FR2543684A1 - Dispositif de detection et de mesure d'une matiere specifique, et notamment de la concentration d'une matiere non aqueuse dans un liquide - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE DETECTION CAPACITIF 1 POUR DETECTER LA PRESENCE ET POUR MESURER LA CONCENTRATION D'UNE MATIERE SPECIFIQUE NON AQUEUSE DANS UN FLUIDE, CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN CONDENSATEUR 11 AYANT UNE SERIE D'ELECTRODES ESPACEES CONDUCTRICES DE L'ELECTRICITE, CES ELECTRODES ETANT DESTINEES A ETABLIR UN CHAMP ELECTRIQUE CAPACITIF ENTRE ELLES; UNE PREMIERE COUCHE DE MATIERE RECOUVRANT CES ELECTRODES CONDUCTRICES; ET UNE SECONDE COUCHE DE MATIERE RECOUVRANT LA PREMIERE COUCHE DE MATIERE, CETTE SECONDE COUCHE DE MATIERE ETANT PERMEABLE A LA MATIERE SPECIFIQUE, DE SORTE QUE CELLE-CI PEUT ETRE DETECTEE ET QUE SA CONCENTRATION PEUT ETRE MESUREE A LA SUITE DE SON ENTREE DANS LE CHAMP ELECTRIQUE ENTRE LES ELECTRODES, QUI CHANGE AINSI LA CAPACITE ENTRE LESDITES ELECTRODES.

Description

La présente invention concerne des dispositifs utilisant des conden-

sateurs à structure interdigitée pour la détection et la mesure de la con-

centration de fluides non aqueux sélectionnés, par exemple des gaz et des liquides ou des matières ou particules non aqueux spécifiques, par exemple des ions, des molécules ou similaires contenus dans des fluides. On connait et on utilise couramment dans la technique antérieure des

condensateurs du type comportant des plaques ou des doigts à structure in-

terdigitée Ces dispositifs ont été utilisés dans diverses réalisations pour indiquer l'humidité de l'atmosphère Par exemple, dans le brevet US 2 219 497, on a décrit un condensateur de test du type électrostatique

comportant des électrodes en forme de doigts à structure interdigitée recou-

vertes d'une couche de matière hydroscopique destinée à absorber l'humidité

de l'air dans une proportion connuepar rapport à l'humidité relative de l'air.

Ce brevet décrit plusieurs constructions de condensateurs comportant une structure interdigitée en ligne droite et des cercles concentriques fixés

aux électrodes opposées sur un substrat.

D'autre part, le brevet US 4 164 868 décrit un transducteur d'humidité de type capacitif comportant deux revêtements conducteurs de l'électricité

espacés l'un de l'autre, une pellicule diélectrique ayant des caractéristi-

ques d'absorption de l'eau recouvrant des portions des revêtements conduc-

teurs de l'électricité Ensuite, une couche perméable à l'eau et conductrice de l'électricité est disposée extérieurement sur la pellicule diélectrique

recouvrant les revêtements conducteurs qui constituent les plaques du con-

densateur.

Dans ce dernier brevet, le changement résultant de la capacité me-

surée entre les plaques du condensateur et modifiée par la pellicule

d'absorption de l'eau est détecté par l'incorporation du transducteur capa-

citif d'humidité dans un circuit électrique convenable, assurant la mesure

de la capacité et du changement de capacité.

On connaft déjà dans ce domaine des circuitsélectriques appropriés pour mesurer la capacité des transducteurs du type à capacité; par exemple, dans Review of Scientific Instruments, Volume 44, n O 10, octobre 1973, les auteurs Dean R Harrison et John Dimeff décrivent un circuit en pont du type à quatre diodes utilisable avec des transducteurs à capacité procurant un procédé très précis de mesure de la capacité d'un condensateur inconnu en

2543684;

plaçant le condensateur inconnu dans le circuit en pont à quatre diodes en

série avec des condensateurs connus et en parallèle avec une source de ten-

sion alternative La tension de sortie du circuit en pont à quatre diodes, avec une source de tension d'entrée stabilisée, est une tension continue qui est fonction de la différence entre la capacité qu'on désire mesurer et

la capacité du condensateur connu.

