Brevet FR3064741A1 — publié le 20181005

DISPOSITIF COMPACT DE MESURE DE TEMPÉRATURE DOMAINE TECHNIQUE [1] La mesure de paramètres physiques tels que la température, la pression, les contraintes, etc., dans un environnement moteur de turbomachine est indispensable pour une bonne gestion et une bonne régulation dudit moteur. Lorsque la température de l'environnement moteur et/ou d'une pièce particulière à instrumenter dépasse une température maximale de fonctionnement de l'électronique classique (125°C à 150°C), ces mesures deviennent plus compliquées à réaliser et nécessitent la mise en place, sur la pièce à instrumenter, de capteurs d'ondes acoustiques de surfaces (Surface Acoustic Wave, SAVV). [2] Ces capteurs fonctionnent, notamment, en se basant sur la propagation d'ondes acoustiques de surface. En effet, cette propagation dépend à la fois de la géométrie et des propriétés internes du matériau dans lequel est fait l'élément sensible (transducteur) du capteur mais également des conditions du milieu dans lequel se trouve le capteur (notamment la pièce à instrumenter sur laquelle le capteur est fixé). Ainsi, lorsque la température du milieu moteur augmente, les propriétés mécaniques, et notamment la propagation d'ondes de surface du capteur varient. [3] Par ailleurs, certains matériaux, dits piézo-électriques, comme par exemple le quartz [Si02] ou la tantalate de lithium [LiTa03], ont la particularité de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique (effet piézo-électrique direct). Réciproquement, ils se déforment lorsqu'on leur applique un champ électrique (effet piézo-électrique inverse). Ces matériaux génèrent un déplacement mécanique (des ondes acoustiques) sur leurs surfaces lorsqu'on leur applique un champ électrique et réciproquement. Un exemple bien connu de l'état de la technique est celui de l'allume-gaz, dans lequel la pression exercée par un utilisateur 3064741 2 produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d'une étincelle. [4] Ainsi, en mesurant la vitesse de propagation acoustique de l'onde créée sur les surfaces du matériau piézo-électrique ou les variations de son 5 amplitude, on peut accéder aux grandeurs du champ électrique qui leur est appliqué, et réciproquement. [5] Chaque capteur SAW comporte ainsi au moins un transducteur piézo-électrique et permet de transformer les ondes de surface de une pièce instrumentée à laquelle il est fixé (et répercutées sur le capteur), en 10 grandeurs électriques interprétables par un utilisateur. Ces grandeurs électriques peuvent être reliées à une variation de température, par exemple. [6] Ces capteurs présentent plusieurs avantages : d'une part ils ont la particularité d'être passifs, c'est-à-dire qu'ils ne nécessitent pas de source 15 d'énergie externe et, d'autre part, ils peuvent être interrogés sans liaison filaire. [7] L'avantage principal de ces capteurs est toutefois de résister à de très hautes températures telles qu'on en trouve classiquement dans un moteur de turbomachine : par exemple jusqu'à 600°C pour un capteur SAW 20 comportant un transducteur en Quartz, et au-delà de 900°C pour un capteur SAW comportant un transducteur en Langasite [A3BC3D2014] avec A, B, C et D cationiques. ÉTAT DE L'ART [8] Dans le cadre de l'instrumentalisation d'une pièce moteur, l'espace 25 disponible pour fixer un capteur avec son antenne et son enveloppe est très réduit. Il faut donc réduire un maximum l'encombrement stérique généré par ledit capteur et son antenne, tout en respectant des contraintes de taille, de forme et de tenue en température, pour ne pas gêner le fonctionnement de la pièce instrumentée. Cette réduction de l'encombrement stérique peut se faire par un réagencement du capteur et 3064741 3 de l'antenne l'un par rapport à l'autre. Toutefois, en fonction des réagencements envisagés, l'échange thermique entre la pièce à instrumenter et le transducteur du capteur peut être altéré, réduisant de fait l'efficacité et la précision de la mesure. 5 [9] L'invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème. EXPOSÉ DE L'INVENTION [10] La présente invention propose ainsi un dispositif permettant de fixer un capteur et son antenne de manière compacte, en respectant les 10 contraintes de taille, de forme et de tenue en température de l'environnement de mesure, et en améliorant l'échange thermique entre le capteur et la pièce à instrumenter. [11] L'invention propose un dispositif compact de mesure de température destiné à être mis en relation avec une pièce à instrumenter, le dispositif 15 comportant : - un capteur d'ondes acoustiques de surface (SAW), et - une antenne, caractérisé en ce que le système comporte en outre un support en céramique formant enveloppe étanche pour le capteur et substrat pour 20 l'antenne, ledit support étant conçu de manière à permettre un échange thermique entre le capteur et la pièce à instrumenter. [12] Ce support céramique peut être taillé en fonction de l'encombrement disponible pour accueillir le dispositif dans le milieu moteur tout en optimisant son fonctionnement. 