Brevet FR3076395A1 — publié le 20190705

Dispositif de controle thermique d'un composant, systeme electronique et plate- forme associ6s La presente invention concerne un dispositif de controle thermique d'un composant. La presente invention se rapporte egalement a un systeme electronique et a une plate-forme comportant un tel systeme. Dans le domaine avionique, la mesure des parametres de vol est une mesure de grande importance pour s'assurer que l'avion suit bien une trajectoire qui est souvent predefinie. La mesure des parametres de vol est realisee par des capteurs inertiels. Toutefois, du fait de Ia variation de temperature des avions en vol, les capteurs inertiels subissent un biais du au gradient thermique qui est prejudiciable a la mesure des parametres de vol. II est donc souhaitable de controler Ia temperature d'un systeme electronique, et notamment un capteur inertiel de grande precision. II est connu pour controler Ia temperature d'un systeme electronique, notamment un oscillateur, de rechauffer le composant a une temperature haute. Toutefois, un tel controle degrade les performances et Ia fiabilite du systeme electronique. En outre, le controle implique de ('electronique de regulation de Ia temperature, ce qui est coOteux et peut impacter Ia fiabilite et l'encombrement du systeme de mesure. II existe donc un besoin pour un dispositif de controle de la temperature d'un composant qui soit plus fiable et moins encombrant. A cet effet, il est propose un dispositif de controle thermique d'un composant, le dispositif de controle comportant une alimentation electrique, un convertisseur propre a convertir une variation de temperature en une variation de resistance, un module de refroidissement comportant deux faces, une premiere face a une premiere temperature et une deuxieme face A une deuxieme temperature, Ia difference entre Ia premiere temperature et la deuxieme temperature etant fonction du courant alimentant le module de refroidissement, la premiere face etant en contact avec le composant, le module de refroidissement, le convertisseur et ('alimentation electrique etant agences electriquement pour que le courant alimentant le convertisseur diminue avec une augmentation de temperature et que le courant alimentant le module de refroidissement reste constant. Suivant des modes de realisation particuliers, le dispositif de controle comprend une ou plusieurs des caracteristiques suivantes, prise(s) isolement ou suivant toute combinaison techniquement possible : - Ia deuxieme face est agencee pour etre maintenue a une temperature constante. 2 - le module de refroidissement et le convertisseur sont agences en parallele avec ('alimentation electrique. - le convertisseur presente une resistance qui augmente avec la temperature. - le convertisseur est propre a convertir une augmentation de temperature en une 5 variation de resistance. - le convertisseur est une thermistance. - le dispositif de controle est un dispositif autoregule. - le composant comporte un capteur et un boitier de protection, le boitier etant notamment en ceramique, la premiere face etant en contact avec le capteur. 10 - le composant comporte un capteur et un boitier de protection, le boitier etant notamment en ceramique, la premiere face etant en contact avec le boitier. - le convertisseur et les faces du module de refroidissement sont realises chacun en materiau ceramique. - la deuxieme face est realisee en une ceramique de type CTP. 15 - le capteur est un systeme microelectromecanique, en particulier un systeme microelectromecanique inertiel, par exemple un accelerometre ou un gyrometre. II est aussi propose un systeme electronique comportant un composant et un dispositif de controle thermique du composant, le dispositif de controle etant tel que precedemment decrit. 20 La description propose aussi une plate-forme comportant un systeme electronique tel que precedemment decrit. D'autres caracteristiques et avantages de l'invention apparaitront a la lecture de la description qui suit des modes de realisation de l'invention, donnee a titre d'exemple uniquement et en reference aux dessins qui sont : 25 - figure 1, une vue schematique d'une plate-forme comportant un systeme electronique, - figure 2, une representation d'un exemple de systeme electronique, - figure 3, une vue schematique d'un exemple de module de refroidissement, et - figure 4, une representation d'un autre exemple de systeme electronique. 30 Une plate-forme 10 est illustree sur la figure 1. Une plate-forme 10 est soit mobile comme pour le cas de vehicule ou d'un aeronef ou immobile comme pour le cas d'un batiment. Dans le cas de la figure 1, la plate-forme 10 est un aeronef. Par definition, un aeronef est un moyen de transport capable de s'elever et de se 35 mouvoir en altitude, au sein de ('atmosphere terrestre. Un avion ou un helicoptere sont des exemples d'aeronefs. 