Brevet FR2931554A1 — publié le 20091127

Domaine de l'invention La présente invention concerne un élément de capteur de gaz servant à déterminer au moins une propriété physique d'un gaz de mesure, notamment des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne comportant un corps de capteur, au moins un chemin électroconducteur intégré de manière isolée dans le corps de capteur et au moins un contact traversant réalisé à l'aide d'une matière électroconductrice, et reliant la surface supérieure du corps au chemin conducteur. Etat de la technique Un élément de capteur connu (DE 199 37 163 Al) pour une sonde Lambda comporte une couche de support appelée film chauffant en oxyde de zirconium. Cette couche est appliquée par sérigraphie sur une couche inférieure d'isolation en une matière électro- isolante. Une installation de chauffage électrique sous la forme d'un chemin résistant à tracé en méandre est appliquée sur la couche d'isolation ainsi que deux chemins électroconducteurs formant les lignes d'alimentation du chemin résistant. Le chemin résistant et les bandes conductrices sont couvertes par une couche d'isolation supérieure. Les chemins conducteurs sont reliés par des contacts traversant réalisés dans le film chauffant et dans la couche d'isolation inférieure ils sont reliés à des contacts de branchement appliqués sur la surface extérieure du film chauffant. Un canal d'air de référence est réalisé dans un film d'air de référence en oxyde de zirconium couvrant la couche d'isolation supérieure. Une électrode de référence avec une ligne d'alimentation en forme de chemin conducteur est réalisée dans le canal d'air de référence. L'électrode de référence avec le chemin conducteur d'alimentation ainsi qu'une électrode extérieure avec une ligne d'alimentation, sont installés sur les faces opposées d'un film de capteur en oxyde de zirconium, couvrant le film du canal de référence. Le chemin conducteur relié à l'électrode de référence, est relié par un contact traversant le film de capteur à un contact de branchement réalisé sur la surface du film de capteur. 2 Exposé de l'invention L'élément de capteur selon l'invention est caractérisé en ce que la matière électroconductrice est logée à l'intérieur d'un corps isolant placé dans un orifice réalisé dans le corps de capteur et arrivant jusqu'au chemin conducteur. Selon l'invention, l'élément de capteur peut se réaliser selon une fabrication économique avec un contact traversant, isolé électriquement de manière fiable vis-à-vis du corps en céramique. La propriété de la matière du corps du capteur à base d'oxyde de zirconium devenant électroconducteur à températures élevées n'engendre pas des courants électriques parasites qui seraient liés au contact traversant de sorte que même aux températures élevées, la précision de la mesure et l'aptitude au fonctionnement de l'élément de capteur restent conservées. Pour des éléments de capteur qui doivent être courts dans les capteurs de gaz d'échappement, cette solution est particulièrement avantageuse car la zone du corps de capteur avec le contact traversant est exposée à des températures très élevées à proximité immédiate des gaz d'échappement chauds. Suivant une autre caractéristique avantageuse : le corps isolant est pressé dans l'orifice ; au moins un orifice est poinçonné dans le corps de capteur ; la matière électroconductrice remplit au moins partiellement, et de préférence totalement, un corps isolant logé dans le perçage ; le corps de capteur est réalisé en un électrolyte solide de préférence de l'oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium, au moins dans la zone du contact traversant ; le corps de capteur comporte plusieurs couches de substrat dont au moins une forme une couche de support pour au moins un chemin conducteur, et au moins un contact traversant traverse la couche de support et les chemins conducteurs forment des surfaces de couche, opposées à la surface du corps de capteur ; la couche de support est munie sur sa surface, de deux chemins conducteurs de chauffage avec un tracé en méandre formant un chemin électrique résistant et dans la couche de support il y a chaque fois deux contacts traversant arrivant à chaque chemin conducteur, ces contacts 3 traversant étant munis de contacts de branchement installés sur la surface supérieure extérieure de la couche de support ; la couche de support est un film d'électrolyte solide en oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium. L'invention concerne également un procédé de fabrication du contact traversant dans l'élément de capteur, ce procédé étant caractérisé en ce que lorsque la couche de support est encore à l'état non cuit, on réalise au moins un trou traversant la couche de support, dans au moins un trou, on introduit un corps isolant en matière électro-isolante, et dans le corps isolant, on réalise un perçage qui le traverse et on remplit le perçage d'une pâte de matière électroconductrice. Ce procédé est économique et du point de vue de la fabrication, il s'intègre simplement dans le procédé de fabrication de l'élément de capteur. Il conduit à un résultat de travail reproductible de bonne qualité avec un rebut négligeable. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue éclatée schématique d'un élément de capteur pour une sonde planaire à variation brusque, la figure 2 montre un détail en vue de dessous de l'élément de capteur dans la direction de la flèche II de la figure 1 avec des contacts de branchement pour un moyen de chauffage électrique intégré à l'élément de capteur, les figures 3 à 9 montrent l'illustration de différentes étapes du procédé de fabrication des contacts traversant entre les contacts de branchement et le dispositif de chauffage. Description de modes de réalisation de l'invention L'élément de capteur représenté figure 1 pour une sonde planaire à variation brusque ou à basculement ou sonde À = 1 servant à déterminer la concentration en oxygène contenu dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne constitue un exemple de réalisation d'un élément de capteur pour un capteur de gaz au sens 4 général servant à déterminer une propriété physique d'un gaz de mesure. Comme autres exemples de réalisation, il y a des capteurs de gaz servant à déterminer la concentration des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement, les capteurs de noir de fumée pour déterminer la charge de noir de fumée des gaz d'échappement et des capteurs de température pour déterminer la température des gaz d'échappement. L'élément de capteur pour de tels capteurs de gaz comporte en général un corps de capteur 10 intégrant de manière isolée électriquement au moins un chemin électroconducteur. Ce chemin électroconducteur est relié par un contact traversant réalisé en une matière électroconductrice, à un contact de branchement installé à la surface du corps. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le corps de capteur 1 se compose de deux couches de substrat 11, 12. Chaque couche de substrat 11, 12 est un électrolyte solide conducteur d'ions d'oxygène, de préférence de l'oxyde de zirconium. Cette électrode se présente sous la forme d'un film. La première couche de substrat 11 qui est la couche supérieure sur la figure 1, constitue une couche de support pour une cellule de Nernst ou cellule de mesure et des contacts de branchement et des lignes d'alimentation pour cette cellule. Sur la surface extérieure de la première couche de substrat 11, constituant le côté extérieur du corps de capteur 10, il y a une électrode extérieure 14. Cette électrode est reliée par un chemin conducteur 13 à un premier contact de branchement 15. L'électrode extérieure 14 est couverte par une couche protectrice poreuse 16, par exemple en aluminium. Un chemin conducteur 13 est imprimé sur une couche d'isolation 17. La surface intérieure porte, à l'opposé de la surface extérieure de la première couche de substrat, une électrode de référence 18 avec un canal de gaz de référence 19. Ces électrodes sont habituellement imprimées sur la couche de substrat. En outre, sur la surface supérieure intérieure de la première couche de substrat 11, on a imprimé un second chemin conducteur 20 relié à l'électrode de référence 18. Ce chemin conducteur réalisé sur une couche d'isolation est relié par un premier contact traversant 21 qui traverse la première couche de substrat 11 à un second contact de branchement 21 installé sur la face supérieure extérieure de la première couche de substrat 11. La seconde couche de substrat 12, inférieure, selon la figure 1, forme une couche de support pour un dispositif de chauffage 5 électrique 25 avec les contacts de branchement et les lignes d'alimentation pour ce dispositif. Sur la surface intérieure de la seconde couche de substrat 12 à l'intérieur du corps de capteur 10, on a une couche d'isolation inférieure 23. Entre cette couche d'isolation 23 et une couche d'isolation supérieure 24 reposant sur celle-ci, se trouve le dispositif de chauffage électrique 25 qui est imprimé sur la couche d'isolation 24. Le dispositif de chauffage électrique 25 comporte un chemin résistant électrique 26 avec un tracé en méandre comme dispositif de chauffage. Ce chemin résistant est situé à l'intérieur du corps de capteur 10 au niveau de l'électrode de référence 18 et de l'électrode extérieure 14. Deux chemins conducteurs 27, 28 parallèles, reliés au chemin résistant 26, forment les lignes d'alimentation du chemin résistant 26. Les extrémités des chemins conducteurs 27, 28 non situées du côté du chemin résistant 26, sont reliées chacune par un contact traversant 29, 30 passant dans la couche d'isolation inférieure 23 et la seconde couche de substrat 12 pour être reliées respectivement à un contact de branchement 31, 32. Les deux contacts de branchement 31, 32 sont prévus sur la surface extérieure de la seconde couche de substrat 12 qui forme l'autre face du corps de capteur 10 (figures 2 et 9). Chacun des contacts traversant 21, 29, 30 du corps de capteur 10 est formé d'un corps isolant 33 en matière électro-isolante et d'un chemin en une matière électroconductrice 36 telle que par exemple du platine qui traverse l'intérieur du corps isolant 33. Le corps isolant 33 comporte à cet effet de préférence en son milieu, un perçage 34 rempli de matière électroconductrice 36. La matière électroconductrice 36 peut ainsi remplir toute la section du perçage 34 mais aussi n'y être constituée que par une couche appliquée sur la paroi du perçage. Dans chaque cas, la matière électroconductrice 36 occupe de manière continue toute la longueur du perçage 34. Le corps isolant 33 est logé dans un orifice 35 réservé dans le corps de capteur 10, plus 6 précisément dans la première couche de substrat 11 ou la seconde couche de substrat 12 ; l'orifice 35 est de préférence réalisé par exemple par poinçonnage. Le procédé de fabrication des contacts traversant sera décrit ci-après pour les contacts traversant 29, 30 des chemins conducteurs 27, 28 du dispositif de chauffage