La présente invention comprend des moyens par lesquels la présence et la concentration de certains produits chimiques spécifiques non aqueux,

composés, matières, gaz, liquides, ou similaires peut être détectée et me-

surée dans l'environnement dans lequel réside la matière qu'on désire détec-

ter. Pour effectuer une telle détection et mesurer la concentration, on place le dispositif dans l'environnement dans lequel on pense que la matière à détecter réside Pour réaliser ce résultat, le dispositif des Demandeurs

comporte des moyens par lesquels la matière particulière devant être détec-

tée est autorisée à s'accumuler autour et dans le champ électrique du dis-

positif, à l'exclusion d'autres produits chimiques, gaz ou similaires qui peuvent être présents dans l'environnement, et du fait de cette accumulation

et du taux d'accumulation, on détermine la présence et la concentration.

Plus précisément, on utilise des revêtements de membrane choisis sur les

condensateurs à structure interdigitée qui absorbent ou permettent le pas-

sage de la matière ou des particules spécifiques vers l'intérieur de la mem-

brane ou à travers celle-ci Par une telle infiltration des particules ou

du fluide choisi dans ou à travers la membrane, la constante diélectrique du dié-

lectrique dans le champ électrique entre les plaques d'un condensàteur àstructure interdigitée dont la membrane fait partie subit un changement qui se traduit par un changement de la capacité du condensateur à structure interdigitée, le tout en raison de la présence des particules ou du fluide choisi Un tel

changement de capacité est ensuite détecté et mesuré.

Dans un mode de réalisation fondamental du dispositif, on place des rubans métalliques conducteurs de l'électricité sur un substrat isolant pour former deux plaques du condensateur, ces plaques ayant la forme de doigts à structure interdigitée, de cercles concentriques, de spirales entrelacées ou similaires Des conducteurs électriques pour connexion à

des équipements auxiliaires sont fixés à chaque plaque Ensuite, un revête-

2543684-

3. ment électriquement isolant d'une matière appropriée recouvre les plaques et les conducteurs électriques du condensateur, ce revêtement isolant étant choisi de manière à être entièrement passif, non réactif et non absorbant vis-à-vis de la matière spécifique qu'on cherche à détecter et des autres matières chimiques présentes dans l'environnement.

Après le revêtement isolant passif des rubans et conducteurs électri-

ques, on prévoit une seconde couche de membrane choisie ou similaire Cette

membrane de la seconde couche peut être un revêtement qui couvre immédiate-

ment la première couche passive isolante ou elle peut être espacé de cette couche passive isolante, auquel cas on peut prévoir un milieu intermédiaire sensiblement non réactif, tel qu'un gaz ou un liquide, interposé entre le

premier revêtement isolant et la membrane de la seconde couche Cette mem-

brane de la seconde couche présente un rapport connu avec la matière spécifi-

que à détecter qu'elle soit sélectivement absorbante, sélectivement poreuse

ou dotée d'une autre propriété physique sélective.

Dans le procédé d'utilisation du dispositif selon l'invention, la matière spécifique à détecter pénètre dans ou traverse la seconde couche

jusqu'à proximité immédiate de la première couche et ainsi montre sa pré-

sence en agissant sur la constante diélectrique de la matière dans le champ

électrique entre les plaques du condensateur à structure interdigitée.

