Brevet FR2933625A1 — publié le 20100115

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un dispositif comportant une cavité sous vide présentant une surface interne. Elle concerne également un senseur ou un capteur comportant un tel dispositif, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif. ETAT DE L'ART ANTERIEUR Comme le montrent les figures 1A et 1B, on connaît des senseurs 100, par exemple des senseurs vibrants, et des capteurs optiques 200, par exemple des capteurs infrarouges, comportant un dispositif 2, visible plus en détail sur la figure 2, comportant une cavité 20 sous vide. Les senseurs ou les capteurs connus présentent des inconvénients. On constate en effet dans le temps une baisse de la qualité du vide de la cavité 20, ce qui peut engendrer des baisses de performances. En effet, lorsque la cavité 20 comporte des impuretés 11, même sous forme gazeuse, ces dernières contribuent à une remontée de pression du système altérant les performances des senseurs. On constate que l'effet des impuretés est très vite néfaste et détériore fortement la durée de vie des senseurs ou des capteurs. En outre, les dispositifs 2 utilisés dans les capteurs ou les senseurs ont en général une cavité 20 de petit volume (de l'ordre de quelques cm), et le vide est poussé, à savoir de l'ordre de 10-6 mbar. L'impact de la pollution est donc d'autant plus important que le vide est poussé, car la moindre impureté 11 représente alors une pollution relativement importante. Les dispositifs 2 ne tolèrent ainsi que quelques dizaines de partie par million (ppm) de mbar (pression partielle) d'impuretés à l'état gazeux au sein de la cavité. Or la cavité, même hermétiquement fermée, n'est jamais totalement dépourvue d'ouvertures (défauts d'étanchéité) permettant l'entrée d'impuretés dans la cavité. De plus, il se produit dans la cavité un dégazage d'impuretés, c'est-à-dire une libération, sous forme gazeuse, d'impuretés initialement contenus dans les éléments formant la cavité 20. Afin de maintenir un taux d'impuretés faible dans la cavité, la figure 2 montre qu'une solution connue consiste à placer dans la cavité 20 un pompeur 30 d'impuretés (également appelé � getter � par l'homme de l'art) absorbant les impuretés. Le pompeur 30 se présente en général sous forme d'un alliage métallique. Le pompeur connu fixe les impuretés 11 par absorption (également appelée � chimisorption �). Comme le montre la figure 3, l'absorption s'effectue par création 32 de liaisons entre les impuretés 311 et la surface 301 du pompeur 30, notamment par transformation chimique : les impuretés absorbées 313 réagissent chimiquement, par exemple par des réactions 32 d'oxydation ou de dissociation moléculaire. Cependant, l'utilisation de ces getters 30 est limitée par des inconvénients majeurs des getters. Comme le montre la figure 3, les getters 30 n'arrivent pas à absorber certains composés chimiques 312, comme par exemple les hydrocarbures ou d'autres composés organiques. Or dans les cas d'utilisation d'un dispositif 2 dans un senseur ou un capteur embarqué au sein d'un véhicule, ces composés chimiques sont présents dans l'environnement du dispositif 2. De plus, les getters ont une faible capacité de pompage. Enfin, les températures qui permettent d'augmenter leur capacité à absorber les impuretés sont trop élevées par rapport aux températures d'utilisation usuelles des dispositifs, notamment dans le cas des capteurs infrarouges, dans lesquels la cavité est refroidie. L'utilisation de tels getters 30 n'est alors pas suffisante pour satisfaire aux exigences de durée de vie d'un dispositif 2, à savoir quelques années. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a pour but de pallier au moins un de ces inconvénients. On propose selon l'invention un dispositif comportant une cavité sous vide présentant une surface interne, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un purificateur placé dans la cavité et apte à adsorber des impuretés présentes dans la cavité, et présentant une surface développée telle que le rapport entre, d'une part, l'aire de ladite surface développée et, d'autre part, l'aire de la surface interne de la cavité est supérieur à 100. