Brevet FR3053467A1 — publié le 20180105

Capteur pour répartiteur d'air d'admission avec thermocouple La présente invention concerne un capteur destiné à être monté sur un répartiteur d'air d'admission d'un véhicule automobile. Ce type de capteur comprend une sonde de température pour mesurer la température d'un mélange gazeux circulant dans le répartiteur d'admission d'un moteur thermique d'un véhicule. Le mélange gazeux est constitué essentiellement d'air mais peut comporter également des gaz d'échappement qui recirculent dans l'admission, des vapeurs d'huile provenant du recyclage des gaz des carters, et des vapeurs de carburant pouvant provenir du réservoir. Ce capteur comprend également une sonde de pression pour mesurer la pression du mélange gazeux. Cette sonde de pression est distante de la sonde de température. La mesure de la pression et de la température permet au système de contrôle pilotant le moteur thermique de déterminer entre autre la densité de l'air admis. Cette information permet d'optimiser le pilotage du moteur afin de réduire les émissions polluantes et d'augmenter les performances. Les sondes de température connues comprennent un substrat qui peut être un circuit imprimé ou une céramique et une sonde de température connectée électriquement au substrat. La sonde de température comprend un élément sensible à la température. Afin d'obtenir une température représentative de la température réelle de l'écoulement du fluide gazeux, l'élément sensible à la température est généralement disposé sensiblement au centre de la veine du fluide. Pour éviter que le substrat ne soit endommagé par la température du mélange gazeux, il est séparé de l'élément sensible et connecté électriquement à ce dernier par des pattes métalliques ayant une longueur classiquement comprise entre 10 et 50 mm. Selon l'art antérieur connu, la sonde de température peut être une 30 thermistance CTN (à Coefficient de Température Négatif) ou un thermocouple. L'avantage du thermocouple par rapport à la thermistance CTN est qu'il permet d'obtenir des temps de réponse plus faibles avec une meilleure précision. L'utilisation d'un thermocouple permet d'obtenir une précision en température inférieure à 0,8°C, voire de 0,3°C et un temps de réponse inférieur à 7 secondes, 3053467 2 voire inférieur à 5 secondes. De plus, le thermocouple permet de réaliser des mesures sur une plage de températures plus grande, comprise entre -200°C et 350°C environ. Le principe de mesure des thermocouples est basé sur l'effet Seebeck qui se 5 traduit par une différence de potentiel entre deux fils de métaux différents lorsqu'ils sont soumis à une différence de température. Les deux fils de métaux sont soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude (ou point chaud) destinée à mesurer la température Ti du milieu à mesurer, comme par exemple la température d'un mélange gazeux 10 circulant dans le répartiteur d'admission d'un moteur thermique d'un véhicule. Les deux fils métalliques du thermocouple comportent également chacun une deuxième extrémité reliée chacune à un voltmètre par une soudure communément appelée soudure froide (ou point froid) qui est à une température de référence TO. Ce type de capteur de température est connu pour comprendre un circuit 15 imprimé (PCB) comportant un circuit intégré intégrant le voltmètre. Le circuit intégré est un circuit intégré à application spécifique ASIC (Application Specific for Integrated Circuit) capable de traiter des signaux de tension pour les convertir en température. Il est capable de fournir un signal de sortie analogique ou numérique et d'utiliser un protocole (« SENT »). 20 Le signal de tension mesuré par le voltmètre aux deuxièmes extrémités des fils métalliques est transmis au circuit imprimé via des conducteurs électriques puis au circuit intégré. La variation de tension entre ces deux deuxièmes extrémités des fils métalliques du thermocouple est proportionnelle à la variation de température entre 25 la soudure chaude qui est à la température Ti et les deuxièmes extrémités des fils métalliques qui sont à une température de référence TO. En connaissant la température de référence TO du point froid et la tension entre les deuxièmes extrémités des fils métalliques, il est possible de déduire la température Ti du point chaud. Cependant, ces capteurs sont complexes et chers. L'invention a donc pour objectif de pallier à ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur pour répartiteur d'air d'admission comprenant un thermocouple plus simple et moins chers que ceux de l'art antérieur. 3053467 3 L'invention concerne un capteur destiné à un répartiteur d'air d'admission d'un véhicule automobile, ledit capteur comprenant : - un thermocouple comportant deux fils métalliques de nature différente soudés entre eux à deux premières extrémités formant une soudure chaude pour mesurer 5 une température Ti d'un gaz circulant à l'intérieur du répartiteur d'air d'admission, lesdits deux fils métalliques comportant chacun une deuxième extrémité connectée électriquement à un substrat, et - une sonde de pression destinée à mesurer la pression du gaz circulant à l'intérieur du répartiteur d'air d'admission. 