Brevet FR2919928A1 — publié le 20090213

-1- CAPTEUR POUR GAZ ET PROCEDE DE DETECTION DE CONSTITUANTS GAZEUX DANS UN MELANGE ET/OU DE MESURE DES CONCENTRATIONS RESPECTIVES DE CES CONSTITUANTS DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la détection de constituants gazeux dans un mélange, tel qu'un gaz d'échappement en sortie d'un moteur à combustion interne, et de la mesure de la concentration de tels constituants, qui peuvent notamment être du monoxyde de carbone ou des oxydes d'azote, ou bien encore d'autres polluants nocifs pour la santé et/ou pour l'environnement. Plus précisément, l'invention concerne un capteur pour gaz, ainsi qu'un procédé de détection de deux constituants gazeux dans un mélange et/ou de mesure des concentrations respectives de ces deux constituants. TECHNIQUES ANTERIEURES : La détermination en continu de concentrations à l'intérieur des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique peut servir pour le contrôle du fonctionnement correct de ce moteur et des systèmes de post-traitement prévus pour dépolluer les gaz d'échappement, ainsi que pour le pilotage de ces systèmes de post-traitement. Il existe des capteurs capables d'effectuer la mesure en continu d'une concentration dans un gaz d'échappement et, en même temps, de résister à la température élevée, aux surpressions et aux autres spécificités caractéristiques des conditions difficiles régnant au sein d'une ligne d'échappement associée à un moteur thermique d'un véhicule. Toutefois, chacun de ces capteurs ne peut détecter et mesurer la concentration que d'un seul gaz en même temps. Aussi, il faudrait en disposer autant qu'il y a de constituants gazeux que l'on souhaite détecter et/ou dont on veut mesurer les concentrations. Cependant, la solution consistant à équiper une ligne d'échappement d'un véhicule routier de plusieurs capteurs n'est guère envisageable du fait des architectures actuelles de ces lignes d'échappement, qui sont très compliquées et qui ne laissent que très peu de place pour des accessoires annexes. - 2 C'est pourquoi la concentration des constituants gazeux des gaz d'échappement produits par les véhicules à moteur thermique n'est actuellement pas mesurée directement. A l'heure actuelle, des indications relatives à ces concentrations sont, dans le meilleur des cas, déduites de mesures de température et de pression. Elles sont donc imprécises. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a au moins pour but de permettre une mesure de plusieurs constituants 10 gazeux d'un mélange dans des conditions d'utilisation difficiles, notamment en termes de place disponible pour des accessoires de mesure. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un capteur pour gaz, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément sensible qui réagit essentiellement à un premier 15 constituant gazeux lorsque cet élément sensible est à une première température et qui réagit essentiellement à un deuxième constituant gazeux lorsque cet élément sensible est à une deuxième température différente de la première température, ainsi qu'un dispositif de chauffage de l'élément sensible. 20 D'autres caractéristiques avantageuses de ce capteur peuvent être que : ^ l'élément sensible est à base d'un oxyde métallique ; ^ l'élément sensible est à base de dioxyde d'étain (SnO2) ; ^ il comporte un substrat qui porte l'élément sensible et que le dispositif de chauffage est à même de faire chauffer au moins au voisinage de l'élément 25 sensible ; ^ le dispositif de chauffage comporte une résistance portée par le substrat ; ^ le substrat possède des première et deuxième faces opposées, l'élément sensible et la résistance se trouvant respectivement sur ladite première face et sur ladite deuxième face ; 30 ^ le substrat est à base d'alumine ; ^ ce capteur comprend : - un deuxième élément sensible qui réagit essentiellement au premier constituant gazeux lorsque ce deuxième élément sensible est à la première -3- température et qui réagit essentiellement au deuxième constituant gazeux lorsque le deuxième élément est à la deuxième température, - des moyens de régulation de la température du premier élément sensible autour de ladite première température et de la température du deuxième élément sensible autour de ladite deuxième température. L'invention a également pour objet un procédé de détection au moins de premier et deuxième constituants gazeux dans un mélange gazeux et/ou de mesure des concentrations respectives de ces premier et deuxième constituants gazeux, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en utilisant un capteur tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé de détection et/ou de mesure peuvent être que : ^ on mesure la concentration du