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le rapport entre, d'une part, l'aire de la surface développée et, d'autre part, l'aire de la surface interne de la cavité est supérieur à 1000, préférentiellement supérieur à 5000 ; - le purificateur est composé d'un matériau poreux dont la surface spécifique, à savoir la surface développée rapportée à sa masse, est au moins de l'ordre de 100 m2/g ; - un matériau composant le purificateur est une zéolithe ; - le purificateur comporte un pompeur apte à absorber des impuretés dans le gaz, - le pompeur est sous forme d'inclusions dans le purificateur, préférentiellement sous forme d'inclusions métalliques, lesdites inclusions métalliques étant constituées, de titane, de molybdène, de tungstène, de palladium, de platine ou d'un alliage de plusieurs de ces éléments métalliques ; - le dispositif comporte un chauffage du purificateur, le chauffage étant apte à chauffer le purificateur à une température de l'ordre de 300°C. On propose en outre selon l'invention, un senseur ou un capteur comportant un dispositif précité. On propose enfin un procédé de fabrication d'un dispositif précité, les étapes du procédé de fabrication étant : - disposition d'un purificateur dans une coupelle métallique, le purificateur étant composé d'un matériau apte à adsorber des impuretés dans la cavité, et présentant une surface développée dont l'aire est supérieure à l'aire de la surface interne de la cavité, - empastillage par pression dudit matériau dans la coupelle métallique, - insertion de cette coupelle dans la cavité, - maintien sous vide de la cavité, - chauffage par induction de la coupelle qui, par conduction et par rayonnement, provoque le dégazage dudit matériau à une température de l'ordre de 300°C, pendant le maintien sous vide de la cavité, - arrêt du chauffage une fois le dégazage terminé, et - fermeture hermétique de la cavité. L'invention présente de nombreux avantages. Elle permet ainsi une augmentation de la durée de vie du dispositif. Elle permet notamment de purifier la cavité de l'ensemble des molécules qui constituent des impuretés, y compris les molécules ne réagissant pas chimiquement avec la surface de getters conventionnels. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui décrit des exemples de modes de réalisation. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - Les figures 1A et 1B, déjà discutées, sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation de senseurs ou de capteurs connus. - La figure 2, déjà discutée, est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'art antérieur ; - La figure 3, déjà discutée, représente un schéma du mécanisme de chimisorption mis en oeuvre par un getter connu ; - La figure 4 est un schéma du mécanisme d'adsorption mis en oeuvre par un purificateur selon l'invention ; - La figure 5 est un schéma du mécanisme d'adsorption sur une surface développée plus importante que celle de la figure 4 ; - La figure 6 est un schéma illustrant la différence entre une surface apparente et une surface développée ; - La figure 7 est un graphique comparant l'évolution dans le temps de la pression partielle des impuretés d'un gaz pour différentes surfaces développées de purificateurs ; - La figure 8 est un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 9 est la courbe représentant l'efficacité de l'adsorption en fonction du rapport entre l'aire de la surface développée du purificateur et l'aire de la surface interne de la cavité ; - La figure 10 est une représentation d'un mode de réalisation du purificateur selon l'invention comportant des inclusions de matériaux absorbants ; - La figure 11 est un schéma montrant le phénomène de dégazage du purificateur ; et - La figure 12 est un schéma d'un mode de réalisation des moyens de chauffage du purificateur du laser. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 8 montre un mode de réalisation possible d'un dispositif suivant l'invention. Le dispositif 2 comporte une cavité 20 sous vide. Le vide est poussé et de l'ordre de 10-6 mbar. La cavité 20 présente une surface développée interne, que l'on appelle dans la suite de la présente description � surface interne � 25. La figure 6 montre schématiquement la différence entre deux surfaces développées 90 et 91 (encore appelées � surfaces spécifiques � par l'homme de l'art lorsqu'elles sont rapportées à une masse ou à un volume) de deux faces. Les deux surfaces développées 90 et 91 correspondent à une même surface apparente S. Dans le cas où la face dont on mesure la surface développée est parfaitement plane, la surface apparente S et la surface développée 90 sont identiques est ont la même aire. En revanche, dans le cas où la face comporte des irrégularités 92, la surface apparente S est toujours la même, alors que la surface développée 91 représente la dimension totale de la surface de la face, y compris la surface interne des irrégularités 92. La figure 6 est un mode de représentation en coupe non limitative du développement d'une