25 [13] Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - au moins une cavité, dite première cavité, est ménagée dans le support, de manière à accueillir le capteur, 3064741 4 - ladite première cavité est scellée de manière à comprendre une poche formant milieu inerte, - ladite première cavité est scellée au moyen d'un capot, - ladite première cavité est une cavité étagée comprenant une 5 première partie destinée à accueillir le capteur, et une deuxième partie formant ladite poche, - l'antenne est intégrée au support de manière à former une pièce monobloc avec le substrat, - une face du capteur, de préférence arrière, est mise en contact avec 10 la pièce à instrumenter par le biais d'un matériau thermo-conducteur, - le matériau thermo-conducteur comporte une couche de colle thermo-conductrice, - le matériau thermo-conducteur comporte un élément intégré dans une deuxième cavité ménagée dans le support, 15 - la deuxième cavité communique avec la première cavité, - une liaison électrique entre le capteur et l'antenne est assurée par au moins un via et/ou au moins une piste intermétallique ménagé(s) dans le support, - la liaison électrique entre le capteur et l'antenne est assurée par un 20 bonding (pontage). - la liaison électrique entre le capteur et l'antenne est assurée par une colle conductrice. DESCRIPTION DES FIGURES [14] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques 25 et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématisée, du dessus, d'un capteur SAW, 3064741 5 - la figure 2 est une vue en coupe schématisée, du dessous d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention, fixé sur une pièce à instrumenter, - les figures 3a et 3b sont des vues schématisées, respectivement de côté 5 et de face, du dispositif selon le mode de réalisation de la figure 2, fixé sur une pièce à instrumenter, - la figure 4 est une vue schématisée, de dessus, du dispositif selon le mode de réalisation de la figure 3, - la figure 5 est une vue similaire à la figure 2 d'un deuxième mode de 10 réalisation de l'invention, - les figures 6a et 6b sont des vues similaires aux figures 3a et 3b, respectivement, du mode de réalisation de la figure 5, - la figure 7 est une vue similaire à la figure 4 du mode de réalisation de la figure 5. 15 DESCRIPTION DÉTAILLÉE [15] Comme visible sur la figure 1, un capteur d'ondes acoustiques de surface SAW 10 présente typiquement une forme rectangulaire et une épaisseur d'un dixième de mm. Au centre du capteur 10 se trouve au-moins un transducteur interdigital 12. De manière classique et connue en 20 soi, le transducteur 12 comporte deux électrodes métalliques situées à la surface d'un substrat piézo-électrique de manière à former une structure dite périodique : chaque électrode présente la forme d'un peigne. Elles sont imbriquées l'une dans l'autre, sans contact. Lorsqu'une variation de tension est appliquée entre les électrodes du transducteur interdigital 12, le 25 matériau piézo-électrique répond en générant des ondes de surface spécifiques à la variation de tension appliquée. Un second transducteur interdigital, situé sur le même substrat piézo-électrique, permet par exemple, de transformer les ondes de surfaces générées par le premier transducteur interdigital 12 en un signal électrique qui peut être renvoyé 30 vers un lecteur (non représenté). 3064741 6 [16] Le capteur 10 comporte, en outre, sur sa face supérieure, dans chacun de ses coins, un pad métallique 14 destiné à permettre la mise en relation du capteur 10 avec un environnement électronique, notamment une antenne 16. 5 [17] L'antenne 16 permet, dans le cas d'une interrogation sans liaison filaire, d'une part, l'excitation du transducteur 12 et, d'autre part, permet de renvoyer l'information collectée au lecteur (non représenté). [18] Dans le cadre de la présente invention, le capteur 10 est intégré à un dispositif compact 18 de mesure de température destiné à être mis en 10 relation avec la pièce à instrumenter 20. Le dispositif 18 comporte ainsi le capteur 10, l'antenne 16 et un support 22 en céramique. Le support en céramique 22 est destiné à être fixé sur la pièce à instrumenter 22. Ce support céramique 22 forme à la fois enveloppe étanche pour le capteur 10 et substrat pour l'antenne 16. 