électrique 25 à l'aide des figures 3 à 9. La figure 3 ainsi que les figures 5 à 9 montrent chacune un segment d'extrémité (représenté en perspective) de la seconde couche de substrat 12 qui forme respectivement un segment d'extrémité de la seconde couche de substrat 12 formant le moyen de chauffage électrique. A l'état non cuit, la couche de substrat 12 qui se présente de préférence sous la forme d'un film d'électrolyte solide non cuit, permet de réaliser pour chaque contact traversant 29, 30, un orifice 35 qui traverse complètement la couche de substrat 12; de préférence, ce trou est réalisé avec un poinçon (figure 3). Les corps isolants 33 représentés figure 4 sont des ébauches d'emboutissage ayant un diamètre extérieur adapté au diamètre de l'orifice 35 et une hauteur axiale correspondant à l'épaisseur de la couche de substrat 12. Les corps isolants 33 sont logés fermement dans chacun des deux trous 35 ; de préférence, ils y sont pressés (figure 5). Sur la surface de la seconde couche de substrat 12, on applique la couche d'isolation 23 inférieure et de préférence, on procède par impression (figure 6). Dans chaque corps isolant 33, on réalise le perçage 34 qui traverse également la couche d'isolation inférieure 23 (figure 7). Le perçage 34 est rempli d'une matière électroconductrice 36 mise en place de préférence à l'état de pâte métallique (figure 8). Sur la couche d'isolation inférieure 23, on imprime le chemin résistant 26 avec les bandes conductrices 27, 28 là où les chemins conducteurs 27, 28 sont au contact du remplissage métallique du perçage 34 (figure 9). La seconde couche de substrat 12 ainsi préparée et encore occupée par les contacts de branchement 31, 32 sera frittée comme décrit ci-dessus avec la première couche de substrat 11 pour obtenir le corps de capteur 10 selon la figure 1. Puis, on effectue le frittage du corps de capteur 10. REVENDICATIONS1 °) Elément de capteur de gaz servant à déterminer au moins une propriété physique d'un gaz de mesure, notamment des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne comportant un corps de capteur (10), au moins un chemin électroconducteur (20, 27, 28) intégré de manière isolée dans le corps de capteur (10) et au moins un contact traversant (21, 29, 30) réalisé à l'aide d'une matière électroconductrice (36), et reliant la surface supérieure du corps au chemin conducteur (13, 27, 28), caractérisé en ce que la matière électroconductrice (36) est logée à l'intérieur d'un corps isolant (33) placé dans un orifice (35) réalisé dans le corps de capteur (10) et arrivant jusqu'au chemin conducteur (20, 27, 28). 2°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps isolant (33) est pressé dans l'orifice (35). 3°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un orifice (35) est poinçonné dans le corps de capteur (10). 4°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière électroconductrice (36) remplit au moins partiellement, et de préférence totalement, un corps isolant (33) logé dans le perçage (34). 5°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de capteur (10) est réalisé en un électrolyte solide de préférence de l'oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium, au moins dans la zone du contact traversant (21, 29, 30). 6°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 8 le corps de capteur (10) comporte plusieurs couches de substrat (11, 12) dont au moins une forme une couche de support pour au moins un chemin conducteur (20, 27, 28), et au moins un contact traversant (21, 29, 30) traverse la couche de support et les chemins conducteurs (20, 27, 28) forment des surfaces de couche, opposées à la surface du corps de capteur (10). 7°) Elément de capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de support est munie sur sa surface, de deux chemins conducteurs (27, 28) de chauffage avec un tracé en méandre formant un chemin électrique résistant (26) et, dans la couche de support, il y a chaque fois deux contacts traversant (29, 30) arrivant à chaque chemin conducteur (27, 28), ces contacts traversant étant munis de contacts de branchement (31, 32) installés sur la surface supérieure extérieure de la couche de support. 8°) Elément de capteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la couche de support est un film d'électrolyte solide en oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium. 9°) Procédé de fabrication d'au moins un contact traversant (29, 30) pour au moins un chemin conducteur (27, 28) intégré dans une isolation électrique (23, 24), dans un corps de capteur (10) comportant au moins une couche de support (12) occupée par au moins par un chemin conducteur (27,28), avec un élément de capteur pour un capteur de gaz servant à déterminer au moins une propriété physique d'un gaz de mesure, notamment des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que lorsque la couche de support est encore à l'état non cuit, on réalise au moins un trou (35) traversant la couche de support, dans au moins un trou (35), on introduit un corps isolant (33) en matière électro-isolante, et 9 dans le corps isolant (33), on réalise un perçage (34) qui le traverse et on remplit le perçage (34) d'une pâte de matière électroconductrice (36). 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en qu' avant de réaliser le perçage (34) dans au moins un corps isolant (33), on applique une couche d'isolation (23) sur la surface de la couche de support, cette couche d'isolation étant traversée par le perçage (34). lo