Brevet FR3030045A1 — publié le 20160617

CAPTEUR DE DÉTECTION D'UN COMPOSANT D'UN GAZ [0001] L'invention a trait au domaine des lignes d'échappement des véhicules automobiles. [0002] Les véhicules automobiles équipés d'un moteur thermique, qu'il fonctionne avec de l'essence ou du gasoil, comprennent une ligne d'échappement par laquelle les gaz d'échappement, issus de la combustion du carburant dans le moteur, sont rejetés dans l'atmosphère. [0003] Ces gaz d'échappement contiennent certains éléments chimiques, notamment des oxydes d'azote, pouvant être néfastes pour l'environnement ou pour la santé. [0004] Depuis de nombreuses années, un effort est fait par les constructeurs afin de réduire la nocivité des gaz d'échappement des véhicules. [0005] Une première série de mesures consiste en la réduction du poids des véhicules et l'amélioration de leur aérodynamisme, et par conséquence, en la réduction de la consommation de carburant des véhicules et la réduction de la quantité de gaz d'échappement. [0006] Une deuxième série de mesures consiste en l'intégration d'un système de dépollution. Par exemple, les systèmes SCR (acronyme de l'anglais Selective Catalytic Reduction ou Réduction Catalytique Sélective en français), comprennent une sonde placée dans la ligne d'échappement, afin de calculer une quantité d'un additif (en particulier NH3) permettant de réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx). [0007] Les capteurs NOx actuellement utilisés pour les gaz des échappements automobiles mesurent une concentration globale d'oxydes d'azote (NO2, NO, N20), sans pouvoir distinguer chaque composant en particulier. Les temps de réponse de ces capteurs NOx sont élevés et ces capteurs sont relativement onéreux. [0008] Un objectif est de proposer un capteur sélectif à différentes espèces gazeuses, et permettant d'analyser plus finement la composition d'un gaz d'échappement de véhicule automobile. [0009] Avantageusement, ce capteur est sensible, peu coûteux et résistant, notamment à la chaleur. 3030045 2 [0010] Un autre objectif est de proposer un véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement équipée d'un capteur répondant à l'objectif précédent. [0011] A ces fins, il est proposé, selon un premier aspect, un capteur 5 pour la détection d'une espèce chimique dans un gaz d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile, ce capteur comprenant un transistor ayant : un substrat ; au moins une première couche et une deuxième couche barrière superposées sur le substrat ; une grille revêtue d'une couche 10 fonctionnelle réalisée en un matériau présentant une activité catalytique avec au moins un composé gazeux ; la première couche, la deuxième couche barrière et la grille étant réalisées à base de nitrure d'éléments III, la grille étant réalisée en un alliage ternaire. [0012] Selon diverses réalisations, le capteur présent les caractères 15 suivants, le cas échéant combinés : le transistor est un transistor à haute mobilité électronique HEMT ; la deuxième couche barrière étant réalisée à base d'un alliage ternaire AlxGal_xN, x étant avantageusement compris entre 0.15 20 et 0.4, la première couche est à base de nitrure de galium ; la deuxième couche barrière présente un gradient d'épaisseur ; la grille est réalisée à base d'un alliage ternaire ByGal_yN ; le substrat du transistor est réalisé en carbure de silicium ou en oxyde d'aluminium ; 25 la deuxième couche barrière a une épaisseur comprise entre 5 et 30nm, et plus particulièrement entre 20 et 30nm ; la couche fonctionnelle est réalisée en platine et/ou en palladium, la couche fonctionnelle étant continue ou discontinue ; le transistor comprend une troisième couche et une quatrième 30 couche toutes deux situées entre la première couche et la deuxième couche barrière, la troisième couche et la quatrième couche étant composées de nitrure de galium (GaN). [0013] II est proposé, selon un deuxième aspect, une ligne d'échappement de moteur thermique, notamment de véhicule 35 automobile, comprenant au moins un capteur tel que présenté ci-dessus. 3030045 3 [0014] Il est proposé, selon un troisième aspect, un véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement telle que présentée ci-dessus. [0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 5 apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement ; 10 - la figure 2 est une vue schématique de la ligne d'échappement de la figure 1, cette ligne comprenant un capteur de détection et de mesure d'un composant du gaz d'échappement; la figure 3 est une vue schématique du capteur de détection et de mesure de la figure 2 ; 15 - la figure 4 est une vue en coupe d'un transistor équipant le capteur de la figure 3. [0016] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile comprenant une ligne 2 d'échappement. Par ligne 2 d'échappement, on entend un conduit placé en sortie d'un moteur 3 à combustion interne 20 (encore appelé moteur thermique) du véhicule 1 qui permet d'évacuer les gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur 3. [0017] Comme on le voit sur la figure 1 et sur la vue schématique de la figure 2, la ligne 2 d'échappement comprend, de manière connue en soit, un SCR 5, ainsi qu'un filtre à particules (non représenté). 