premier constituant gazeux à l'aide du premier élément sensible dont la température est régulée autour de ladite première température et on mesure la concentration du deuxième constituant gazeux à l'aide du deuxième élément sensible dont la température est régulée autour de ladite deuxième température ; ^ on mesure la concentration du premier constituant gazeux à l'aide de l'élément sensible dont la température est régulée autour de la première température, puis on modifie la température de l'élément sensible, puis on mesure la concentration du deuxième constituant gazeux à l'aide de l'élément sensible dont la température est régulée autour de ladite deuxième température ; ^ le premier et le deuxième constituant gazeux sont respectivement un oxyde d'azote (NOX) et du monoxyde de carbone (CO) ; ^ la première température est comprise entre 250 C et 400 C, la deuxième température étant supérieure à 400 C. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 est une vue schématique, en perspective, d'un capteur pour gaz conforme à l'invention ; -4- la figure 2 est une vue en plan d'un capteur élémentaire constitutif du capteur pour gaz de la figure 1; les figure 3 à 5 sont des vues en plan, schématiques, qui illustrent trois étapes successives de la fabrication de dix exemplaires du capteur élémentaire de la figure 2 ; les figures 6 à 8 sont des vues en plan, schématiques, qui représentent les mêmes capteurs en cours de fabrication que les figures 3 à 5, sur lesquelles la face visible de ces dix exemplaires de capteur élémentaire est la face opposée à celle visible à ces figures 3 à 5 et qui illustrent trois autres étapes successives de la fabrication des dix exemplaires de capteur élémentaire ; la figure 9 est une représentation graphique de la sensibilité du capteur élémentaire de la figure 2 au dioxyde d'azote (NO2) en fonction de sa température au niveau de la zone effectuant la mesure ; et la figure 10 est une représentation graphique de la sensibilité du capteur de la figure 2 au monoxyde de carbone (CO) en fonction de sa température au niveau de la zone effectuant la mesure. MANIERE POSSIBLE DE REALISER L'INVENTION Sur la figure 1 est représenté un capteur pour gaz 1, dans lequel deux capteurs élémentaires 2a et 2b identiques sont reliés à un dispositif électronique de contrôle et de commande 3. Chaque capteur élémentaire 2a ou 2b comprend un substrat en alumine 4, qui est allongé et qui a globalement la forme d'une barrette parallélépipédique ayant deux faces principales et opposées 5 et 6. Dans l'exemple représenté, la face 5 et la face 6 sont respectivement tournées vers l'extérieur et vers l'intérieur. Il peut toutefois en être autrement. Par exemple, la face 5 peut être une face intérieure et la face 6 peut être une face extérieure. A proximité d'une extrémité 7 du substrat 4, la face 5 porte un élément sensible 8 transversal en dioxyde d'étain (SnO2). La face 5 porte également deux pistes longitudinales de raccordement électrique 9, qui sont connectées à l'élément sensible 8, à distance l'une de l'autre, chacune par l'intermédiaire d'une électrode 20. A l'opposé de -5l'élément sensible 8, la face 5 est pourvue de deux bornes de connexion électrique 10, dont chacune est connectée à une piste 9. Ainsi qu'on peut le voir à la figure 2, la face 6 du substrat 4 porte une résistance électrique de chauffage 12, qui est faite de platine et qui se trouve à proximité d'une extrémité 11 de cette face 6, sensiblement au même niveau que l'élément sensible 8 le long du substrat 4. Toujours du côté de la face 6, chaque extrémité de cette résistance 12 est raccordée électriquement par l'une de deux pistes longitudinales 13 semblables aux pistes 9, à l'une de deux bornes de connexion 14. Ainsi qu'on peut le voir à la figure 1, chacune des bornes 10 et 14 est raccordée électriquement par un fil conducteur 15 au dispositif électronique 3. Les figures 3 à 8 illustrent plusieurs étapes successives de fabrication de dix exemplaires identiques d'un capteur élémentaire 2a ou 2b, à partir d'une plaque en alumine 16 destinée à être découpée selon les lignes L, en dix barrettes 4. La première étape de fabrication de plusieurs capteurs élémentaires 2a ou 2b consiste à déposer plusieurs résistances de chauffage 12 sur une face principale 17 de la plaque 16. Ensuite, cette plaque 16 fait l'objet d'un recuit à une température de 980 C pendant environ l Omn, après quoi la plaque 16 est telle qu'illustrée à la figure 3. Ensuite, plusieurs paires de pistes en or 13 sont déposées toujours sur la face principale 17, puis l'ensemble est exposé à un nouveau recuit effectué à une température 25 de 850 C, pendant environ lOmn. Sur la figure 4, les pistes 13 ont été déposées et il peut être