Le dispositif est ensuite connecté à un circuit électrique externe qui permet de détecter et de mesurer le changement résultant de la capacité

du condensateur à structure interdigite% Dans le mode de réalisation pré-

féré, le dispositif de détection à condensateur à structure interdigitée est monté dans un circuit électrique de mesure de la capacité à quatre diodes, lequel circuit applique une tension de fréquence et d'amplitude connues aux

bornes des plaques du dispositif de détection capacitif à structure interdi-

gitée, et à un dispositif capacitif voisin à structure interdigitée de cons-

truction similaire mais qui a cependant été rendu complètement passif par

une seconde couche entièrement non réactive ou qui ne réagit pas avec l'en-

vironnement Cela permet au second condensateur passif à structure interdi-

gitée de détecter la température de l'environnement Le changement de capa-

cité entre les deux condensateurs à structure interdigitée est détecté pen-

dant qu'ils sont tous deux dans le même environnement La valeur de la ten-

sion continue de sortie du circuit électrique indique le changement dif-

2543684 w

férentiel de la capacité entre les deux condensateurs à structure interdigi-

tée Un tel changement différentiel de la capacité et le taux de changement de la capacité servent à indiquer la quantité de la matière spécifique qui

est entrée dans la seconde souche de membrane, a été collectée dans celle-

ci ou est passée à travers celle-ci pour être admise dans le champ électri-

que entre les plaques du condensateur, pour changer la constante diélectri-

que du condensateur à structure interdigitée et par conséquent la capacité

du condensateur.

Par exemple, pour la détection d'un hydrocarbure halogéné ou d'un gaz anesthésiant du type oxyde nitreux, la seconde couche comprend un type particulier d'une couche de membrane en caoutchouc siliconique recouvrant

immédiatement la première couche isolante, ladite couche de caoutchouc sili-

conique admettant sélectivement le gaz anesthésiant particulier à un débit

connu par rapport à la concentration dans les interstices de grosseur molé-

culaire dans le caoutchouc siliconique.

Cependant quand on utilise le dispositif pour la détection et la me-

sure d'ions, la seconde couche comprend une membrane espacée de la première couche isolante, ladite membrane de la seconde couche permettant le passage de l'ion choisi à proximité du condensateur à structure interdigitée Par

exemple, si l'on désire détecter l'ion potassium dans une solution, on en-

toure d'abord le condensateur à structure interdigitée par de l'eau désioni-

sée qui est de son côté séparé de la solution contenant Il'icn potassium par une

membrane de seconde couche agissant comme une barrière pour tout à l'excep-

tion de l'ion choisi, y compris pour l'eau désionisée Cette membrane est

traversée par l'ion potassium qui pénètre dans l'environnement d'eau désioni-

sée du condensateur à structure interdigitée pour en changer la capacité de

façon différentielle.

Le condensateur à structure interdigitée de détection de la température avec lequel le condensateur à structure interdigitée de détection de la matière spécifique est comparé est recouvert d'une matière de seconde couche qui concorde ou qui réflechit l'effet de température sur la matière de la

seconde couche du condensateur de détection à structure interdigitée Naturel-

lement, cette couche doit être imperméable ou rendue imperméable à l'environ-

nement, y compris le gaz ou les particules qu'on désire détecter Dans la variante préférée, le condensateur à structure interdigitée de détection de

la température recouvert d'une matière non réactive est adjacent au con-

densateur à structure interdigitée de détection actif, ce qui est facile

à réaliser en installant les deux condensateurs sur le môme substrat.

Il est évident qu'on peut concevoir d'autres exemples de matières spécifiques pour les secondes couches des condensateurs de détection, en

vue d'une large application du dispositif selon l'invention.

En conséquence, les principaux buts de l'invention sont de fournir un dispositif par lequel on peut détecter des produits chimiques, gaz, ions, et autres produits non aqueux dans l'environnement dans lequel on s'attend à les voir résider; des moyens par lesquels on peut déterminer la concentration d'une matière spécifique non aqueuse dans un environnement; des moyens de détection d'un condensateur à structure interdigitée recouvert d'une couche passive isolante et d'une seconde couche perméable au gaz, liquide ou autre matière spécifique particulière; et un dispositif de détection des substances spécifiques et de mesure des niveaux, le dispositif comprenant entre autres une matière permettant

le passage des molécules détectables sélecti(nnées vers l'intérieur.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressor-

tiront de la description détaillée qui va en être faite ci-après en regard

des dessins annexés, étant bien entendu que ni la description ni les

dessins ne limitent la portée générale de l'invention.

