre la face inférieure 43a d'une plaque conductrice 43 servant de substrat. Des chemins conducteurs sont réalisés sur la face inférieure 43a de la plaque conductrice 43. D'autres composants de préférence une unité de commande 45 par exemple une unité ASIC 45 et des composants passifs 46 sont mis en contact avec ces chemins conducteurs. Un orifice 50 du substrat reçoit un socle de lampe 52 équipé d'une lampe par exemple une lampe miniature 53 en montage SMD, qui dépasse du côté supérieur 43b de la plaque conductrice 43. Le côté supérieur 43b comporte un réflecteur 54 avec des orifices de passage de gaz 56. Ce réflecteur entoure la lampe 53 et un orifice 57 du substrat au-dessus de l'orifice formant diaphragme 32 du module de capteur de gaz 1. Dans la zone entourée par le réflecteur 54, le côté supérieur 43b de la plaque conductrice 43 comporte un revêtement de substrat, réfléchissant 59 par exemple en NiAu. Le rayonnement infrarouge émis par la lampe 53 est ainsi réfléchi par la surface intérieure du réflecteur 54 et le revêtement réfléchissant 59 du substrat pour arriver le cas échéant après des réflexions multiples, à travers l'orifice 57 du substrat dans le module de capteur de gaz 1. La hauteur verticale du réflecteur 54 est définie principalement par la hauteur de la lampe 53; celle-ci est par exemple am-poule à incandescence à courant faible. D'autres composants ne sont avantageusement pas prévus sur la face supérieure 43b du substrat 43, qui en particulier ne comporte aucun composant électronique. REVENDICATIONS 1 ) Module de capteur de gaz pour la mesure spectroscopique d'au moins une concentration de gaz, comprenant au moins: - un capteur de gaz spectroscopique (2) ayant une microstructure de mesure (11) et une puce de capteur (3) munie de plots de contact (17) ainsi que d'une puce de recouvrement (5) transparente aux rayons infrarouges IR, recouvrant la structure de mesure (1) et fixée à la puce de capteur (3), - un boîtier prémoulé (22) injecté en matière plastique ou en matière de moulage, ayant un fond de boîtier (22a) et un bord de boîtier (22b) au- quel est fixé un couvercle (30) muni d'un orifice formant diaphragme (32) au-dessus de la structure de mesure (11), - une puce de filtre (9) entre le couvercle (30) et la puce de recouvrement (5) pour filtrer sélectivement une plage de longueur d'ondes de rayon- nement infrarouge, et - un châssis conducteur (23) injecté en partie dans le boîtier prémoulé (22), ce châssis ayant plusieurs conducteurs (24) dont les zones extérieures sont des pattes de branchement (24a) pour la mise en contact avec un substrat et dont les zones intérieures forment des plots de contact (24b) mis en contact avec les plots de contact (17) du capteur de gaz (2), caractérisé en ce que les pattes de branchement (24a) sont recourbées vers le haut à partir du bord de boîtier (22b). 2 ) Module de capteur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pattes de branchement (24a) ont chacune un premier coude inférieur (36) par lequel les conducteurs (24) sortant du bord (22b) du boîtier sont recourbés vers le haut et un second coude supérieur (39) par lequel les conducteurs (24) sont recourbés vers l'extérieur sensiblement dans la di-rection horizontale. 3 ) Module de capteur de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans le fond (22a) du boîtier, sous le capteur de gaz (2), il y a une plaque de blindage (40) conductrice, fixée par injection, et reliée à un conducteur (24). 4 ) Module de capteur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puce de filtre (9) est fixée sur la puce de recouvrement sous l'orifice formant diaphragme (32). 5 ) Module de capteur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plots de contact (24b) des conducteurs (24) et les plots de contact (17) du capteur de gaz (2) sont des plots de soudage (24b, 17) mis en contact 1 o par des fils de soudage (26). 6 ) Unité de capteur de gaz (42) pour un module selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant: un substrat (43) ayant un côté supérieur (43b) et un côté inférieur 15 (43a), le substrat (43) ayant au moins un orifice (57), un module de capteur de gaz (1) dont les pattes de branchement (24a) sont fixées à la face inférieure (43a) du substrat (43), le couvercle (30) muni de l'orifice formant diaphragme (32) étant installé sous l'orifice (57) du substrat, une lampe (53) fixée au substrat (43) au-dessus du côté supérieur (43b) du substrat (43) et un réflecteur (54) sur la face supérieure de substrat ou sur le côté supérieur (43b) du substrat (43), pour réfléchir le rayonnement infrarouge émis par la lampe (53) vers l'orifice (57) du substrat. 7 ) Unité de capteur (42) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le réflecteur (54) entoure la lampe (53) et l'orifice (57) du substrat et comporte des orifices de passage de gaz (56). 8 ) Unité de capteur (42) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le côté inférieur (43a) du substrat est garni de composants actifs et/ou passifs (45, 46). 9 ) Unité de capteur (42) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que lo la lampe (53) est installée sur un socle (52) fixé au côté inférieur (43a) du substrat. 10 ) Unité de capteur (42) selon l'une des revendications 6 à 9, 5 caractérisée en ce que le côté supérieur (43b) du substrat sous le réflecteur (54) comporte un revêtement réfléchissant (59). 11 ) Unité de capteur (42) selon la revendication 10, lo caractérisée en ce que le revêtement réfléchissant du substrat est relié à un branchement de masse.