Brevet FR2890439A1 — publié le 20070309

La présente invention concerne une structure de capteur notamment pour un environnement sévère dans un véhicule automobile et une bougie de préchauffage comportant une telle structure. Un problème principal rencontré dans ce type d'applications est de pouvoir mettre en oeuvre des mesures dans un environnement sévère, pour les-quelles les technologies classiques de capteurs ne sont pas utilisables en raison des conditions d'environnement sévères rencontrées, que celles-ci soient des conditions d'environnement thermiques, vibratoires, chimiques, etc.. Une approche utilisée jusqu'à présent pour réaliser une telle mesure dans un tel environnement difficile est de mettre en place un transducteur entre la grandeur à mesurer et le dispositif de mesure, de telle façon qu'à l'extrémité du transducteur, les conditions d'environnement soient compatibles avec la technologie du capteur. Le transducteur a ainsi pour rôle de former un écran pour certaines 15 composantes physiques gênantes ou incompatibles avec le capteur, tout en étant un transmetteur de la grandeur à mesurer. Mais l'utilisation de ce transducteur présente un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison de déformations, de perte ou d'ajout d'informations que celui-ci peut engendrer, etc.. Ces altérations se caractérisent par exemple par des imperfections en amplitude (manque de précision ou saturation) et/ou dans le domaine dynamique (bande passante limitée en basse et/ou en haute fréquence). Un exemple d'une telle mesure en environnement sévère concerne la mesure de la pression cylindre dans un moteur thermique de véhicule automo-25 bile. La mesure d'une telle pression cylindre dans un moteur est un besoin nouveau. Il s'agit alors de mesurer durant les différents cycles du moteur (admission, compression, combustion, échappement), la variation de pression des gaz afin d'optimiser le pilotage de l'injection et l'allumage pour obtenir un meilleur rendement et ainsi diminuer la pollution. Mais, durant les cycles moteur, la température varie de la température ambiante lorsque le moteur est à l'arrêt, à plusieurs centaines de degrés C, sa-chant que la flamme dans le cylindre est à environ 1800 C. Or, un certain nombre de matériaux utilisés pour les capteurs ne résistent pas à de telles températures. C'est par exemple le cas des matériaux tels que le silicium, qui sont habituelle-ment utilisés pour de telles mesures de pression. On a alors proposé d'inclure le capteur de pression cylindre dans une bougie de préchauffage, par exemple pour les moteurs Diesel. La pointe de la bougie se trouve alors dans le haut du cylindre au contact de la flamme. Elle est utilisée comme transducteur pour compresser à l'autre extrémité de la bougie, un capteur qui se trouve dans un environnement tempéré au contact de la culasse du moteur refroidie par circulation d'eau par exemple. Mais la transduction effectuée par la pointe de la bougie de préchauffage est soumise à une inertie mécanique (masse du transducteur) et, selon les dispositifs utilisés, pose des problèmes d'étanchéité, de même que des problèmes de précision dans les faibles valeurs de pression et/ou est sensible aux vibrations. Une variante de réalisation de ce montage consiste également à in-clure le capteur de pression cylindre dans la bougie de préchauffage, mais diffère de la solution précédente en ce que le dispositif de fixation donne appui au transducteur de pression de part et d'autre de l'épaisseur de la culasse. On mesure alors une déformée de la culasse sous l'effet de la pression. Mais cette mesure dépend du couple de serrage de la bougie de préchauffage dans la culasse. De plus, elle capte les modes de vibration de la culasse qui se superposent au signal utile. Enfin, le signal mesuré est affecté par la fonction de transfert qui dépend de la culasse et de son environnement. Une autre solution consiste à utiliser une ou plusieurs fibres optiques pour capter la réflexion d'un rayon lumineux par une membrane soumise à la pression et à la température. La fibre optique transporte alors cette information en un lieu tempéré où se trouve une électronique d'acquisition et de traitement du signal. Cependant, la fibre optique a également des limites de tenue en température. La membrane sur laquelle se réfléchit le rayon lumineux détermine la