Sur les dessins: la figure 1 est une vue de dessus de l'appareil de détection et de mesure de la concentration d'un gaz spécifique les figures 2 a et 2 b sont des coupes transversales par les lignes 2 a-2 a et 2 b-2 b de la figure 1; la figure 3 est un schéma synoptique des circuits électroniques utilisés dans le mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 4 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du dispositif; la figure 5 est un schéma synoptique des circuits électroniques permettant d'utiliser un appareil de détection de matière multiple; la figure 6 est un schéma synoptique d'utilisation de l'invention dans une installation typique d'anesthésie;

la figure 7 est une coupe transversale de l'appareil selon l'in-

vention dans une structure de détection d'ions spécifiques la figure 8 est une coupe transversale d'un appareil modifié pour la détection d'ions spécifiques; et la figure 9 est une coupe transversale de l'appareil selon l'in- vention dont le condensateur à structure interdigitée de détection de

température a été modifié.

Sur les diverses figures, les mêmes références désignent des élé-

ments identiques ou équivalents.

La figure 1 est une vue de dessus de l'appareil 1 servant à détec

ter et à mesurer la concentration d'une matière spécifique non aqueuse.

Tout d'abord deux condensateurs à structure interdigitée 11 et 31 sont dis-

posés sur un substrat électriquement isolant 10 De gauche à droite, le con-

densateur à structure interdigitée 11 comprend deux conducteurs allongés de

connexion 13 et 15 se terminant en une matrice de doigts à structure interdi-

gitée 14 et 16 La matrice formée par les doigts à structure interdigitée peut être modifiée sélectivement à volonté en agissant sur les variables telles que les longueurs des doigts, les largeurs des doigts, l'espacement

entre les doigts adjacents et la hauteur à laquelle le doigt dépasse au-

dessus du substrat, c'est-àdire hors du plan du dessin, perpendiculaire-

ment à celui-ci, y compris des géométries supplémentaires, par exemple deux doigts formant une spirale vers l'intérieur ou bien deux doigts formant un

rectangle ou un carré et ainsi de suite.

Sur la figure 1, le condensateur à structure interdigitée 31 est similaire en construction au condensateur 11 et comporte deux conducteurs allongés de connexion 33 et 35 se terminant en une matrice de doigts à

structure interdigitée 34 et 36.

On prévoit, bien que cela ne soit pas indispensable, que différents condensateurs à structure interdigitée disposés sur le même subtrat auront

des dimensions similaires.

Les conducteurs reliant les condensateurs 11 et 31 s'étendent selon un mode de réalisation préféré, sur une distance importante (par rapport à la dimension) depuis les condensateurs jusqu'à un point o ils peuvent être électriquement connectés à d'autres portions des circuits électriques

qu'on décrira ultérieurement.

Le substrat 10 qu'on utilise possède la caractéristique d'être un bon isolant électrique ainsi que d'avoir une structure parfaitement unitaire

2543684,

et, à cette fin, on peut utiliser le verre, le saphir ou une autre substance analogue Le condensateur à structure interdigitée peut être monté sur le substrat par des nombreux procédés et, selon la variante préférée, les Demandeurs ont éliminé par gravure les portions indésirables de vapeur métallique précédemment déposée sur le substrat Dans ce cas, le tungstène

est le métal conducteur de l'électricité servant à la construction du con-

densateur à structure interdigitée, bien qu'on puisse utiliser d'autres matériaux conducteurs de l'électricité, par exemple l'aluminium ou un autre métal. Dans les appareils qui ont été construits par les Demandeurs, les dimensions représentatives du condensateur à structure interdigitée sont 127 microns de largeur sur les conducteurs d'interconnexion 13 et 15; ,4 microns de largeur des doigts 14-et 16; 25,4 microns d'espacement

entre les doigts adjacents; et 2,54 à 4,064 mm de séparation entre les con-

ducteurs d'interconnexion 13 et 15 L'épaisseur des doigts à structure inter-

digitée dans le sens perpendiculaire au plan du substrat est de 2500 A bien que dans diverses variantes cette valeur varie entre 2500 et 10 000 A Le substrat choisi, qui est en saphir, présente 12,7 mm de largeur, 12, 7 mm

de longueur et 0,457 mm d'épaisseur.

