Brevet FR3030044A1 — publié le 20160617

CAPTEUR SCHOTTKY DE DÉTECTION D'UN CONSTITUANT D'UN GAZ D'ÉCHAPPEMENT [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 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. 3030044 2 [0010] Un deuxième objectif est de proposer un capteur rapide, peu coûteux et résistant notamment à la chaleur. [0011] Un troisième objectif est de proposer une ligne d'échappement comprenant un tel capteur. 5 [0012] Un quatrième objectif est de proposer un véhicule automobile comprenant une ligne d'échappement répondant à l'objectif précédent. [0013] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un capteur pour la mesure de la concentration d'un constituant d'un gaz d'échappement issu de la combustion d'un carburant dans un moteur à combustion 10 interne, dans lequel le capteur comprend une diode munie : - d'un substrat, - d'un réseau de semi-conducteurs comprenant au moins une paire de couches BGaN (Nitrure de Gallium et Bore) et GaN (Nitrure de Gallium), la couche BGaN étant déposée sur la couche GaN, 15 - d'un matériau catalytique situé sur la couche BGaN et apte à réagir au contact d'un constituant du gaz d'échappement. [0014] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : la diode est du type Schottky ; 20 le substrat est du saphir ; la couche GaN présente une épaisseur d'environ 3 micromètres, et de façon générale comprise par exemple entre 1 et 5 micromètres, notamment entre 2 et 4 micromètres ; la couche BGaN présente une épaisseur d'environ 300 25 nanomètres, et, de façon générale, comprise entre 100 et 800 nm, notamment entre 200 et 400 nm. ; le matériau catalytique est du platine. [0015] Il est proposé, en deuxième lieu, une ligne d'échappement comprenant un capteur tel que précédemment décrit. 30 [0016] L'invention concerne aussi tout moteur thermique équipé d'une ligne d'échappement comprenant un capteur tel que décrit précédemment. [0017] Il est proposé, en troisième lieu, un véhicule automobile comprenant un moteur (et une ligne d'échappement dont il est équipé) 35 tel que précédemment décrit. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la 3030044 3 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 ; 5 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 ; 10 - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'une diode équipant le capteur de la figure 3 selon un premier mode de réalisation. la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une diode équipant le capteur de la figure 3 selon un deuxième mode de réalisation. 15 [0019] 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 du véhicule 1 qui permet d'évacuer les gaz d'échappement issus de la combustion interne du moteur 3. 20 [0020] Comme on le voit sur la figure 1 et sur la vue schématique de la figure 2, la ligne 2 d'échappement comprend un SCR 5 (acronyme de l'anglais Selective Catalytic Réduction ou Réduction Catalytique Sélective en français). [0021] La ligne 2 d'échappement comprend également un silencieux 25 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 d'abord, 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 filtré. 30 [0022] Un capteur 9 détecte et mesure la quantité de NO et de NO2 dans les gaz d'échappement puis transmet un signal 10 de sortie au calculateur 8 qui, en réalisant le calcul du rapport NO/NO2, détermine la quantité de NH3 à injecter dans le SCR 5 et envoie au SCR 5 une consigne 11 d'injection. 35 [0023] II est à noter que le capteur de l'invention, de façon générale, peut également être utilisé pour d'autres raisons que le pilotage de l'injection d'un agent réactif visant à la dépollution des gaz 3030044 4 d'échappement. Il peut ainsi être appliqué pour le diagnostic du système de dépollution. [0024] Selon le mode de réalisation représenté en figure 3, le capteur 9 comprend une diode 12 Schottky. Les diodes sont des dipôles 5 polarisés permettant de laisser passer du courant dans un sens mais pas dans l'autre. Les diodes sont composées de semi-conducteurs résistifs ayant deux régimes de fonctionnement à savoir un régime passant et un régime bloquant. Lorsqu'une différence de potentiels, inférieure à une tension seuil, prédéterminée pour le type de diode 10 utilisé, est appliquée, de part et d'autre de la diode, cette dernière est en régime bloquant. Une mesure de l'intensité à l'aval de la diode renverrait alors une valeur nulle. Une différence de potentiels, supérieure à la tension seuil prédéterminée, provoque le passage en régime passant de cette dernière, l'intensité en sortie de la diode est 15 différente de zéro, la diode ayant un caractère résistif comme il l'a été précédemment expliqué. [0025] La diode 12 Schottky présente : une tension seuil basse, un temps de commutation rapide entre le régime passant et le 20 régime bloquant, la capacité à laisser passer d'importantes intensités en comparaison d'autres diodes. [0026] Une tension seuil basse, permet de détecter des signaux faibles. 25 [0027] Le capteur 9, représenté en figure 3, comprend un boîtier 13 externe, résistant à la chaleur, dans lequel sont logés au moins la diode 12 réagissant avec un composant des gaz d'échappement, un système 15 de circulation des gaz d'échappement et avantageusement un système 16 de refroidissement des gaz d'échappement. 