procédé à l'opération suivante, qui consiste à recouvrir l'ensemble des résistances 12 d'une couche de protection en diélectrique 18 et à déposer les bornes 14 de manière que chacune d'entre 30 elles soit connectée électriquement à une piste 13. Ensuite, l'ensemble est de nouveau soumis à un recuit effectué pendant dix minutes, à une température de 850 C. -6- A la suite de ce recuit, les dépôts successifs sur la face principale 17 ont tous été effectués et la plaque 16 est telle qu'illustrée à la figure 5. Les étapes qui suivent concernent l'autre face principale 19 de la plaque 16, à savoir celle opposée à la face 17. La première d'entre elles consiste à déposer plusieurs paires de pistes en or 9 sur cette face principale 19, comme illustré à la figure 6. Ensuite, l'ensemble fait l'objet d'un recuit effectué pendant dix minutes à une température de 850 C. Lorsque cela a été effectué, des paires d'électrodes longitudinales 20 en or sont déposées sur la face principale 19 et plusieurs paires de bornes 10 sont implantées de manière que chacune d'elles soit connectée électriquement à une extrémité d'une piste 9. De nouveau, un recuit à une température de 850 C est effectué pendant dix minutes. La figure 7 illustre l'état d'achèvement de la face principale 19 une fois terminé ce recuit, qui est suivi du dépôt de deux bandes 21 de dioxyde d'étain (SnO2), comme sur la figure 8, c'est-à-dire de manière que chaque électrode 20 connecte électriquement une bande 21 à une piste 9. Chaque bande 21 est réalisée moyennant le dépôt d'une première couche de dioxyde d'étain, puis d'une deuxième couche de dioxyde d'étain sur la première couche lorsque cette première couche a séché. Lorsque la face principale 19 a été pourvue des deux bandes 21 de dioxyde d'étain, l'ensemble fait l'objet d'un recuit qui s'effectue pendant dix heures, à une température de 700 C ou de 900 C. Enfin, la plaque 16 est découpée en dix capteurs élémentaires 2a et/ou 2b, dont les éléments sensibles 8 proviennent de la segmentation des bandes 21. Les températures auxquelles s'effectuent les recuits évoqués précédemment sont 30 atteintes progressivement, à raison de 10 C par minute, à partir de la température ambiante qui peut être de l'ordre de 20 C.25 -7- Un capteur élémentaire 2a ou 2b permet de détecter deux constituants gazeux que l'on trouve dans les gaz d'échappement des moteurs à explosion et qui sont le dioxyde d'azote (NO2) et le monoxyde de carbone (CO). Pour ce faire, on utilise le phénomène selon lequel la résistance électrique d'un élément sensible 8 peut varier en présence de l'un de ces constituants gazeux. Cette résistance électrique est mesurée par le dispositif électronique 3, par l'intermédiaire des pistes 9 et des bornes 10. L'importance de sa variation dépend de plusieurs paramètres, dont la nature du matériau constitutif de l'élément sensible 8, la nature du constituant gazeux détecté et sa concentration. Elle dépend également de la température de l'élément sensible 8. Plus précisément, il a été découvert que, lorsqu'il est chauffé à une température TI d'environ 300 C, l'élément 8 d'un capteur élémentaire 2a ou 2b tel que décrit précédemment est très sensible au dioxyde d'azote (NO2) et pratiquement insensible au monoxyde de carbone (CO), alors que cet élément 8 chauffé à une température T2 d'environ 600 C est très sensible au monoxyde de carbone et pratiquement insensible au dioxyde d'azote. Ce qui précède ressort d'une comparaison des figures 9 et 10, qui sont des représentations graphiques de la variation relative de la résistance R de l'élément sensible 8 de résistance initiale Ro, en fonction de la température T du substrat 4 chauffé par effet Joule, au moyen de la résistance 12. Sur ces figures 9 et 10, chaque courbe a été obtenue pour une certaine concentration en dioxyde d'azote ou en monoxyde de carbone dans un mélange gazeux à 250 C. Les mêmes mesures que celles utilisées pour tracer les courbes des figures 9 et 10 ont été effectuées dans un mélange gazeux à 450 C et confirment le comportement exposé ci-dessus, tout en montrant une moindre sensibilité de l'élément 8 lorsqu'il est employé dans un mélange gazeux à 450 C par rapport au cas où il sert à effectuer une mesure dans un mélange gazeux à 250 C. Le fait que la sélectivité d'un élément sensible 8 varie en fonction de sa température est mis à profit dans le capteur 1, dont le dispositif électronique 3 régule différemment la -8- température des deux substrats 4, au voisinage des éléments sensibles 8, en jouant sur l'intensité du courant passant dans les résistances 12. Plus précisément, l'un de ces substrats 4 est maintenu à une température de l'ordre de 300 C, tandis que la température de l'autre substrat 4 est régulée