15 [19] Plus particulièrement, l'antenne 16 est une antenne planaire de type monopole, dipôle ou méandre, et elle est intégrée au support céramique 22 de manière à former une pièce monobloc avec ledit support 22. Une antenne planaire est une antenne plane dont l'élément rayonnant est classiquement une surface conductrice carrée, présentant une 20 ressemblance visuelle et structurelle avec un circuit électronique imprimé sur un substrat. [20] Le lien entre le capteur 10 et l'antenne 16 se fait notamment via le support en céramique 22, comme visible sur les figures 3a et 6a. Plus particulièrement, la connexion électrique entre le capteur 10 et l'antenne 16 25 se faite au moyen des pads 14 du capteur 10, de vias et/ou de pistes intermétalliques ménagés dans le corps du support céramique 22. [21] Le matériau utilisé pour former le support 22 est une céramique résistante aux hautes températures, tel que, par exemple le Nitrure d'Aluminium (AIN) ou l'Alumine (A1203). 30 [22] Comme mentionné plus haut, la forme de ce support céramique 22 peut être modulée en fonction de l'encombrement disponible pour accueillir 3064741 7 le dispositif 18 dans le milieu moteur. La forme finale du dispositif 18 peut être circulaire, circulaire et conique ou simplement un arc de cercle selon la géométrie de la pièce à instrumenter. L'épaisseur du support céramique 22 (et donc de l'ensemble du dispositif 18) est de l'ordre de 4mm, 5 préférentiellement 2mm. [23] Le support céramique 18 assure également une fonction dite de « package » et assure la protection du transducteur 12 de toute contamination (par exemple un champ magnétique indésirable induisant une tension électrique parasite) issue du milieu moteur dans lequel se 10 trouve la pièce à instrumenter 20. En particulier, au moins une cavité 24, (appelée première cavité 24 et illustrée notamment aux figures 3b et 6b), est ménagée dans le support céramique 22, de manière à accueillir le capteur 10 et cette première cavité 24 est scellée de manière à former ou à comprendre une poche 26 formant milieu inerte. La première cavité 24 15 (et/ou la poche 26) est ainsi typiquement remplie de gaz neutre tel que du diazote (N2) ou de l'argon (Ar), et le procédé de montage du capteur 10 dans le support céramique 22 est réalisé sous atmosphère contrôlée. [24] Le support 22 est également conçu de manière à permettre un échange thermique amélioré entre le capteur 10 et la pièce à instrumenter 20 20. [25] Selon un premier mode de réalisation, illustré aux figures 2, 3a, 3b et 4, le capteur 10 est positionné dans la première cavité 24 ménagée dans le support céramique 22. Dans ce mode de réalisation, la première cavité 24 est une cavité étagée comprenant une première partie, inférieure, destinée 25 à accueillir le capteur 10, et une deuxième partie, supérieure, formant la poche 26 inerte. [26] Le contact entre le support céramique 22 et la pièce à instrumenter 20 ainsi que le contact entre le support céramique 22 et le transducteur 12 (et la fixation de ce dernier sur le support céramique 12) est assurée par au 30 moins un matériau thermo-conducteur, en l'occurrence une colle thermo- conductrice haute température. En addition de la couche de colle thermo- 3064741 8 conductrice, un dissipateur thermique 28 de forme annulaire (voir figure 3a) est inséré entre le capteur 10 et la pièce à instrumenter 20 de manière à renforcer le maintien du capteur 10 dans la première cavité 24. [27] De manière connue en soi, un dissipateur thermique est un dispositif 5 destiné à favoriser l'évacuation de l'énergie thermique dissipée par un corps, par exemple les pertes dissipées par un élément semi-conducteur tel que certaines céramiques. [28] En particulier, le capteur 10 est positionné sur le dissipateur thermique 28, lui-même mis en contact avec la pièce à instrumenter 20. 10 Les faces arrières du capteur 10 et du dissipateur thermique 28 sont recouvertes de colle thermo-conductrice de manière à assurer un bon transfert de chaleur entre le capteur 10 et la pièce à instrumenter 20 via le support céramique 22 (le dissipateur thermique 28 en l'occurrence). La colle thermo-conductrice permet également de renforcer l'inertie du milieu 15 inerte de la poche 26, en jouant le rôle de joints d'étanchéité. [29] Ainsi, la chaleur dissipée par la pièce à instrumenter 20 se propage à travers le dissipateur thermique 28 et/ou les couches de colle thermoconductrice jusqu'à atteindre le capteur 10. La chaleur affecte les propriétés physiques des différents matériaux composant et/ou entourant le 20 capteur 10 et ceci induit une réponse du substrat piézo-électrique du transducteur 12 qui est envoyée, via l'antenne 16 sur le lecteur (non représenté). [30] Dans un deuxième mode de réalisation, l'échange thermique entre le transducteur 12 et la pièce à instrumenter 