qualité de la mesure. Sa définition doit tenir compte des caractéristiques mécaniques (mode propre de vibration), et thermiques (dilatation déformant la membrane), des problèmes de vieillissement mécanique de la membrane, des problèmes d'oxydation sur sa face réfléchissante, etc.. On assiste par ailleurs à l'émergence de technologies de télécommunication permettant de communiquer des données et/ou de téléalimenter des dis-positifs électroniques associés. Ainsi par exemple, de tels moyens sont utilisés pour la mesure de pression d'un pneumatique. Il est en effet difficile de faire cheminer des liaisons électriques dans une pièce tournante. Un capteur de pression lié au pneumatique éprouve alors des difficultés à communiquer avec le véhicule en raison de ses déplacements par rapport à celui-ci. Une solution consiste à inclure un capteur autoalimenté à l'intérieur du pneumatique et un émetteur/récepteur dans le véhicule. Le capteur peut alors communiquer par une liaison radiofréquence avec l'émetteur/récepteur. Dans certains dispositifs, le capteur peut également être téléalimenté par induction ou par radiofréquence. Une telle structure peut également être utilisée pour assurer une me-sure de température dans un four. En effet, il est difficile de faire cheminer des liaisons électriques dans un environnement trop chaud, les connexions mettant en oeuvre par exemple des brasures, étant sensibles à ce type d'environnement, dans la mesure où par exemple de telles brasures peuvent fondre. On utilise également dans le domaine de l'industrie automobile, des moyens de communication radiofréquence pour les antivols de véhicules. Ainsi par exemple, un dispositif d'identification peut être intégré dans une clé de véhicule automobile, ce dispositif ne nécessitant pas d'alimentation pour réduire la maintenance au minimum. On peut alors inclure dans la clé, un dispositif qui en réponse à un signal radiofréquence, renvoie un signal porteur d'une information spécifique selon la clé. Ce dispositif est alors alimenté grâce à l'énergie du signal électromagnétique reçu. D'autres exemples utilisant des moyens de communication radiofréquence pour une identification radiofréquence de type RFID, mettent en oeuvre des puces passives ou actives combinant captation d'énergie, processeur, mémoire et communication radiofréquence et se développent à grande échelle pour les identifications. Le but de l'invention est de proposer une structure de capteur bien adaptée à une utilisation dans un environnement sévère de véhicule automobile. A cet effet l'invention a pour objet une structure de capteur notamment pour un environnement sévère dans un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de capteur comportant à une extrémité, un élément sensible à la grandeur à mesurer dans l'environnement sévère et à une autre extrémité, un circuit de raccordement de celui-ci, placé hors de l'environnement sévère, séparés physiquement l'un de l'autre, raccordés par des moyens de transmissions d'informations radiofréquences, et entre lesquels sont prévus des moyens perméables aux informations, de protection du circuit de raccordement à l'encontre de l'environnement. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de transmission d'informations comportent en outre des moyens d'alimentation à distance de l'élément sensible intégrés dans le circuit de 15 raccordement; - l'élément sensible comporte un circuit de type LC; l'élément sensible comporte un circuit de type RLC; - l'élément sensible comporte un dispositif à ondes de surface ou de volume; - l'élément sensible comporte au moins un composant sensible à la grandeur à mesurer; - l'élément sensible est un élément sensible à la pression; - l'élément sensible est un élément sensible à la température; - l'élément sensible est un élément sensible au gaz; - l'élément sensible est un élément sensible aux vibrations, accéléra- tions ou chocs; - l'élément sensible est un élément sensible à deux ou plusieurs grandeurs parmi température, pression, gaz, vibration, accélération ou choc, etc. L'invention a également pour objet une bougie de préchauffage pour moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure de capteur telle que décrite précédemment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 représente un schéma synoptique illustrant la structure générale et le fonctionnement