autour de 600 C. La concentration en dioxyde d'azote et la concentration en monoxyde de carbone sont mesurées simultanément, respectivement par l'élément sensible 8 chauffé à 300 C et par l'élément sensible 8 chauffé à 600 C. Il s'ensuit que le capteur 1 est à même de mesurer en même temps une concentration en dioxyde d'azote et une concentration en monoxyde de carbone, alors que ses deux capteurs élémentaires 2a et 2b présentent ensemble un encombrement si réduit qu'on peut envisager sans difficulté de les installer sur une ligne d'échappement de véhicule automobile à moteur thermique. En variante, un même capteur élémentaire 2a ou 2b peut être utilisé pour mesurer successivement une teneur en dioxyde d'azote puis une concentration en monoxyde de carbone. Pour ce faire, la température de chauffage de son substrat 4 est tout d'abord régulée autour de 300 C, lors de quoi la mesure de concentration en dioxyde d'azote est effectuée. Ensuite, cette température est augmentée jusqu'à 600 C. Une mesure de la concentration en monoxyde de carbone est effectuée lorsque la température de chauffage T du substrat 4 est régulée autour de 600 C. REVENDICATIONS 1. Capteur pour gaz, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément sensible (8) qui réagit essentiellement à un premier constituant gazeux lorsque cet élément sensible (8) est à une première température (Ti) et qui réagit essentiellement à un deuxième constituant gazeux lorsque cet élément sensible (8) est à une deuxième température (T2) différente de la première température, ainsi qu'un dispositif (12,13,14) de chauffage de l'élément sensible (8). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément sensible (8) est à base d'un oxyde métallique. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément sensible (8) est à base de dioxyde d'étain (SnO2). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (4) qui porte l'élément sensible (8) et que le dispositif de chauffage (12, 13, 14) est à même de faire chauffer au moins au voisinage de l'élément sensible (8). 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comporte une résistance (12) portée par le substrat (4). 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat (4) possède des première et deuxième face opposées (5,6), l'élément sensible (8) et la résistance (12) se trouvant respectivement sur ladite première face (5) et sur ladite deuxième face (6). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le substrat (4) est à base d'alumine. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément sensible (8) est un premier élément sensible, le capteur comprenant :- 10 - un deuxième élément sensible (8) qui réagit essentiellement au premier constituant gazeux lorsque ce deuxième élément sensible (8) est à la première température (Ti) et qui réagit essentiellement au deuxième constituant gazeux lorsque le deuxième élément est à la deuxième température (T2), - des moyens (3, 12, 13, 14) de régulation de la température du premier élément sensible autour de ladite première température (Ti) et de la température du deuxième élément sensible autour de ladite deuxième température (T2). 9. Procédé de détection au moins de premier et deuxième constituants gazeux dans un mélange gazeux et/ou de mesure des concentrations respectives de ces premier et deuxième constituants gazeux, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en utilisant un capteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur est selon la revendication 8 et en ce que, dans ce procédé, on mesure la concentration du premier constituant gazeux à l'aide du premier élément sensible (8) dont la température est régulée autour de ladite première température (Ti) et on mesure la concentration du deuxième constituant gazeux à l'aide du deuxième élément sensible dont la température est régulée autour de ladite deuxième température (T2). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles : a) on mesure la concentration du premier constituant gazeux à l'aide de l'élément sensible (8) dont la température (T) est régulée autour de la première température (Ti), puis b) on modifie la température de l'élément sensible (8), puis c) on mesure la concentration du deuxième constituant gazeux à l'aide de l'élément sensible (8) dont la température (T) est régulée autour de ladite deuxième température (T2). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le capteur est selon la revendication 3, le premier et le deuxième constituants gazeux étant respectivement un oxyde d'azote (NOX) et du monoxyde de carbone (CO).30-11- 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première température (Ti) est comprise entre 250 C et 400 C, la deuxième température (T2) étant supérieure à 400 C.5