3 La plate-forme 10 comporte un systeme electronique 12, le systeme electronique 12 comportant un composant 14 et un dispositif de controle 16 thermique. Un exemple de systeme electronique 12 est visible a Ia figure 2. Dans cet exemple, le composant 14 comporte un capteur 18 et un baler 20 de 5 protection. Le capteur 18 illustre est un systeme microelectromecanique. Le systeme microelectromecanique est un systeme souvent designe sou l'acronyme MEMS renvoyant au terme anglais de « Microelectromechanical systems ». Par definition, un systeme microelectromecanique est un microsysterne 10 comprenant un ou plusieurs elements mecaniques, utilisant l'electricite comme source d'energie, en vue de realiser une fonction de capteur, avec au moins une structure presentant des dimensions micrometriques. A titre d'illustration, le capteur 18 est un systeme microelectromecanique inertiel. Un tel capteur 18 est propre a mesurer Ia mesure des parametres de vol. 15 Par exemple, le capteur 18 est un accelerometre ou un gyrometre. Le bonier 20 est un baler destine a proteger le capteur 18 de I'environnement exterieur. Dans le cas Must& le boitier 20 comporte une plaque de fermeture 21 et une embase 23. 20 La plaque de fermeture 21 et I'embase 23 sont relies ensemble pour que le boitier 20 presente en section la forme d'un cadre. Selon ('exemple decrit, le baler 20, et notamment l'embase 23, est en ceramique. Le dispositif de controle 16 permet de garantir que le capteur 18 reste sensiblement a la merne temperature, une temperature qui est potentiellement inferieure 25 a Ia temperature ambiante. Comme le dispositif de controle 16 est depourvu d'electronique d'asservissement en temperature, le dispositif de controle 16 est un dispositif autoregule de maintien a une temperature du capteur 18. Le dispositif de controle 16 comporte une alimentation electrique 22, un 30 convertisseur 24 et un module de refroidissement 26. Selon ('exemple decrit, l'alimentation electrique 22 est propre a delivrer un courant constant. A titre d'illustration, l'alimentation electrique 22 est un generateur de courant. L'alimentation electrique 22 alimente le convertisseur 24 via un premier lien 25A et le module de refroidissement 26 via un deuxierne lien 25B. 4 Selon une variante non representee, ('alimentation electrique 22 est repartie en deux alimentations distinctes, une alimentation reliee au convertisseur 24 et I'autre alimentation reliee au module de refroidissement 26. Le convertisseur 24 est propre a convertir une variation de temperature en une 5 variation de resistance. Dans un tel cas, le convertisseur 24 est souvent designe comme convertisseur CTP, le sigle CTP signifiant Coefficient de Temperature Positif. Le sigle anglais PTC pour « Positive Temperature Coefficient » est parfois utilise. Le convertisseur 24 est alors un dispositif dont Ia resistance varie avec Ia 10 temperature. Selon l'exemple decrit, le convertisseur 24 est une thermistance. Une thermistance presente une variation relativement importante de Ia resistance en fonction de Ia temperature, cette variation pouvant etre assez irreguliere ou soudaine, dans un domaine etroit de temperature (typiquement entre 0 °C et 100 °C). 15 La thermistance est, par exemple, realisee en oxyde metallique ou en un materiau composite. En variante, le convertisseur 24 est une thermo-resistance. La thermo-resistance presente une augmentation reguliere de Ia resistivite de certains metaux (argent, cuivre, nickel, or, platine, tungstene, titane) avec ['augmentation 20 de Ia temperature. Le module de refroidissement 26 comporte deux faces 28 et 30. La premiere face 28 est a une premiere temperature T1. La premiere face 28 est en contact avec le composant 14. Plus precisement, dans l'exemple de Ia figure 2, Ia premiere face 28 est en contact 25 avec le capteur 18. Pour faciliter le controle de Ia temperature du capteur 18, Ia premiere face 28 presente une surface dont l'integralite est en contact avec le capteur 18. La deuxieme face 30 est a une deuxieme temperature T2. La deuxieme face 30 presente une surface de meme taille que Ia surface de la 30 premiere face 28. Selon I'exemple decrit, Ia deuxieme face 30 est agencee pour etre maintenue une temperature constante. A titre d'illustration, Ia deuxieme face 30 est en contact avec le convertisseur 24. Selon I'exemple de Ia figure 2, le convertisseur 24 presente une face dont Ia 35 surface est de merne taille que Ia surface de Ia deuxieme face 30. 5 La difference entre Ia premiere temperature T1 et la deuxieme temperature T2 est fonction du courant alimentant le module de refroidissement 26. La fonction depend de multiples parametres comme les materiaux utilises pour realiser le module de refroidissement 26 ou ['amplitude du courant d'alimentation. 5 La fonction est, de preference, une fonction croissante. En pratique, la difference entre la premiere temperature T1 et Ia deuxieme temperature T2 est superieure en valeur absolue a 30°C, de preference superieure 40°C. Lorsque la difference entre la premiere temperature Ti et Ia deuxieme temperature 10 T2 est fonction du courant alimentant le module de refroidissement 26, le module de refroidissement 26 est appele un module Peltier puisque le module de refroidissement 26 utilise l'effet Peltier. Un exemple de tel module de refroidissement 26 est represents plus en detail sur la vue en coupe de la figure 3. 