d'une structure de capteur selon l'invention; - les Fig.2, 3, 4 et 5 illustrent différents exemples de réalisation d'un élément sensible entrant dans la constitution d'une structure de capteur selon l'invention; et - la Fig.6 représente une vue en coupe schématique d'une bougie de préchauffage comportant une structure de capteur selon l'invention. On a en effet illustré sur la figure 1, une structure de capteur notamment pour environnement sévère dans un véhicule automobile. On sait que de façon schématique, cette structure de capteur comporte un corps de capteur désigné par la référence générale 1 sur cette figure, comportant à une extrémité, un élément sensible à la grandeur à mesurer, cet élément sensible étant désigné par la référence générale 2. Cet élément sensible est alors placé dans l'environnement sévère. A l'autre extrémité, ce corps de capteur comporte un circuit de raccordement désigné par la référence générale 3, placé hors de l'environnement sévère et séparé physiquement de l'élément sensible. Par contre, ce circuit 3 est raccordé par des moyens de transmissions d'informations radiofréquences à l'élément sensible 2. En effet, ce circuit peut par exemple comporter un émetteur/récepteur d'informations voire des moyens d'amplification, permettant de récupérer un signal de l'élément sensible, voire d'alimenter celui-ci. Dans ce cas, les moyens d'émission/réception d'informations, voire de téléalimentation c'est-à-dire de réception d'alimentation à distance, sont intégrés dans l'élément sensible 2 par exemple sous la forme d'une puce monobloc sans connexion avec un conducteur électrique. Entre ce circuit de raccordement 3 et l'élément sensible 2 sont disposés des moyens désignés par la référence générale 4, perméables aux informations et destinés à assurer la protection du circuit de raccordement à l'encontre de l'environnement sévère. Ainsi par exemple, des moyens d'isolation thermique peuvent être envisagés entre l'élément sensible 2 et le circuit 3, c'est-à-dire entre les deux extrémités du corps de capteur 1, pour assurer la protection du circuit 3. Un environnement sévère est en fait un environnement dans lequel on cumule en plus de la grandeur à mesurer, une autre grandeur non compatible avec un système électronique de mesure comportant au moins un composant électronique avec des connexions. Dans un tel environnement, l'électronique et ses connexions constituent habituellement un point faible. Une connexion est en fait un fil ou une nappe faisant contact entre deux pièces. Une couche de métallisation d'un circuit imprimé n'est pas considérée comme une connexion. Une couche de métallisation d'un circuit intégré (par exemple une puce en micro ou nano technologie) n'est pas considérée non plus comme une connexion. Dans la structure de capteur selon l'invention, on supprime la notion de transducteur, c'est-à-dire d'élément servant à transmettre l'information visée, comme par exemple la pression, jusqu'à un capteur placé dans une zone moins sévère, ce transducteur assurant la mesure comme cela a été expliqué précédemment. Au contraire, on place l'élément sensible le plus en contact possible avec la grandeur physique à mesurer dans la mesure où le circuit de raccorde-ment peut quant à lui être protégé de l'environnement. Ainsi, dans l'exemple décrit en regard de la figure 1, le circuit qui sert au raccordement du capteur vers l'extérieur, peut également comporter des moyens d'émission/réception d'informations radiofréquences, permettant de récupérer à partir de l'élément sensible, la valeur de la grandeur à mesurer. Des moyens d'alimentation de cet élément sensible peuvent égale-ment être envisagés de façon classique. Comme cela a été indiqué précédemment, cet élément sensible peut être un élément sensible à une pression ou à une température. On peut alors supprimer les connexions entre l'élément sensible du capteur et son circuit de raccordement et remplacer ces connexions par un dispositif de télécommunication et éventuellement de téléalimentation au sein même du capteur. Une téléalimentation permet alors à l'élément sensible de recevoir l'énergie nécessaire à son fonctionnement. L'utilisation de moyens de protection du circuit, perméables aux moyens de télécommunication et de téléalimentation entre l'élément sensible et le circuit, permet alors de protéger ce circuit et de le