25 [0018] La ligne 2 d'échappement comprend également un silencieux 6 permettant de réduire le bruit en sortie de la ligne 2 d'échappement, et une tubulure 7 assurant la liaison entre le moteur 3 et le SCR 5, puis entre le SCR 5 et le silencieux 6 et enfin prolongeant le silencieux 6 pour permettre le rejet dans l'environnement du gaz d'échappement 30 filtré. [0019] Un additif, tel que de l'ammoniac (NH3), est injecté dans le SCR 5 afin de neutraliser les oxydes d'azote (N0x). Un calculateur 8 relié à un capteur 9 placé en aval du SCR 5, détermine la quantité d'additif à injecter dans le SCR 5. 35 [0020] Le capteur 9 détecte et mesure la quantité de NO et/ou de NO2 dans le gaz d'échappement puis transmet un signal 10 de sortie au calculateur 8 qui, en réalisant le calcul du rapport NO/NO2, détermine la 3030045 4 quantité de NH3 à injecter dans le SCR 5 et envoie au SCR 5 une consigne 11 d'injection. [0021] Le capteur 9, représenté en figure 3, comprend un boîtier 12 externe, résistant à la chaleur, dans lequel sont avantageusement logés 5 un système 13 interne de circulation et de refroidissement, et au moins un transistor 14. Avantageusement, le capteur 9 comprend plusieurs transistors 14, 15 aptes à détecter des composants gazeux distincts. [0022] En fonctionnement, le gaz 4 d'échappement pénètre dans le capteur 9 par le système 13 interne dans lequel il circule, puis passe 10 devant les transistors 14, 15 avant de retourner dans la ligne 2 d'échappement pour être rejeté dans l'environnement. [0023] Les transistors 14,15 sont avantageusement de type HEMT (transistors à haute mobilité électronique), et plus particulièrement de type HEMT à base de nitrure d'élément III (GaN, AIN, InN et leurs 15 alliages), et encore plus particulièrement à base d'une hétérostructure d'AIGaN/GaN. [0024] Dans une mise en oeuvre, ces transistors 14, 15 sont produits par MOCVD sur un substrat 16. Le substrat 16 peut être un carbure de silicium, ou un oxyde d'aluminium (A1203 saphir). 20 [0025] Un alliage ternaire, appelé couche barrière 18, avec une large bande interdite, est placé, par exemple par épitaxie, sur une couche 17, dite couche buffer, dans la terminologie anglaise. [0026] L'épaisseur de la couche barrière 18 est comprise entre 5 et 30nm, et plus particulièrement comprise entre 20 et 30nm. En dessous 25 de 5nm, la densité de gaz 2D d'électrons est négligeable et l'on observe une saturation à partir d'une épaisseur de 25nm. [0027] Dans le mode de réalisation représenté, l'épaisseur de la couche barrière 18 n'est pas constante et présente un gradient, l'épaisseur étant avantageusement comprise entre 0 et 21 nm. Cette 30 mise en oeuvre permet d'obtenir un signal de sortie linéaire pour le transistor 14, 15. [0028] Dans une mise en oeuvre, la couche buffer 17 est de type GaN et l'alliage ternaire de la couche barrière 18 est de type AlxGal_xN. Avantageusement, x est compris entre 0.15 et 0.4 environ, et vaut plus 35 particulièrement 0.3. 3030045 5 [0029] Dans une mise en oeuvre, non représentée, une couche de nitrure d'aluminium est placée entre un substrat en saphir et une couche buffer en nitrure de galium. [0030] Le transistor 14, 15 comprend également une grille 19, de 5 type GaN ou NGaN. Son épaisseur est de l'ordre de 2nm. Cette grille augmente le confinement du gaz d'électrons, augmente la hauteur effective de la barrière Schottky, et protège la surface de la couche barrière 18 de l'oxydation. [0031] La grille 19 est recouverte d'une couche fonctionnelle réalisée 10 en matériau présentant une activité catalytique en présence d'un gaz tel qu'hydrogène, monoxyde de carbone, ou oxyde d'azote (NO, NO2). Dans une mise en oeuvre, ce matériau est un métal tel que le platine et/ou le palladium. [0032] Dans une mise en oeuvre particulière, le film de matériau 15 présentant une activité catalytique en présence d'un gaz est discontinu. Par exemple, le transistor 14 ,15 est pourvu d'un film de platine ou de palladium discontinu, permettant la détection de l'ammoniac, de l'hydrogène, ou de monoxyde et dioxyde d'azote dans le flux de gaz d'échappement, le signal délivré par le capteur 9 étant affecté de 20 manière différente par les concentrations en ces différents gaz. [0033] Un transistor 14, 15 de type HEMT comprend un contact Schottky pour la grille 19 et deux contacts ohmiques pour les électrodes de source 20 et de drain 21. [0034] Dans une mise en oeuvre, les contacts ohmiques sur la 25 couche buffer GaN sont assurés par un dépôt d'aluminium, ou par un dépôt d'un empilement de titane et d'aluminium, ou bien encore par un empilement titane/aluminium/métal/or. Le contact ohmique entre AIGaN et GaN est assuré par exemple par gravure. [0035] L'effet de transistor est obtenu en modulant