Les contours des revêtements couvrant les condensateurs à structure interdigitée sont représentés par des cercles concentriques 18 et 20, et 38 et 40 respectivement Pour représenter la construction des condensateurs

à structure interdigitée, ces revêtements sont indiqués comme étant trans-

parents, bien qu'il n'en soit pas nécessairement ainsi D'autres détails

concernant les revêtements seront donnés dans l'étude des figures 2 a et 2 b.

On se réfèrera maintenant aux figures 2 a et 2 b, qui sont des coupes transversales détaillées par les lignes 2 a-2 a et 2 b-2 b des condensateurs 11

et 31 de la figure 1 Le substrat 10 forme une base et son épaisseur rela-

tive est beaucoup plus grande que celle des condensateurs 11 et 31 Dans les condensateurs à structure interdigitée 11 et 31,-on voit en bout chacun des doigts à structure interdigitée de chaque condensateur, à savoir les coupes

transversales des doigts 14 et 16 et des doigts 34 et 36 Chaque condensa-

teur comporte deux revêtements en série, le premier 18 ou 38 en une substance électriquement isolante, ayant de bonnes propriétés d'adhérence et passive

à l'environnement avec lequel le condensateur viendra probablement en con-

tact Comme exemples de tels matériaux, on citera le nitrure de silicium et l'oxyde de silicium Dans la variante préférée, on utilise le nitrure de silicium pour les premiers revêtements 18 et 38 des condensateurs à structure interdigitée Il est évident qu'il existe une grande variété de composés qu'on pourrait utiliser pour le premier revêtement en dehors du nitrure de silicium, comme, par exemple, l'oxyde de silicium, l'oxyde

d'aluminium et d'autres matériaux et composés possédant les propriétés re-

quises Les revêtements en nitrure de silicium 18 et 38 du mode de réalisa-

tion préféré sont placés sur le condensateur à structure interdigitée et sur le substrat par une technique de dépôt de vapeur chimique à basse pression. Si l'on choisit une couche d'oxyde de silicium comme première couche isolante, on peut l'appliquer au condensateur à structure interdigitée sur le substrat par dépôt de vapeur chimique par pulvérisation, par évaporation ou par centrifugation d'un composé organique de silicium qu'on oxyde ensuite,

tous ces procédés étant courants.

D'autres composés organiques de silicium tels que des silanes, peuvent servir pour le premier revêtement On les place sur le condensateur à structure interdigitée, on fait tourner dans une centrifugeuse pour produire

une couche suffisamment mince et ensuite on place dans un four pour durcisse-

ment On a déterminé qu'il est important de fixer l'épaisseur du premier revêtement isolant au-dessus du condensateur à structure interdigitée 11 ou 31 et que l'épaisseur du revêtement est à peu près la même sur les deux condensateurs. Après la couche isolante, on place un second revêtement respectivement

et 40 sur les condensateurs 11 et 31 Dans le mode de réalisation pré-

féré, ces revêtements sont en un matériau différent de celui du premier revêtement et aussi ils peuvent être différents l'un de l'autre selon la

fonction particulière que doit remplir le condensateur considéré à struc-

ture interdigitée -Etant donné que la fonction du condensateur 31 est de fournir une capacité de compensation de température et de comparaison au condensateur à structure interdigitée 11, comme on le verra plus loin, il est important que les deux condensateurs aient des propriétés thermiques similaires. Dans un mode de réalisation, l'invention est adaptée à détecter la

présence et la concentration d'un gaz spécifique tel que l'un des hydrocar-

bures halogénés gazeux qu'on emploie couramment en anesthésie Dans le cas d'un hydrocarbure halogéné tel que l'halothane, la couche 20 du condensateur