placer dans un environne-ment sécurisé. On notera que ces moyens de protection peuvent par exemple être constitués par une couche d'air ou autre. Les moyens de télécommunication utilisés peuvent par exemple être analogues à ceux déjà utilisés dans les technologies des étiquettes électroniques ou systèmes RFID, dans lesquelles l'étiquette placée sur un objet émet un signal d'identification de cet objet. Dans le cas de la structure d'un capteur selon l'invention, le signal est de plus porteur d'une mesure de la grandeur. L'élément sensible 2, par exemple une puce à base de micro ou nano technologie constitue un élément de matière d'un seul bloc qui peut être mis en oeuvre sans connexion. On conçoit alors que grâce à une telle structure, on peut résoudre les problèmes liés à la température de fusion de brasures de composants, de même que les températures de tenue des liaisons entre les puces électroniques et les pattes de raccordement de celles-ci. De plus, aucune liaison filaire n'étant utilisée, il n'existe plus de problème de tenue en température des câbles et de leurs gaines d'isolement. Par ailleurs, cette structure permet également de résoudre les problèmes liés aux vibrations, aux chocs et aux mouvements des connexions, à la tenue en température des dispositifs électroniques de mesure, de traitement, d'amplification et d'alimentation et des moyens d'étanchéité entre l'environnement sévère et la partie protégée où doit être acheminée l'information. On a illustré sur la figure 2, un premier exemple de réalisation d'un élément sensible pour une telle structure de capteur. Celui-ci comporte alors un circuit de type LC placé sur un support désigné par la référence générale 10. Une inductance se présentant par exemple sous la forme d'une bobine spirale désignée par la référence générale 11, est raccordée en série avec un capteur capacitif désigné par la référence générale 12, ce capteur capacitif étant par exemple un capteur de pression capacitif à membrane. Ce circuit LC est également associé à une antenne désignée par la référence générale 13 sur cette figure 2. Une telle structure présente l'avantage d'être réalisable à faible coût, de pouvoir tenir à très haute température et d'être très robuste du fait de l'absence de connexion. L'antenne 13 sert à la fois à la réception et à l'émission d'informations. La fréquence propre de ce circuit LC est dépendante de la capacité du capteur et donc de la pression. Le circuit de raccordement détermine alors la fréquence propre de ce circuit LC par exemple par balayage en fréquence et mesure d'impédance. La détermination de cette fréquence assure la communication de l'information de pression de l'élément sensible vers la partie électronique du cir- cuit de raccordement. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 3, l'élément sensible comporte un circuit de type RLC placé sur un support désigné par la référence générale 20. Ce circuit comporte alors une bobine spirale formant inductance dési- gnée par la référence générale 21, une capacité désignée par la référence générale 22 et une résistance sensible à la grandeur à mesurer désignée par la référence générale 23, en série. Ce circuit est également associé à une antenne désignée par la référence générale 24. Dans ce cas également, l'élément sensible est réalisé d'un seul tenant et la résistance est réalisée par exemple à base d'un matériau piézorésistif déposé sur une membrane se déformant sous l'effet de la pression appliquée. Une telle structure présente également l'avantage d'être réalisable à faible coût, de pouvoir tenir à très hautes températures, et d'être très robuste du fait de l'absence de connexion. La fréquence propre d'un tel dispositif est dépendante de la valeur de la résistance et donc de la pression. L'impédance de ce circuit dépendant de cette résistance, la mesure à distance de l'impédance de ce circuit permet donc de connaître la pression exercée sur la membrane. Selon encore un autre mode de réalisation, l'élément sensible peut également être réalisé par un dispositif à ondes de surface de type résonnant ou ligne à retard. Un exemple de réalisation d'un tel élément est illustré sur la figure 4 et consiste en un peigne interdigité déposé sur une couche de matériau piézoélec- trique, celle-ci pouvant être déposée elle-même sur une membrane se déformant avec la pression