10 Le substrat comporte un composant électronique permettant de calculer la température Ti aux deux premières extrémités du thermocouple à partir d'une tension mesurée aux deuxièmes extrémités du thermocouple et d'une température de référence TO. Selon l'invention, la sonde de pression est intégrée dans le composant 15 électronique. Le capteur peut en outre comprendre une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : - le composant électronique comprend une sonde de température pour mesurer la température de référence TO, 20 - le composant électronique comprend deux sous composants électroniques distincts dont un premier sous composant électronique dédié au calcul de la température Ti et un deuxième sous composant électronique intégrant la sonde de pression et/ou la sonde de température mesurant la température de référence TO, - la sonde de température pour mesurer la température de référence TO est 25 positionnée à l'extérieur du composant électronique et à proximité des deuxièmes extrémités du thermocouple, - le substrat comprend une couche de dissipation thermique, - le composant électronique comprend une couche de dissipation thermique, - la couche de dissipation thermique est positionnée sur une première face du 30 substrat qui est opposée à une deuxième face supportant le composant électronique, - la deuxième face supportant le composant électronique est orientée du côté des deux premières extrémités du thermocouple. L'invention fournit ainsi un capteur pour répartiteur d'air d'admission comprenant un thermocouple plus simple et moins chers que ceux de l'art antérieur. 3053467 4 Le nombre de composants électroniques est réduit étant donné que le traitement des données de température et la mesure de pression sont réalisés dans le même composant électronique. Le même circuit intégré à application spécifique ASIC permet de traiter la 5 température et la pression et de fournir des signaux numériques. Lorsque le composant électronique comprend la sonde de température mesurant la température de référence TO, la couche de dissipation thermique permet un meilleur transfert de la température de référence TO localisée à l'endroit des deuxièmes extrémités du thermocouple vers la sonde de température. Les calories 10 sont mieux dissipées à travers le substrat. Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur de l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique de ce capteur monté sur un 15 répartiteur d'air d'admission d'un véhicule ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un capteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un capteur selon un autre mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 1 représente un capteur 1 de l'art antérieur. La figure 2 représente ce capteur 1 monté sur un répartiteur d'air d'admission 2 d'un véhicule. Le capteur de température 1 comprend un thermocouple 4 comportant deux fils métalliques 3 différents soudés entre eux à une première extrémité 4a formant une soudure chaude (ou point chaud) pour mesurer une température T1 dans le 25 moteur (non représenté). La température T1 correspond à la température du milieu à mesurer. Les fils métalliques 3 sont constitués de deux métaux différents, comme par exemple un couple de métaux Nisil/Nicrosil. Le thermocouple 4 est de type J, K, T, R, S, N, par exemple. 30 Les deux fils métalliques 3 comportent chacun une deuxième extrémité 4b connectée électriquement à un voltmètre mesurant la tension entre les deux deuxièmes extrémités 4a. 3053467 5 Le capteur 1 comprend un substrat 5 comprenant un composant électronique 7 formé d'un semi-conducteur sur lequel est assemblé un circuit intégré. Le substrat 5 peut être un circuit imprimé ou une céramique. Le composant électronique 7 comprend le voltmètre. 5 Le composant électronique 7 est un circuit intégré à application spécifique ASIC (Application Specific for Integrated Circuit) capable de traiter des signaux de tension pour les convertir en température. Il est capable de fournir un signal de sortie analogique ou numérique et d'utiliser un protocole (« SENT »). En connaissant la température de référence TO et la tension aux deuxièmes 10 extrémités 4b des fils métalliques 3 du thermocouple 4, on en déduit la température T1 de la soudure chaude (ou point chaud) qui correspond à la température du milieu à mesurer dans le moteur du véhicule. Le capteur 1 comprend un boitier de protection 13 en polymère dans lequel sont logés les deuxièmes extrémités 4b des fils métalliques 3 du thermocouple 4 et 15 le substrat 5. Le substrat 5 est logé dans une cavité 17 formée dans le boitier de protection 13. Les deuxièmes extrémités 4b des fils métalliques 3 du thermocouple 4 sont connectées électriquement à deux plots électriques 14 par soudure ou sertissage, 20 par exemple. Les deux plots électriques 14 sont connectés au substrat 5. Le capteur 1 comporte deux éléments de guidage 15 comportant chacun un évidemment en forme en V ou en U agencé pour recevoir une portion des fils métalliques 3 du thermocouple 4. Le capteur 1 comprend un connecteur 16 pour le relier électriquement à un 25 dispositif électronique (non représenté). Comme représenté sur la figure 2, représentant un capteur 1 monté sur une partie d'un répartiteur d'air d'admission 2 d'un véhicule automobile, les deux premières extrémités 4a du thermocouple 4 sont protégées par une arche 18. Cette arche 18 permet de protéger les deux premières extrémités 4a du thermocouple 4 30 des chocs pouvant se produire lors du transport du capteur 1 avant son assemblage sur un répartiteur d'air d'admission 2. L'arche 18 est largement ajourée et n'empêche pas le flux d'air d'accéder à l'élément sensible à la température 5. 