à structure interdigitée 11 comprend un composé tel qu'un caoutchouc sili-

conique, dont un exemple est le Silicone Rubber DSR 517 de Dow Corning Le revêtement en caoutchouc siliconique forme une membrane qui, en présence d'hydrocarbures halogénés gazeux particuliers, gonfle ou se dilate Le gonflement du caoutchouc siliconique en présence de certains gaz est un phénomène bien connu Le caoutchouc siliconique est hautement perméable à de nombreux gaz mais tous ne provoquent pas son gonflement La perméabilité est le produit de la capacité de diffusion par la solubilité On présume que le caractère de solubilité des hydrocarbures halogénés gazeux dans le

caoutchouc siliconique provoque le phénomène de gonflement Ainsi, la mem-

brane présente des caractéristiques d'exclusivité La matière choisie pour

le second revêtement doit être étudiée pour le gaz spécifique à détecter.

L'utilisation du terme "perméable" dans la totalité du présent mémoire signifie plus qu'une simple pénétration Dans certains cas, ce terme englobe la solubilité de la matière sélectionnée dans la membrane, ainsi que sa pénétration dans la membrane ou son passage à travers la membrane On pense que le mécanisme de ce phénomène est purement physique, c'est-àdire qu'il s'explique par l'infiltration dans la matrice de la membrane du produit

chimique ou de la matière à détecter et aussi que ce mécanisme est rever-

sible lorsqu'on fait disparaître la matière spécifique.

Par le choix de la membrane en caoutchouc siliconique utilisée, une

molécule spécifique d'hydrocarbure halogéné passe dans le caoutchouc sili-

conique en étant admise entre les molécules du caoutchouc siliconique pour être dispersée sous sa surface supérieure Cela provoque une expansion du

revêtement du caoutchouc siliconique sur le condensateur à structure inter-

digitée Le rapport d'absorption entre le caoutchouc siliconique et l'hy-

drocarbure halogéné se développe jusqu'à atteindre un équilibre avec le gaz environnant dont l'hydrocarbure halogéné est un constituant A ce stade,

autant de molécules de l'hydrocarbure halogéné sortent de la couche de caout-

chouc siliconique qu'il en entre, et le nombre de molécules gazeuses qui sont

entrées dans le composé de caoutchouc siliconique est directement propor-

tionnel à la concentration de l'hydrocarbure halogéné dans l'environnement.

Etant donné que le second revêtement, en combinaison avec le premier revêtement passif, constitue le diélectrique dans le champ électrique du

condensateur à structure interdigitée, un changement dans le second revête-

ment provoque des changements de la capacité du condensateur Par l'intro-

duction de molécules gazeuses dans le second revêtement, le diélectrique

de la matière dans le champ électrique du condensateur à structure inter-

digitée est changé, ce qui se traduit par un changement de la capacité

qu'on détecte et qu'on mesure comme on l'expliquera plus loin.

De nombreuses substances élastomères et lipidiques, telles que le caoutchouc butyle, le caoutchouc polyuréthane et les esters d'acides gras ont des caractéristiques qui permettent l'entrée des hydrocarbures halogénés dans ces composés et on peut les utiliser en remplacement du caoutchouc siliconique. On remarquera aussi qu'il existe d'autres composés, tels que certains

polymères et l'acétate de cellulose, qu'on peut utiliser comme second re-

vêtement 20 et qui agissent commes des membranes de perméabilité aux fluides, à la fois gazeux et liquides, en permettant aux constituants du fluide de

percer sélectivement ou de pénétrer dans la membrane et de changer la cons-

tante diélectrique du revêtement de membrane.

Dans le présent mémoire, le terme "sélectivement" veut dire que les membranes ou la couche sélective établissent une discrimination entre la

matière à détecter et les autres matières présentes dans l'environnement.

En considérant maintenant le condensateur à structure interdigitée 31 sur la figure 2 b, le second revêtement 40 comprend une couche qui aura un effet sur le condensateur à structure interdigitée 31 pour établir une

concordance avec l'effet de la température sur le condensateur 11.