afin de créer un capteur sensible à la pression. On a en effet illustré sur la figure 4, un tel élément. Sur cette figure, la membrane de support est désigné par la référence générale 30, la couche pié- zoélectrique déposée sur cette membrane par la référence générale 31 et le peigne par la référence générale 32. Ce peigne est également associé à une antenne désignée par la référence générale 33. Une telle structure peut également être excitée par un signal radiofréquence capté par l'antenne. Le peigne transforme alors l'énergie électrique en énergie mécanique. Le dispositif possède une fréquence propre de résonance déterminée par l'écartement du peigne et la vitesse de propagation des ondes de surface, laquelle est sensible aux contraintes et à la température. La déformation de la membrane induite par la pression se traduit par une variation de la fréquence de résonance de ce dispositif. La détection à dis- tance de cette fréquence de résonance permet de déduire la pression exercée sur la membrane. Ce dispositif peut par exemple prendre la forme d'un résonateur de type Fabry Perot ou tout simplement d'un peigne tel qu'illustré. Un tel dispositif peut également être utilisé pour mesurer une température. Un autre mode de réalisation d'un dispositif à ondes de surface consiste à mesurer le temps de propagation d'une onde. Dans ce cas, on utilise un peigne interdigité excitateur et des réflecteurs. L'onde émise par la partie électronique de traitement est captée par l'antenne qui excite le peigne, créant ainsi une onde de surface ou de volume. Celle-ci se propage alors jusqu'aux réflecteurs et est partiellement renvoyée vers le peigne qui convertit cette énergie mécanique en énergie électrique rayonnée par l'antenne. Le signal est alors capté par le dispositif électronique de traitement qui mesure le temps écoulé. Un tel dispositif permet de par l'emplacement des réflecteurs sur une membrane ou non, de déterminer à la fois la température et la pression. Sur la figure 5, on a illustré un exemple de réalisation d'une telle structure de capteur dans lequel on peut à la fois mesurer la température et la pression. Dans ce cas, l'élément sensible comporte une couche piézoélectrique 5 désignée par la référence générale 34 sur laquelle est déposée une membrane déformable désignée par la référence générale 35 munie d'un peigne excitateur désigné par la référence générale 36 associé à une antenne 37. Deux réflecteurs 38 et 39 sont également placés sur la couche piézoélectrique. Le premier réflecteur 38 est placé à une distance dl du peigne, tandis que le deuxième réflecteur 39 est placé à une distance d2 du premier réflecteur. Dans un tel dispositif, on va donc mesurer deux échos aux temps tl et t2, correspondant aux réflexions sur les réflecteurs 38 et 39. Le temps t1 qui cor-respond à la propagation sur la distance dl, dépend de la température et de la déformation de la membrane due à la pression. Le temps t2-tl est lié au trajet d2 et est uniquement sensible à la température. On peut ainsi déduire la tempéra- ture puis la pression. Une couche piézoélectrique en nitrure d'aluminium peut par exemple être utilisée et offre l'avantage de conserver ses propriétés piézoélectriques à très haute température, à savoir plus de 1000 C. Une telle structure de capteur trouve par exemple des applications dans des bougies de préchauffage pour moteur en particulier Diesel de véhicule automobile. On sait que dans le domaine automobile, et plus particulièrement pour les moteurs Diesel, la mesure des paramètres de combustion comme la pression et la température apparaît de plus en plus nécessaire pour optimiser le fonction- nement des moteurs afin de réduire la consommation et la pollution. Mais l'environnement de la chambre de combustion est très agressif avec une température de l'ordre de 1000 C et une pression pouvant aller jusqu'à 200 bars. La structure de capteur selon l'invention est particulièrement bien adaptée pour ce type d'application. Une telle bougie est par exemple illustrée sur la figure 6 et est désignée par la référence générale 40. Elle comporte un fil de chauffe désigné par la référence générale 41 raccordé par un conducteur électrique à des moyens d'alimentation, le conducteur électrique étant désigné par la référence générale 42. L'élément sensible est désigné par la référence générale 43 et le