15 Dans l'exemple represent& le module de refroidissement 26 comporte entre une plaque inferieure 36, une plaque superieure 38, des jonctions 32 et des pistes conductrices 34. La plaque inferieure 36 est la plaque portant la deuxieme face 30 et la plaque superieure 38 est Ia plaque portant Ia premiere face 28. 20 Quatre jonctions 32 sont en contact avec la plaque superieure 38. Chaque jonction 32 est une jonction p-n. En physique des semi-conducteurs, une jonction p-n designe une zone du cristal oil le dopage varie brusquement, passant d'un dopage p a un dopage n. Lorsque la region dopee p est mise en contact avec la region n, les electrons et les trous diffusent 25 spontanement de part et d'autre de la jonction, creant ainsi une zone de depletion ou Ia concentration en porteurs libres est quasiment nulle. II est ainsi obtenu le fonctionnement d'une diode. Ainsi, le deplacement des electrons dans chaque jonction 32 joue le role d'un fluide caloporteur dans un compresseur thermique. 30 De ce fait, les jonctions 32 sont agencees spatialement pour etre en contact thermique sur une grande partie (plus de 70%) de Ia plaque superieure 38. Dans l'exemple represent& les jonctions 32 sont equireparties sur la premiere face 28 pour assurer un refroidissement homogene de Ia plaque superieure 38. Les pistes conductrices 34 sont en contact avec la plaque inferieure 36. 35 En outre, dans l'exemple illustre, les pistes conductrices 34 sont au nombre de deux et sont en contact avec deux jonctions 32 respectives. 6 Le module de refroidissement 26 est alimente en courant constant par l'alimentation electrique 22 via le premier lien 25A. La puissance consommee par le module de refroidissement 26 est constante En fonctionnement, lorsque Ia temperature varie, par exemple du fait que Ia plate- 5 forme 10 est en vol s'iI s'agit d'un avion, Ia resistance du convertisseur 24 varie. Par exemple, lorsque Ia temperature augmente, Ia resistance du convertisseur 24 augmente. II en resulte que le courant alimentant le convertisseur 24 diminue lorsque Ia temperature ambiante augmente, et le convertisseur 24 se maintient a une temperature 10 constante. La deuxieme face 30 du module de refroidissement 26 est ainsi maintenue a une temperature constante. Le module de refroidissement 26 est alimente par une puissance electrique fixe de sorte que l'ecart de temperature entre la premiere face 28 et deuxieme face 30 est en permanence constant. La deuxieme face 30 etant maintenue a une temperature fixe et 15 l'ecart de temperature entre les deux faces 28 et 30 etant fixe, Ia premiere face 28 est maintenue a une temperature constante. Comme Ia temperature varie, la resistance du convertisseur 24 varie, et donc sa puissance electrique consommee varie de sorte que Ia premiere face 28 maintienne une temperature constante. Reciproquement, lorsque la temperature diminue, Ia resistance du convertisseur 20 24 diminue. II en resulte que le courant alimentant le convertisseur 24 est augmente de sorte que la deuxieme face 30 est maintenue a une temperature identique. L'ecart entre la premiere temperature T1 et Ia deuxieme temperature T2 restant fixe et le module de refroidissement 24 etant toujours alimente a une puissance constance, Ia premiere 25 temperature T1 reste fixe. Cela permet d'obtenir une autoregulation de la temperature du capteur 18 du composant 14. Le dispositif de controle 16 permet d'eviter le biais lie a Ia temperature dans Ia mesure du capteur 18. 30 Autrement formule, I'emploi du dispositif de controle 16 permet de conserver les performances et Ia fiabilite du systeme electronique 12 lors du fonctionnement de Ia plate-forme 10. Par rapport a une thermistance seule maintenant Ia temperature du capteur 18 a une haute temperature, ('augmentation de Ia fiabilite du capteur 18 dans ce contexte 35 provient du fait que le module de refroidissement 26 assure que Ia temperature de fonctionnement du capteur 18 est plus faible. 7 Cette temperature relativement faible est obtenue sans aucune electronique de regulation de la temperature n'est impliquee, de sorte que le dispositif de contrOle 16 est moins couteux et n'impacte pas la fiabilite et l'encombrement du systeme electronique 12. Un autre mode de realisation est represents sur la figure 4. 5 Des memes remarques s'appliquent pour le mode de realisation de la figure 4 que pour le mode de realisation de Ia figure 2 de sorte qu'elles ne sont pas repetees dans ce qui suit. Seules les differences sont detainees dans ce qui suit. Dans ce cas, au lieu d'être en contact avec le capteur 18, Ia premiere face 28 est en contact avec l'embase 23. 