le courant 30 source-drain (et donc la densité du gaz d'électrons) par une tension appliquée à la grille 19. [0036] Une réaction physico-chimique se produit entre les molécules d'un gaz 4 d'échappement et la couche fonctionnelle conduisant à la création d'une couche dipolaire générant une variation de potentiel 35 entre la grille 19 et la surface du semi-conducteur sus jacent. Une variation du courant est mesurée en sortie du transistor HEMT, cette variation étant dépendante de la concentration dudit gaz. 3030045 6 [0037] Avantageusement la deuxième couche 18 barrière présente un gradient d'épaisseur, entre la borne d'entrée (électrode de source 20) et la borne de sortie (électrode de drain 21), pour permettre de linéariser le signal 10 de sortie du transistor 14, 15 et, par suite, du 5 capteur 9. [0038] Suivant le mode de réalisation de la figure 4, chaque transistor 14 comprend, en outre, une troisième couche 22 et une quatrième couche 23 interposées entre la première couche 17 buffer et la deuxième couche 18 barrière. A titre d'exemple, le substrat 16 est en 10 saphir, la première couche 17 buffer est en nitrure de gallium (GaN), la deuxième couche 18 barrière est en nitrure de gallium associée à de l'aluminium (AIGaN) et la grille 19 est en nitrure de gallium associée à du bore (BGaN), la troisième couche 22 et à la quatrième couche 23, étant toutes deux en nitrure de gallium (GaN). 15 [0039] Le capteur 9, le transistor 14 et la ligne 2 d'échappement qui viennent d'être décrits offrent plusieurs avantages. [0040] La présence de plusieurs transistors 14, 15 dans le capteur 9, chacun des transistors 14, 15 étant apte à détecter un composant particulier du gaz 4 d'échappement, permet d'analyser plus finement et 20 rapidement la composition du gaz 4 d'échappement et de définir une consigne 11 adaptée d'injection de NH3 dans le SCR 5. [0041] Un seul boîtier 12 permet de loger plusieurs transistors 14, 15. Ainsi, l'intégration d'un capteur 9 dans la ligne 2 d'échappement est simple rapide et peu coûteuse. 25 [0042] L'utilisation d'un transistor de type HEMT permet une sensibilité plus élevée que par emploi d'une diode Schottky. [0043] L'utilisation d'une grille en nitrure de bore et de galium assure une sensibilité améliorée, la concentration de bore pouvant être adaptée à la sensibilité recherchée. 30 [0044] La mise en place d'une couche barrière d'épaisseur variable permet d'obtenir un signal de sortie du capteur qui soit sensiblement linéaire. [0045] Le grand gap, la stabilité thermique et la tension de claquage élevée des semi-conducteurs à base de nitrure assurent une qualité de 35 signal élevé pour le capteur de gaz d'échappement de moteur thermique pour véhicule automobile. REVENDICATIONS1. Capteur (9) pour la détection d'une espèce chimique dans un gaz 5 d'une ligne d'échappement d'un moteur thermique, notamment de véhicule automobile, ce capteur (9) comprenant un transistor (14) ayant un substrat (16), au moins une première couche (17) et une deuxième couche (18) barrière superposées sur le substrat (16), 10 - une grille (19) revêtue d'une couche fonctionnelle réalisée en un matériau présentant une activité catalytique avec au moins un composé gazeux, caractérisé en ce que la première couche (17), la deuxième couche (18) barrière et la grille (19) sont réalisées à base de nitrure d'éléments III, la grille (19) étant réalisée en un alliage ternaire. 15 2. Capteur (9) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor (14) est un transistor à haute mobilité électronique HEMT. 3. Capteur (9) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la 20 deuxième couche (18) barrière est réalisée à base d'un alliage ternaire AlxGal_xN, la première couche (17) étant à base de nitrure de galium, 4. Capteur (9) selon la revendication 3, caractérisé en ce que x est compris entre 0.15 et 0.4. 25 5. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la deuxième couche barrière (18) présente un gradient d'épaisseur. 30 6. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la grille (19) est réalisée à base d'un alliage ternaire ByGal_yN. 7. Capteur (9) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 35 en ce que la deuxième couche barrière (18) a une épaisseur comprise entre 5 et 30nm, et plus particulièrement entre 20 et 30nm. 3030045 8 8. Capteur (9) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche fonctionnelle est réalisée en platine et/ou en palladium, la couche fonctionnelle étant continue ou discontinue. 9. Capteur (9) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le transistor (14) comprend une troisième couche (22) et une quatrième couche (23) toutes deux situées entre la première couche (17) et la deuxième couche (18) barrière, la troisième couche (22) et la quatrième couche (23) étant composée de nitrure de gallium (GaN). 10. Ligne (2) d'échappement de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, comprenant au moins un capteur (9) selon l'une des revendications précédentes.