Le revêtement le plus évident serait alors le même que le revêtement du condensateur 11, à la condition naturellement que le revêtement 40 soit modifié de manière à ne pas répondre à l'environnement autrement qu'en réfléchissant les changements de températures On réalise une telle modification en plaçant une barrière non réactive entre l'environnement et le second revêtement 40, cette barrière étant sensiblement hors du champ électrique du condensateur On choisit une mince feuille de verre 42, le verre ayant une dimension telle qu'il se prolonge au-delà des structures interdigitées en forme de doigts, de sorte que la frange du second revêtement 40 exposée à l'environnement au-dessus de la feuille de

verre 42 est bien au-delà d'une partie mesurable quelconque du champ élec-

trique. En conséquence, ce condensateur à structure interdigitée est sensible seulement aux changements de températures et constitue ainsi une référence

de température pour comparaison avec le premier condensateur 11.

Le second revêtement en caoutchouc siliconique 20 et 40 des condensa-

teurs 11 et 31, resepctivement, selon le mode de réalisation préféré, est placé sur le premier revêtement 18 ou 38 à l'aide d'un compte-gouttes, au pinceau, par impression, par collage ou d'une autre façon appropriée On

laisse la couche 20 sécher et durcir selon la technique normale d'applica-

tion On recouvre avec la plaque de verre 42 le second revêtement 40 pour permettre l'adhérence et ensuite on laisse le revêtement 40 sécher et durcir par les techniques normales De même qu'avec les premiers revêtements, l'épaisseur des seconds revêtements est un facteur important en raison de

l'effet sur la capacité du condensateur à structure interdigitée On con-

trôle ainsi les épaisseurs de toutes les couches en appliquant chaque couche

avec des quantités connues de matière.

En se référant à la figure 3, on peut voir un schéma synoptique des circuits électroniques servant à détecter les changements de capacité des condensateurs à structure interdigitée Comme on le voit sur la figure 3, un oscillateur de signaux 51 produit le signal porteur qui est envoyé vers le pont équilibré 53 à quatre diodes dont le condensateur 11 occupe une

branche alors que, l'autre branche est occupée par le condensateur à struc-

ture interdigitée 31 Des tests ont indiqué que la fréquence du signal por-

teur n'est pas critique puisqu'on obtient des résultats satisfaisants avec des fréquences comprises entre 50 k Hz à 12 M Hz La sortie de l'oscillateur 51 est renvoyée dans un stabilisateur d'amplitude 55 qui règle l'oscillateur pour assurer que l'amplitude est constante Le signal Isortant du pont

équi-

libré 53 est dirigé dans un filtre passe-bas 57 qui bloque le signal porteur et envoie vers un amplificateur de courant continu 59 un signal de courant continu à variation lente, l'amplitude de la tension du signal de courant continu servant à indiquer la différence entre la capacité du condensateur 11 et celle du condensateur 31 Le signal de sortie de l'amplificateur à courant continu 59 est envoyé à un indicateur digital de tension 61 qui,

2543684;

dans le mode de réalisation préféré, fournit un affichage visuel du signal amplifié à courant continu qui indique la différence de changement de la capacité. Pratiquement la totalité des circuits électroniques représentés sur le schéma synoptique de la figure 3, est décrite dans un article par Dean R. Harrison et Jchn Dimeff intitulé "A Diode Quad Bridge Circuit For Use With Capacitance Transducers", Ames Research Center NASA, Moffett Field, Californie 94035, Rev Sci Instrum, Vol 44, N O 10, octobre 1973 La conception des circuits et les modifications pour des usages particuliers ont été réalisées par les Demandeurs à partir des circuits représentés dans l'article cité et font partie de l'état actuel de la technique Il est évident que n'importe quel circuit électronique dont les changements de capacité font varier un signal de sortie peut être utilisé comme, par exemple, les circuits bien

connus de minuterie RC ou les circuits d'accord de fréquence.