surface. Les surfaces développées peuvent avoir des configurations plus complexes, que la représentation simplifiée de la figure 6 n'écarte pas, par exemple dans le cas de matériaux poreux tridimensionnels. On comprend cependant, grâce à la figure 6, que la surface développée peut être significativement supérieure à la surface apparente. La surface interne 25 de la cavité 20 reprend l'ensemble des éléments formant la cavité (comme par exemple les parois), mais est d'une dimension relativement proche de la surface interne apparente de la cavité. Le dispositif 2 comporte en outre un purificateur 10 placé dans la cavité 20. Le purificateur 10 présente une surface développée 101 importante. En effet, selon l'invention, le rapport entre, d'une part, l'aire de la surface développée 101 et, d'autre part, l'aire de la surface interne 25 de la cavité 20 est supérieur à 100. Le purificateur 10 est ainsi apte à adsorber des impuretés 11 dans la cavité. L'adsorption, encore appelée � physisorption �, est la fixation de molécules de gaz par toute surface solide. L'adsorption conserve l'intégrité chimique des molécules, à la différence de l'absorption. Le processus inverse de l'adsorption est la désorption. Comme le montrent les figures 4 et 5, l'adsorption permet une fixation 111, sur des sites 102 d'adsorption de la surface développée 101, d'un grand nombre de molécules 311 et 312 différentes, ce que ne permet pas le phénomène d'absorption, car on l'a vu, certaines molécules ne peuvent être absorbées. L'adsorption est en effet susceptible de fixer toutes les molécules 311 et 312 présentant un moment dipolaire électrique, ce qui est le cas d'un 5 grand nombre de molécules. Tant que la surface 101 présente des sites d'adsorption 102 libres, les impuretés 11 de la cavité 20 ont tendance à remplir ses sites d'adsorption 102 par physisorption 111. Les impuretés adsorbées ne sont alors plus présentes dans la cavité 20 et ne représentent plus de pollution. 10 Une partie des molécules déjà adsorbées par la surface 101 sont cependant libérées par désorption 112 dans la cavité 20. La quantité de molécules adsorbées sur cette surface 101 est ainsi en équilibre dynamique avec la quantité d'impuretés 11 dans la cavité 20. Ce phénomène réversible d'adsorption/désorption est connu en 15 thermodynamique par l'homme de l'art, grâce aux théories des isothermes de Langmuir et BET. Ces théories montrent que l'équilibre dépend notamment de la température. On ne peut cependant pas modifier la température d'utilisation des 20 dispositifs pour augmenter la quantité d'impuretés 11 adsorbées par le purificateur 10, pour des raisons techniques et d'utilisation du dispositif (notamment dans les capteurs infrarouges refroidis). Les inventeurs ont constaté qu'une grande surface 101 développée comportant un grand nombre de sites d'adsorption, c'est à dire présentant 25 un taux de recouvrement faible (le taux de recouvrement est le rapport entre d'une part le nombre de molécules adsorbées et d'autre part le nombre de sites d'adsorption 102 de la surface 101), peut jouer le rôle de système de purification de la cavité. En d'autres termes, le nombre de sites d'adsorptions 102 influe sur 30 l'équilibre dynamique d'adsorption/désorption. Comme on le comprend d'une comparaison entre les figures 4 et 5, si l'on augmente la surface développée 101 du purificateur, on augmente le nombre de sites d'adsorption 102. L'équilibre de l'adsorption/désorption est ainsi déplacé dans le sens d'une plus grande adsorption des impuretés. L'influence de l'augmentation de la surface développée 101 sur la présence d'impuretés 11 dans la cavité au cours du temps a été étudiée, à l'aide d'une simulation fondée sur la théorie de Langmuir. La figure 7 montre qu'avec un purificateur 10 ayant une surface développée de 100 m2, la pression partielle d'impuretés 11 dans la cavité (la pression partielle d'impuretés est directement liée au nombre d'impuretés 11 présentes dans la cavité 20) est toujours 100 fois inférieure à la pression partielle d'impuretés lorsque aucun purificateur n'est placé dans la cavité. Chaque surface à l'intérieur de la cavité 20 participe au dégazage et à l'adsorption/désorption d'impuretés 11. L'efficacité de la purification de la cavité dépend alors du rapport entre d'une part les surfaces participant principalement à l'adsorption des impuretés 11, c'est-à-dire la surface 101 développée du purificateur, et d'autre part les surfaces participant principalement au dégazage des impuretés 11, c'est-à-dire la surface interne 25. La figure 9 montre que, dans le cas d'un rapport