30 [0028] Le système 16 de refroidissement protège la diode 12 des températures élevées des gaz d'échappement. Les semi-conducteurs sont sensibles aux variations de températures et l'apport d'énergie thermique modifie les propriétés de conductivité des semi-conducteurs. Le système 16 de refroidissement permet donc de refroidir les gaz 35 d'échappement de sorte à maintenir la diode 12 à une température donnée, ou tout du moins dans une plage de température pour laquelle la réponse de la diode 12 est connue et interprétable. 3030044 5 [0029] La figure 4 montre la composition et le fonctionnement d'une diode 12 Schottky comprenant : un substrat 14 sur lequel sont déposées plusieurs couches de semi-conducteurs, en l'espèce ce substrat 14 est du saphir ; 5 une première 17 couche d'un semi-conducteur composé de Nitrure de Gallium (GaN) dont l'épaisseur est de 3 micromètres ; une deuxième 18 couche d'un semi-conducteur composé de Nitrure de Gallium Boré à 1% (BGaN) d'une épaisseur de 300 nanomètres, superposé sur la première couche 17 ; 10 - un matériau 19 catalytique, par exemple du platine ou du palladium. [0030] Deux contacts Schottky sont ainsi réalisés et correspondent, pour le capteur, à la zone sensible au gaz, ces contacts peuvent être en platine ou en palladium et peuvent être nano structurés pour assurer 15 une sélectivité entre les différentes espèces gazeuses. La sensibilité du capteur 9 est adaptée en faisant varier l'épaisseur de la couche de matériau catalytique. Elle peut aussi être adaptée en modifiant la méthode de dépôt. La structuration du platine permet en effet d'adapter la méthode de dépôt. 20 [0031] La concentration en bore peut être adaptée pour optimiser les performances du capteur. [0032] Avantageusement, un capteur comprendra plusieurs diodes Schottky (par exemple du type selon la figure 4 et/ou la figure 5), chaque diode formant un sous-capteur ayant une couche sensible 25 différente (matériau employé, épaisseur de la couche sensible, morphologie de la couche, par exemple continue ou discontinue). Ce réseau de capteur sera intégré dans un boitier permettant de protéger les éléments sensibles et implanté dans une ligne d'échappement pour que le gaz d'échappement circule devant les éléments sensibles. 30 [0033] La figure 5 illustre un mode de réalisation d'une diode composée : d'un substrat en saphir, d'une première couche GaN de 3 micromètres d'épaisseur, puis 35 - de onze paires GaN/BGaN comprenant 3,6 % de Bore, l'épaisseur de la couche de GaN et du BGaN étant pour chacune des couches, égale à 20 nanomètres. 3030044 6 Cette seconde configuration permet de détecter un autre type de constituant, par exemple du monoxyde d'azote (NO). [0034] Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages. 5 [0035] En particulier, il permet de cibler les constituants chimiques les plus nocifs comme par exemple le NO2 permettant d'améliorer la dépollution des gaz d'échappement en ayant une meilleure analyse de ceux-ci. [0036] L'emploi de la couche de nitrure de galium et de bore 10 augmente la concentration de pièces à l'interface métal/semiconducteur. Le cas échéant, cette couche en nitrure de galium pourra présenter une surface rugueuse augmentant la sensibilité du capteur et son temps de réponse. [0037] La structure en super réseau présentée en figure 5 permet 15 d'obtenir des variations de courant plus élevées que la structure présentée en figure 4. [0038] Le grand gap, la stabilité thermique et la tension de claquage élevée des semi conducteurs à base de nitrure assurent une qualité de signal élevé pour le capteur de gaz d'échappement de véhicule 20 automobile. REVENDICATIONS1. Capteur (9) pour la mesure de la concentration d'un constituant d'un gaz (4) d'échappement issus de la combustion d'un carburant dans un moteur (3) à combustion interne, caractérisé en ce que le capteur (9) comprend une diode (12) munie : d'un substrat (14), d'un réseau de semi-conducteurs comprenant au moins une paire de couches (17,18) BGaN et GaN, la couche BGaN étant déposée sur la couche GaN, - d'un matériau (19) catalytique situé sur la couche BGaN et apte à réagir au contact d'un constituant du gaz (4) d'échappement. 2. Capteur (9) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode (12) est du type Schottky. 3. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (14) est du saphir. 4. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche GaN présente une épaisseur comprise entre 1 et 5 micromètres, et notamment d'environ 3 micromètres. 5. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche BGaN présente une épaisseur comprise entre 100 et 800 nm, notamment d'environ 300 nanomètres. 6. Capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau (19) catalytique est du platine. 25 30 3030044 8 7. Ligne (2) d'échappement comprenant un capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5 8. Moteur thermique équipé d'une ligne (2) d'échappement comprenant un capteur (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Véhicule (1) automobile comprenant un moteur selon la 10 revendication précédente.