10 En fonctionnement, lorsque Ia temperature varie, par exemple du fait que Ia plate- forme 10 est en vol s'il s'agit d'un avion, la resistance du convertisseur 24 varie. Par exemple, lorsque Ia temperature augmente, Ia resistance du convertisseur 24 augmente. II en resulte que le courant alimentant le convertisseur 24 est diminue de sorte que 15 la temperature de la deuxieme face 30 est maintenue fixe. L'ecart entre Ia premiere temperature T1 et la deuxieme temperature T2 restant constant, Ia premiere temperature T1 reste constante. Cela refroidit I'embase 23 qui, par conduction thermique, refroidit egalement le capteur 18. 20 Les mernes avantages que pour le mode de realisation de la figure 2 s'appliquent alors pour le mode de realisation de Ia figure 4 de sorte qu'ils ne sont pas repetes Selon une variante, le module de refroidissement 26 comporte un support en ceramique, le convertisseur 24 etant le support. Cela permet de gagner en compacite. 25 Selon une autre variante, le convertisseur 24 est propre a convertir une augmentation de temperature en une augmentation de resistance. De preference, le convertisseur 24 et les faces 28 et 30 du module de refroidissement 26 sont realises chacun en materiau ceramique. Plus precisement, par ('expression « les faces 28 et 30 sont realisees en materiau ceramique », it est entendu 30 que les plaques inferieure 36 et superieure 38 sont realisees en materiau ceramique. Avantageusement, la deuxieme face 30 (c'est-a-dire la plaque inferieure 36) est realisee en une ceramique CTP. Par definition, une ceramique de type CTP est une ceramique propre a convertir une variation de temperature en une variation de resistance. Dans un tel mode de realisation, Ia deuxieme face 30 joue egalement le role du 35 convertisseur 24. Cela rend le dispositif de controle 16 encore plus aise a realiser. 8 En complement ou optionnellement, ('alimentation electrique 22 est un generateur de tension. De maniere generale, le module de refroidissement 26, le convertisseur 24 et ('alimentation electrique 22 sont agences electriquement pour que le courant alimentant le 5 convertisseur 24 diminue avec une augmentation de temperature et que le courant alimentant le module de refroidissement 26 reste constant. L'invention REVENDICATIONS1.- Dispositif de controle (16) thermique d'un composant (14), le dispositif de contrOle (16) comportant : - une alimentation electrique (22), - un convertisseur (24) propre a convertir une variation de temperature en une variation de resistance, - un module de refroidissement (26) comportant deux faces (28, 30), une premiere face (28) a une premiere temperature (T1) et une deuxieme face (30) a une deuxieme temperature (T2), Ia difference entre la premiere temperature (T1) et Ia deuxieme temperature (T2) etant fonction du courant alimentant Ie module de refroidissement (26), Ia premiere face (28) etant en contact avec le composant (14), le module de refroidissement (26), Ie convertisseur (24) et ('alimentation electrique (22) etant agences electriquement pour que Ie courant alimentant le convertisseur (24) diminue avec une augmentation de temperature et que le courant alimentant le module de refroidissement (26) reste constant. 2.- Dispositif de contrOle selon Ia revendication 1, dans lequel Ia deuxieme face (30) est agencee pour etre maintenue a une temperature constante. 3.- Dispositif de controle selon la revendication 1 ou 2, dans lequel Ie module de refroidissement (26) et le convertisseur (24) sont agences en parallele avec ('alimentation electrique (22). 4.- Dispositif de controle selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, dans lequel le convertisseur (24) presente une resistance qui augmente avec Ia temperature. 5.- Dispositif de controle selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, dans lequel le dispositif de controle (16) est un dispositif autoregule. 6.- Dispositif de controle selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, dans lequel le composant (14) comporte un capteur (18) et un boitier (20) de protection, Ie boitier (20) etant notamment en ceramique, Ia premiere face (28) etant en contact avec le capteur (18) ou le boitier 10 7.- Dispositif de controle selon I'une quelconque des revendications 1 a 6, dans lequel le convertisseur (24) et les faces (28, 30) du module de refroidissement (26) sont realises chacun en materiau ceramique. 5 8.- Dispositif de controle selon la revendication 7, dans lequel la deuxieme face (30) est realisee en une ceramique de type CTP. 9.- Dispositif de controle selon I'une quelconque des revendications 6 a 8, dans lequel le capteur (18) est un systeme microelectromecanique, en particulier un systeme 10 microelectromecanique inertiel, par exemple un accelerometre ou un gyrometre. 10.- Systeme electronique (12) comportant : - un composant (14), et - un dispositif de controle (16) thermique du composant (14), le dispositif de 15 controle (16) etant selon I'une quelconque des revendications 1 a 9. 11.- Plate-forme (10) comportant un systeme electronique (12) selon la revendication 10.