circuit de raccordement est désigné par la référence générale 44. Ainsi, l'élément sensible placé sur le crayon de la bougie est en contact direct avec les paramètres à mesurer de la chambre de combustion, tels que par exemple la température, la pression ou autres. Cet élément sensible est donc placé dans les conditions sévères. Le circuit de raccordement avec la partie électronique de traitement peut être implanté à l'intérieur de la bougie à l'extrémité correspondante de celui-ci, c'est-à-dire dans une zone refroidie par la culasse. La communication entre les deux éléments est assurée par radiofréquence. Les ondes ainsi créées sont confinées à l'intérieur de la bougie qui est métallique et ne génèrent aucun problème de compatibilité électromagnétique. Ainsi, la bougie peut être définie en quatre zones distinctes, à savoir une zone froide désignée par la référence générale 45, une zone de joint désignée par la référence générale 46, une zone d'implantation de l'élément sensible désignée par la référence générale 47 et une zone de chauffe désignée par la référence générale 48. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. Ainsi par exemple, il est possible de regrouper plusieurs capteurs sur un même élément sensible comme par exemple un capteur de pression, un capteur de température, etc.. Ceci permet alors de réduire le coût en utilisant un dispositif de télécommunication et/ou de téléalimentation mutualisé. Ceci permet également par exemple de corriger certaines dérives de l'élément sensible. C'est par exemple le cas pour une combinaison de capteurs de pression et de température, par une correction de la dérive en température. On peut aussi envisager l'utilisation ou la combinaison avec un capteur sensible à un gaz, pour permettre par exemple la mesure de la richesse en oxygène à l'intérieur de la chambre de combustion. On peut encore envisager l'utilisation ou la combinaison avec un capteur sensible à une vibration, accélération ou choc, pour permettre par exemple de surveiller le déroulement de la combustion. Un élément sensible à deux ou plusieurs grandeurs parmi tempéra-5 ture, pression, gaz, vibration, accélération ou choc, peut également être envisa- gé. Bien entendu, différents types de dispositifs de télécommunications radiofréquences peuvent être envisagés. REVENDICATIONS 1. Structure de capteur notamment pour un environnement sévère dans un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps de capteur (1) comportant à une extrémité, un élément (2) sensible à la grandeur à mesurer dans l'environnement sévère et à une autre extrémité, un circuit (3) de raccordement de celui-ci, placé hors de l'environnement sévère, séparés physiquement l'un de l'autre, raccordés par des moyens de transmissions d'informations radiofréquences, et entre lesquels sont prévus des moyens (4) perméables aux informations, de protection du circuit de raccordement à l'encontre de l'environnement. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de transmission d'informations comportent en outre des moyens d'alimentation à distance de l'élément sensible (2) intégrés dans le circuit de raccordement (3). 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) comporte un circuit de type LC. 4. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) comporte un circuit de type RLC. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisée en ce que l'élément sensible (2) comporte un dispositif à ondes de surface ou de volume. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) comporte au moins un composant sensible à la grandeur à mesurer. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) est un élément sensible à la pression. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) est un élément sensible à la tempé- rature. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) est un élément sensible au gaz. 10. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) est un élément sensible aux vibrations, accélérations ou chocs. 11. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément sensible (2) est un élément sensible à deux ou plusieurs grandeurs parmi température, pression, gaz, vibration, accélération ou choc, etc. 12. Bougie de préchauffage pour moteur Diesel de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure de capteur selon l'une 10 quelconque des revendications précédentes.