20 est amélioré par l'ajout d'un 25 matériau thermo-conducteur, par exemple du cuivre-tungstène [CU-W], directement dans le support céramique 22. Ainsi, la face arrière du capteur 10 est mise en contact avec la pièce à instrumenter 20 par le biais d'un matériau thermo-conducteur comportant un élément 30 intégré dans une deuxième cavité 32 ménagée dans le support céramique 22. Cette 30 deuxième cavité 32 communique avec la première cavité 24 dans laquelle est positionné le capteur 10. Plus précisément, la deuxième cavité 32 se 3064741 9 situe en dessous de la première cavité 24. Cette deuxième cavité 32 permet d'accueillir et de fixer le matériau thermo-conducteur dans le support 22. Cet agencement permet à l'élément 30 de remonter la chaleur dissipée par la pièce à instrumenter 20 vers la surface arrière du capteur 5 10. La surface utile de l'élément 30 peut être réduite à la surface du transducteur 12. [31] De même que dans le mode de réalisation précédent, le capteur 10 est collé avec de la colle thermo-conductrice haute température, par sa face arrière, sur le support céramique 22, en particulier, sur la face 10 supérieure de l'élément 30 au contact de la poche 26, comme visible sur la figure 6b. [32] Dans ce mode de réalisation, comme visible sur la figure 6a, la liaison électrique entre le capteur 10 et l'antenne 16 se fait au moyen d'un bonding 34. 15 [33] Dans ce mode de réalisation, la première cavité 24 étant débouchante, le scellage de la poche 26 (et donc l'existence de l'inertie du milieu dans lequel est placé le capteur 10), un capot 36 en Kovar (alliage FeNiCo) est fixé sur la face supérieure du support céramique 22, comme visible sur les figures 6a et 6b. La liaison entre le capot 36 et le support 20 céramique 22 est étanche. La fermeture du capot 36 se fait en atmosphère inerte (N2, Ar). [34] De même que dans le mode de réalisation précédent, la chaleur dissipée par la pièce à instrumenter 20 se propage à travers le support céramique 22 et en particulier l'élément 30 et les couches de colle thermo- 25 conductrice jusqu'à atteindre le capteur 10. La chaleur affecte les propriétés physiques des différents matériaux composant et/ou entourant le capteur 10 et ceci induit une réponse du substrat piézo-électrique du transducteur 12 qui est envoyée, via l'antenne 16, sur le lecteur (non représenté). 30 REVENDICATIONS1. Dispositif (18) compact de mesure de température destiné à être mis en relation avec une pièce à instrumenter (20), le dispositif (18) 5 comportant : un capteur (10) d'ondes acoustiques de surface (SAW), et une antenne (16), caractérisé en ce que le dispositif (18) comporte en outre un support en céramique (22) formant enveloppe étanche pour le capteur (10) et substrat 10 pour l'antenne (16), ledit support (22) étant conçu de manière à permettre un échange thermique entre le capteur (10) et la pièce à instrumenter (20). 2. Dispositif (18) selon la revendication précédente, dans lequel au moins une cavité (24), dite première cavité, est ménagée dans le support (22), de manière à accueillir le capteur (10). 15 3. Dispositif (18) selon la revendication précédente, dans lequel ladite première cavité (24) est scellée de manière à comprendre une poche (26) formant milieu inerte. 4. Dispositif (18) selon la revendication précédente, dans lequel ladite première cavité (24) est une cavité étagée comprenant une première partie 20 destinée à accueillir le capteur (10), et une deuxième partie formant ladite poche (26). 5. Dispositif (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'antenne (16) est intégrée au support (22) de manière à former une pièce monobloc avec le support (22). 25 6. Dispositif (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une face du capteur (10), de préférence arrière, 3064741 11 est mise en contact avec la pièce à instrumenter (20) par le biais d'un matériau thermo-conducteur. 7. Dispositif (18) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau thermo-conducteur comporte une couche de colle thermo5 conductrice. 8. Dispositif (18) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le matériau thermo-conducteur comporte un élément (30) intégré dans une deuxième cavité (32) ménagée dans le support (22), ladite deuxième cavité (32) permettant d'accueillir et de fixer le matériau thermo- 10 conducteur dans le support (22). 9. Dispositif (18) selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième cavité (32) communique avec la première cavité (24). 10. Dispositif (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une liaison électrique entre le capteur (10) et 15 l'antenne (16) est assurée par au moins un via et/ou au moins une piste intermétallique ménagé(s) dans le support (22).