Brevet FR2887985A1 — publié le 20070105

Domaine de l'invention La présente invention concerne un module de capteur ou module de capteur spectroscopique pour mesurer au moins une con-centration de gaz d'un gaz de mesure ou d'un mélange gazeux. Etat de la technique De tels modules de capteurs émettent un rayonnement infrarouge à l'aide d'une source de rayonnement infrarouge pour absorber ce rayonnement de nouveau en aval d'un chemin de mesure dans un capteur infrarouge, par exemple en forme de capteur thermopile. Les gaz de la chambre de mesure absorbent le rayonnement infrarouge dans des plages de longueurs d'ondes spécifiques si bien que le rayonnement infrarouge détecté par le capteur de rayonnement infrarouge permet de déterminer la concentration en gaz d'au moins un gaz. Pour cela, le capteur infrarouge détecte avantageusement l'intensité du rayonnement dans une plage de mesure et dans une plage de référence pour permettre d'évaluer la concentration du gaz concerné à partir de la comparaison des intensités mesurées. Le capteur infrarouge peut également avoir plusieurs plages de mesure sensibles ou canaux de mesure pour déterminer plusieurs gaz distincts. Pour obtenir un signal suffisamment intense on conduit le rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement infra-rouge, habituellement sur un chemin de mesure suffisamment grand et pour cela il faut utiliser des constructions particulières. De telles constructions sont toutefois en général très compliquées et engendrent des coûts supplémentaires. En outre, ces constructions ne peuvent en général pas être très fortement sollicitées du point de vue mécanique, ce qui limite leur application en particulier au domaine automobile. Les modules de capteurs habituels sont en partie composés d'un boîtier en plusieurs pièces, par exemple en matière plastique, logeant comme substrat en général une plaque de circuit imprimé portant la source de rayonnement infrarouge et le capteur. La plaque de circuit imprimé, équipée, est ensuite placée dans le boîtier que l'on ferme avec un couvercle. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un module de capteur du type défini ci-dessus, comportant: - un substrat hybride muni d'un socle en un métal et au moins une autre couche de substrat avec une face supérieure de substrat, - une source de rayonnement fixée sur la face supérieure du substrat, - un élément de capteur fixé sur la face supérieure du substrat pour détecter le rayonnement et - un couvercle en métal fixé sur le socle, ce couvercle ayant sur son côté intérieur une zone réfléchissant le rayonnement, dans lequel - une chambre de mesure est formée entre le couvercle et le substrat hybride pour recevoir un gaz ou un mélange gazeux à mesurer, et - l'élément de capteur est installé de façon à détecter le rayonnement émis par la source de rayonnement dans la chambre de mesure et ensuite réfléchi par la zone réfléchissante. Ainsi, selon l'invention, le module de capteur comporte un substrat hybride et un couvercle placé sur le substrat. Ce couvercle est en métal, de préférence en acier, et sert en même temps de réflec- teur. L'utilisation d'un substrat hybride à la place d'une ou plusieurs plaques de circuit se traduit de manière générale par un moindre encombrement de surface, en particulier une dimension latérale réduite. Les coûts de fabrication sont de ce fait faibles. La face inférieure du substrat hybride comporte un socle en métal, par exemple en acier, re- cevant directement le couvercle métallique formant réflecteur. Ainsi, dans toutes les directions (à savoir du fait du couvercle métallique vers le haut et vers les côtés et du fait du socle, vers le bas) on aura une protection continue, poussée, contre le rayonnement électromagnétique. En outre, le couvercle métallique et le socle métallique permettent la réalisation d'une construction compacte et stable. Le couvercle est soudé avantageusement sur le socle métallique du substrat hybride. Ainsi, on aura une liaison très résistante, étanche et en particulier résistant dans une plage de température élevée. Le couvercle du module de capteur peut être revêtu dans sa zone de réflexion intérieure en fonction de l'intensité lumineuse sou- haitée et/ou être formé pour assurer un effet de focalisation ou de regroupement de manière à augmenter l'intensité lumineuse arrivant sur le capteur ou l'élément de capteur. Le capteur selon l'invention, en particulier un capteur infrarouge peut notamment être réalisé sous la forme d'un élément de capteur à effet de thermopile comportant une plaquette de silicium avec une membrane sous laquelle est gravée une cavité et qui porte par exemple une structure de thermopile formée de chemins conducteurs en contact et ayant des coefficients de Seebeck, différents, par exemple en polysilicium et en métal. La structure de thermopile porte une couche absorbante d'un rayonnement, notamment d'un rayonnement infra-rouge, par exemple un sel de métal qui chauffe en absorbant le rayonnement, notamment le rayonnement infrarouge, et produit ainsi une tension de structure de thermopile. La plage des longueurs d'ondes sélectionnées pour la mesure est réalisée ainsi par un filtre de rayonnement, notamment un filtre de rayonnement infrarouge au-dessus de la structure de thermopile et la couche absorbante de la plaquette de filtre de structure correspondante est par exemple collée sur l'élément de capteur. L'élément de capteur peut être avantageusement formé avec deux canaux, c'est-à-dire un canal de mesure pour le gaz concerné, notamment CO2 et un canal de référence. Le capteur ou capteur infra-rouge est ainsi avantageusement réalisé sous la forme d'un empilage de plaquettes formé d'une plaquette de capteur, d'une plaquette de couverture pour couvrir la structure de mesure et d'une plaquette portant le filtre. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une section selon la ligne de coupe A-A d'un module de capteur selon l'invention représenté à la figure 2, et - la figure 2 est une coupe horizontale selon la ligne B-B de la figure 1. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention Un module de capteur 1 comporte un substrat hybride 2 portant un couvercle 4 en métal, de préférence en acier. Le substrat hy- bride 2 est muni d'un socle en métal 2.1, de préférence en acier et d'au moins une couche de céramique 2.4 fixée au socle en métal 2.1 par une couche d'adhésif 2.3; on peut également prévoir deux couches de céramique 2.4, 2. 6 collées à l'aide d'une couche supplémentaire de colle 2.5. La face supérieure 2.8 du substrat ainsi garni peut être formée au- dessus des couches de céramique 2.4 ou 2.6. La face supérieure 2.8 du substrat comporte entre autre une source de rayonnement infrarouge IR-6, de préférence une spire incandescente à faible courant et un élément de capteur infrarouge 7, écarté latéralement. En complément, on a d'autres composants 8, 9, par exemple un microprocesseur 8 et le cas échéant un circuit ASIC 9 pour exploiter les signaux des messages. Le couvercle 4 s'applique par son bord extérieur 4. 1 sur la surface périphérique 2.2 du socle en métal 2.1 auquel le bord est relié par une soudure 10. Une chambre de mesure 12 est formée entre le couvercle 4 et le côté supérieur garni 2.8 du substrat. La chambre de mesure reçoit le gaz à mesurer ou le mélange gazeux à mesurer. Le rayonnement infrarouge émis dans la chambre de mesure 12 par la source de rayonnement infrarouge IR-6, est reçu en partie directement par l'élément de capteur infrarouge 7 et en partie par une zone réfléchissante 4.2 qui revoie le rayonnement par la face intérieure du couvercle 4 pour qu'il traverse de nouveau la chambre de mesure 12 et tombe sur l'élément de capteur infrarouge 7. De façon avantageuse, la zone réfléchissante 4.2 du couvercle 4 crée un effet de focalisation de regroupement des rayon- nements de manière à augmenter l'intensité du rayonnement arrivant sur l'élément de capteur infrarouge 7. La zone réfléchissante 4.2 du côté intérieur du couvercle 4 peut ne pas comporter de revêtement ou être munie d'un revêtement complémentaire. Selon l'invention, on obtient ainsi une chambre de mesure 12 plus grande, que traverse le rayonne- ment infrarouge IR pour obtenir un signal plus intense ou un signal ayant un rapport signal/bruit plus important. Le couvercle 4 comporte avantageusement des orifices de ventilation 14 pour l'échange des gaz entre la chambre de mesure 12 et une chambre extérieure. Le contact du module de capteur 1 avec l'extérieur peut se faire par des lignes 16 qui partent du côté supérieur du substrat 2.8 en traversant les couches de céramique 2.4, 2.6 et les passages de gaz 17 à travers le socle 2.1 pour réaliser le contact avec la face inférieure du module de capteur 1. REVENDICATIONS 1 ) Module de capteur comportant: - un substrat hybride (2) muni d'un socle (2.1) en un métal et au moins une autre couche de substrat (2.4, 2. 6) avec une face supé- rieure de substrat (2.8), - une source de rayonnement (6) fixée sur la face supérieure (2.8) du substrat, - un élément de capteur (7) fixé sur la face supérieure (2.8) du substrat pour détecter le rayonnement et - un couvercle (4) en métal fixé sur le socle (2.1), ce couvercle ayant sur son côté intérieur une zone (4.2) réfléchissant le rayonnement, dans lequel - une chambre de mesure (12) est formée entre le couvercle (4) et le substrat hybride (2) pour recevoir un gaz ou un mélange gazeux à mesurer, et - l'élément de capteur (7) est installé de façon à détecter le rayonne-ment émis par la source de rayonnement (6) dans la chambre de me-sure (12) et ensuite réfléchi par la zone réfléchissante (4.2). 2 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que - la source de rayonnement est une source de rayonnement infra-rouge, l'élément de capteur est un élément de capteur infrarouge pour dé-tecter le rayonnement infrarouge, et - le couvercle (4) comporte su son côté intérieur une zone (4.2) réfléchissant le rayonnement infrarouge. 3 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur de rayonnement infrarouge (7) détecte également le rayonnement émis directement par la source de rayonnement (6). 4 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (4) et le socle (2.1) sont fabriqués dans le même métal, par exemple de l'acier. 5 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une surface de bord extérieur latéral (2.2) est réalisée dans le socle (2.1) et le couvercle est fixé à cette surface par son bord extérieur latéral (4.1). 6 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (4) est soudé au substrat par une liaison soudée (10). 7 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (4) comporte des orifices de ventilation (14) pour réaliser l'échange de gaz entre la chambre de mesure (12) et une chambre extérieure. 8 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une couche de substrat (2.4, 2.6) prévue sur le socle (2.1) est en céramique. 9 ) Module de capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de substrat en céramique (2.4) est fixée au socle (2.1) par une couche de colle (2.3). 10 ) Module de capteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le socle (2.1) porte plusieurs couches de substrat (2.4, 2.6) en une ou plusieurs céramiques reliées entre elles. 11 ) Module de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des lignes de contact (16) traversent le socle (2.1) à partir du côté supérieur du substrat (2.8) en passant par au moins une autre couche de substrat (2.4, 2.6) et par des passages isolants (17).