des aires de l'ordre de 100, le gain sur la pression partielle des impuretés 101 est perceptible. Le nombre d'impuretés 11 dans la cavité 20 diminue donc. Le fonctionnement du purificateur 10 ne s'attache à aucun matériau en particulier. Le purificateur 10 peut donc être dans un matériau quelconque, à partir du moment où il présente une surface développée importante. Le purificateur est cependant préférentiellement composé d'un matériau poreux, de telle sorte que la surface développée 101 du purificateur 10 ait une aire supérieure à plus de 100 fois l'aire de la surface interne 25 de la cavité 20. Selon la figure 9, il est préférable d'utiliser un purificateur dont l'aire de la surface développée est au moins 1000 fois supérieure à l'aire de la surface interne de la cavité (on a un gain sur la pression partielle d'impuretés de 5 environ, c'est-à-dire que la pression partielle d'impuretés est 5 fois inférieure), et même au moins 5 000 fois supérieure (gain de 10 environ). Ainsi le purificateur 10 peut être composé d'un matériau dont la surface spécifique (c'est-à-dire la surface développée du purificateur rapportée à sa masse) est supérieure à 100 m2/g, par exemple 600 m2/g. Les matériaux microporeux, par exemple du type zéolithe, qui présentent des surfaces piégeantes importantes relativement à leur volume et à leur masse, semblent particulièrement adaptés à ce type de contrainte. Toutefois, selon les matériaux qui composent le purificateur, les énergies des liaisons physiques entre les impuretés 11 et la surface 101 du purificateur 10 seront modifiées. Cette propriété aura un impact direct sur l'équilibre d'adsorption/désorption précédemment décrit. Il est donc clair que certains matériaux, et certaines molécules, seront plus efficaces pour piéger ou être piégées. On peut en outre profiter des mécanismes d'absorption en combinaison avec le phénomène d'adsorption, pour encore diminuer le nombre d'impuretés dans la cavité. La combinaison de ces deux phénomènes de sorption permet une purification de la cavité 20 encore plus grande. L'absorption est réalisée par des matériaux métalliques, chimiquement réactifs, comme par exemple le titane, le molybdène, le tungstène, le palladium, le platine, le zirconium, le vanadium ou un alliage de plusieurs de ces éléments métalliques. Selon une variante de l'invention représentée à la figure 10, le purificateur 10 peut ainsi être composé d'un matériau dont la surface développée est grande et comportant en outre des inclusions 31 de matériaux aptes à l'absorption, par exemple des inclusions de type métallique. Les impuretés réagissant à la chimisorption 311 peuvent ainsi être absorbées par les inclusions 31 métalliques, en plus d'être adsorbées par la surface 101. Le dispositif 2 décrit par l'invention présente de nombreux avantages dans le cas d'une utilisation dans des senseurs, par exemple des senseurs vibrants, ou des capteurs optiques, comme des capteurs optiques infrarouges. L'utilisation d'un dispositif 2 décrit par l'invention permet l'adsorption d'impuretés 11 présentes dans l'environnement des capteurs ou des senseurs, comme par exemple les composés organiques et particulièrement les hydrocarbures. Dans le cas d'un dispositif d'un capteur ou d'un senseur, la pression dans la cavité est de l'ordre de 10-6 mbar alors que le volume de la cavité est préférentiellement inférieur à 50 cm3. Comme le montre la figure 11, le purificateur 10 contient, dans son état initial, des impuretés 11 qu'il est susceptible de dégazer lorsqu'il est placé à l'intérieur de la cavité, contribuant alors à une pollution supplémentaire de la cavité 20. Le dégazage des impuretés 11, initialement contenues dans le purificateur 10, peut être provoqué avant que le purificateur 10 ne soit disposé dans la cavité 20 fermée hermétiquement. Le dégazage préalable du purificateur 10 permet bien entendu d'éviter le dégazage, mais également de diminuer le taux de recouvrement de la surface 101, en libérant des espaces d'adsorption notamment. A cet effet, le dispositif 2 comporte avantageusement un chauffage 40 du purificateur 10. Le purificateur 10 chauffé, à une température de l'ordre de 300°C, dégaze les impuretés 11 qu'il contenait initialement. Le dégazage par chauffage peut se réaliser directement dans la cavité 20 avant qu'elle ne soit hermétiquement fermée. L'invention concerne ainsi également un procédé de fabrication d'un dispositif 2. Selon un mode de fabrication privilégiée représenté à la figure 12, on dispose par exemple 80 mg de matériau zéolithe dans une coupelle métallique 41 appartenant au chauffage 40. On