3053467 6 Le capteur 1 peut ainsi être vissé sur la portion du répartiteur d'air d'admission 2, par une ou plusieurs vis traversant une ou des pattes de fixations agencées dans le capteur 1. Le capteur 1 comprend une sonde de pression 6 destinée à mesurer la 5 pression du gaz circulant à l'intérieur du répartiteur d'air d'admission 2, comme représenté sur la figure 3. Selon l'invention, la sonde de pression 6 est intégrée dans le composant électronique 7. Un seul composant électronique 7 ou circuit intégré est nécessaire pour traiter les données de températures et de pression, simplifiant l'électronique du 10 capteur 1 et réduisant son coût. Le composant électronique 7 délivre ainsi des signaux de pression et de température numériques. La transmission des signaux de mesure des capteurs 4, 6 vers le dispositif électronique utilisant ces informations se fait par un protocole de communication numérique. Ceci permet d'utiliser le même dispositif électronique 15 pour la sonde de pression 6 et le thermocouple 4, réduisant le nombre d'éléments. Un tel capteur 1 permet de combiner deux fonctions, ce qui limite le nombre d'interfaces mécaniques à prévoir pour loger ces capteurs dans leur environnement, et simplifie le câblage électrique, en limitant le nombre de connexions et de ramifications. 20 Le composant électronique 7 peut comprendre également la sonde de température 8 mesurant la température de référence TO, comme représenté sur la figure 3. Alternativement, la sonde de température 8 mesurant une température de référence TO est disposée à proximité, c'est-à-dire dans le voisinage, ou en contact 25 des deuxièmes extrémités 4b du thermocouple 4 formant la soudure froide afin d'éviter un décalage entre la température mesurée et la température réelle, améliorant la précision. En variante, le composant électronique 7 comprend deux sous composants électroniques 9a, 9b distincts dont un premier sous composant électronique 9a dédié 30 au calcul de la température T1 et un deuxième sous composant électronique 9b intégrant la sonde de pression 6 et la sonde de température 8 mesurant la température de référence TO, comme représenté sur la figure 4. Alternativement, le deuxième sous composant électronique 9b peut comprendre seulement la sonde de pression 6. 3053467 7 Chaque sous composant électronique 9a, 9b est formé d'un semi-conducteur ou « die » en anglais sur lequel est assemblé un circuit intégré. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 3, le substrat 5 comprend une couche de dissipation thermique 10. 5 La couche de dissipation thermique 10 est positionnée sur une première face 11 du substrat 5 qui est opposée à une deuxième face 12 supportant le composant électronique 7. La deuxième face 12 supportant le composant électronique 7 est orientée du côté des deux premières extrémités 4a du thermocouple 4. 10 Lorsque le composant électronique 7 comprend la sonde de température 8 mesurant la température de référence TO, cette couche de dissipation thermique 10 permet un meilleur transfert de la température de référence TO depuis les deuxièmes extrémités 4b du thermocouple 4 vers la sonde de température 8. Les calories sont mieux dissipées à travers le substrat 5. Ceci permet de 15 réduire le décalage entre la température de référence TO réelle et la température lue par la sonde de température 8, améliorant la précision. REVENDICATIONS1. Capteur (1) destiné à un répartiteur d'air d'admission (2) d'un véhicule automobile, ledit capteur (1) comprenant : - un thermocouple (4) comportant deux fils métalliques (3) de nature différente soudés entre eux à deux premières extrémités (4a) formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 d'un gaz circulant à l'intérieur du répartiteur d'air d'admission (2), lesdits deux fils métalliques (3) comportant chacun une deuxième extrémité (4b) connectée électriquement à un substrat (5), - une sonde de pression (6) destinée à mesurer la pression du gaz circulant à l'intérieur du répartiteur d'air d'admission (2), - le substrat (5) comportant un composant électronique (7) permettant de calculer la température T1 aux deux premières extrémités (4a) du thermocouple (4) à partir d'une tension mesurée aux deuxièmes extrémités (4b) du thermocouple (4) et d'une température de référence TO, caractérisé en ce que : - la sonde de pression (6) est intégrée dans le composant électronique (7). 2. Capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant électronique (7) comprend une sonde de température (8) pour mesurer la température de référence TO. 3. Capteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant électronique (7) comprend deux sous composants électroniques (9a, 9b) distincts dont un premier sous composant électronique (9a) dédié au calcul de la température T1 et un deuxième sous composant électronique (9b) intégrant la sonde de pression (6) et/ou la sonde de température (8) mesurant la température de référence TO. 4. Capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde de température (8) pour mesurer la température de référence TO est positionnée à 3053467 9 l'extérieur du composant électronique (7) et à proximité des deuxièmes extrémités (4b) du thermocouple (4). 5. Capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 5 ce que le substrat (5) comprend une couche de dissipation thermique (10). 6. Capteur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de dissipation thermique (10) est positionnée sur une première face (11) du substrat (5) qui est opposée à une deuxième face (12) supportant le composant électronique (7). 10 7. Capteur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la deuxième face (12) supportant le composant électronique (7) est orientée du côté des deux premières extrémités (4a) du thermocouple (4). 15 8. Capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le composant électronique (7) comprend une couche de dissipation thermique (10). 20