choisit un matériau zéolithe pour constituer un purificateur 10 dont l'aire de la surface développée 101 est très supérieure (par exemple supérieure à 5000 fois) à l'aire de la surface interne 25 de la cavité. On presse mécaniquement le purificateur 10 dans la coupelle 41 pour former une pastille. On insère alors la coupelle métallique 41 contenant le purificateur 10 empastillé dans la cavité 20. On maintient la coupelle 41 sur la paroi de la cavité 20 à l'aide, par exemple, d'un ressort. On fait alors le vide dans la cavité 20 laser. Pendant la mise sous vide, on procède au dégazage du purificateur 10 grâce au chauffage 40. A cet effet, la coupelle métallique 41 est chauffée par des moyens 41 d'induction appartenant également au chauffage 40. Le purificateur 10 étant en contact avec la coupelle 41, cette dernière, chauffée par induction, chauffe le purificateur 10 par rayonnement et par conduction à une température supérieure à 300°C. Cette température permet un dégazage suffisant du purificateur 10, libérant notamment un maximum de sites d'adsorption 102. La cavité 20 étant maintenue activement sous vide pendant le temps du dégazage, les impuretés libérées 11 sont évacuées par les moyens de mise sous vide (non représentés). Une fois le dégazage terminé, on arrête le chauffage. La cavité 20 ensuite fermée hermétiquement. Au cours de la vie du dispositif 2, des impuretés 11 qui seront dégazées par les différentes surfaces du dispositif 2 ou encore entrées par les ouvertures (défauts d'étanchéité) de la cavité 20 seront captées par le purificateur 10. REVENDICATIONS1. Dispositif (2) comportant une cavité (20) sous vide présentant une surface interne (25), ledit dispositif (2) étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - un purificateur (10) placé dans la cavité et apte à adsorber des impuretés (11) présentes dans la cavité (20), et présentant une surface développée (101) telle que le rapport entre, d'une part, l'aire de ladite surface développée (101) et, d'autre part, l'aire de la surface interne (25) de la cavité (20) est supérieur à 100. 2. Dispositif (2) selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre, d'une part, l'aire de la surface développée (101) et, d'autre part, l'aire de la surface interne (25) de la cavité (20) est supérieur à 1000, préférentiellement supérieur à 5000. 3. Dispositif (2) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le purificateur (10) est composé d'un matériau poreux dont la surface spécifique, à savoir la surface développée rapportée à sa masse, est de l'ordre de 100 m2/g. 4. Dispositif (2) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel un matériau composant le purificateur (23) est une zéolithe. 5. Dispositif (2) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le purificateur (10) comporte un pompeur (30) apte à absorber des impuretés (11) dans le gaz (23). 6. Dispositif (2) selon la revendication 5, dans lequel le pompeur (30) est sous forme d'inclusions (31) dans le purificateur (10), préférentiellement sous forme d'inclusions métalliques, lesdites inclusions métalliques étant constituées préférentiellement, de titane, de molybdène, de tungstène, depalladium, de platine, de vanadium, de zirconium ou d'un alliage de plusieurs de ces éléments métalliques. 7. Dispositif (2) selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un 5 chauffage (40) du purificateur (10), le chauffage (40) étant apte à chauffer le purificateur à une température de l'ordre de 300°C. 8. Senseur (100) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Capteur optique (200) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif (2) selon l'une des revendications 15 1 à 7, le dispositif présentant une cavité (20) sous vide ayant une surface interne (25), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - disposition d'un purificateur (10) dans une coupelle métallique (41), le purificateur (10) étant composé d'un matériau apte à adsorber des 20 impuretés (11) dans la cavité, et présentant une surface développée (101) dont l'aire est supérieure à l'aire de la surface interne (25) de la cavité (20), - empastillage par pression dudit matériau dans la coupelle métallique (41), - insertion de cette coupelle dans la cavité (20), 25 - maintien sous vide de la cavité (20), - chauffage par induction de la coupelle (41) qui, par rayonnement et par conduction, provoque le dégazage dudit matériau à une température de l'ordre de 300°C, pendant le maintien sous vide de la cavité (20), 30 - arrêt du chauffage une fois le dégazage terminé, et - fermeture hermétique de la cavité (20). 10