Comme indiqué plus haut, quand le dispositif considéré est inséré dans un environnement constitué du gaz spécifique à détecter et dont la concentration doit être mesurée, le passage du gaz spécifique dans le second revêtement 20 sur le condensateur à structure interdigitée 11 influe sur la constante diélectrique et, par conséquent, sur la capacité du condensateur à structure interdigitée La capacité du condensateur 31 est seulement

affectée par un changement de la température de l'environnement et il joue-

le rôle d'un condensateur de référence et d'un facteur de correction pour les changements provenant de l'effet de la température sur le condensateur

11 détecteur de gaz Ainsi, alors que les températures des deux condensa-

teurs changent suivant les trajets parallèles, la différence détectée de la tension, amplifiée et affichée sur un indicateur digital 61, en fonction de la température, ne réfléchira que le changement de capacité du condensateur 11 par suite des changementsprovoqués par l'infiltration du gaz spécifique

dans le revêtement extérieur 20.

On a effectué des tests du dispositif selon le mode de réalisation préféré, les condensateurs 11 et 31 à structure interdigitée ayant les dimensions précédemment indiquées, le premier revêtement sur chacun d'eux o comprenant du nitrure de silicium d'une épaisseur de 3500 A alors que le second revêtement sur chaque condensateur est une mince couche de caoutchouc siliconique "Silastic" Medical Adhesive Type A de Dow Corning no 891 du

2543684.

catalogue, qu'on applique en commençant par mélanger avec du toluène, 50 %

en poids de chacun "Silastic 1 ' est une marque déposée de Dow Corning Corpora-

tion, Midland, Michigan On fait tomber une goutte du caoutchouc siliconique dilué sur chaque condensateur à structure interdigitée et ensuite on étale le mélange sur le substrat et hors de celui-ci On secoue ensuite le substrat pour enlever l'excès du caoutchouc siliconique Sur le condensateur 31 qui doit être utilisé pour la compensation de température, on place une plaque

de verre microscopique ( 152 microns d'épaisseur) s'étendant nettement au-

delà des doigts du condensateur à structure interdigitée On place le substrat portant les deux condensateurs dans un bocal en forme de cloche et on applique le vide pendant 30 minutes pour faciliter le dégazage de l'air et du toluène à partir du caoutchouc siliconique On laisse ensuite durcir le caoutchouc siliconique pendant trois heures dans un caisson rempli d'azote sec La dimension de la plaque de verre est telle que la frange du caoutchouc siliconique immédiatement au-dessous de la plaque de verre et qui est exposée à l'environnement est suffisamment éloignée du condensateur 31 pour que tout environnement ayant pu être absorbé par le caoutchouc siliconique ne soit

pas suffisamment près du champ du condensateur 31 pour influer sur sa capacité.

On effectue les tests en plaçant le dispositif considéré dans le cir-

cuit électrique représenté par le schéma synoptique de la figure 3, le dis-

positif étant dans un courant d'air et on ajoute un hydrocarbure halogéné (halothane) au moyen d'un vaporisateur anesthésiant Avant le début des tests, la tension de sortie selon le mode de réalisation préféré est amenée

au voisinage de zéro sur l'indicateur digital 61 au moyen d'un circuit addi-

tif de tension en opposition au signal sortant de l'amplificateur 59 de

courant continu.

On établit ainsi une référence pour le dispositif en présence d'air

sec On règle la fréquence porteuse à 1 M Hz.

2543684.

TEST 1 Température 4 C TEST 2 Température 34 C Gaz Sortie Gaz Sortie Air 0,06 m V Air 0,06 m V 3 % Halothane 9,62 m V 3 % Halothane 9,62 m V Air 0,06 m V Air 0,06 m V TEST 3 Température 34 a C Gaz Sortie Air 0,06 m V 1 % Halothane 3,21 m V Air 0,06 m V 2 % Halothane 4,81 m V Air 0,06 m V 3 % Halothane 9,62 m V Air 0,06 m V Dans tous les tests, le temps de montée entre les points de 10 % et % est d'environ 0,5 seconde On obtient une stabilisation complète en

1,5 seconde Le temps de baisse entre les points de 10 % et 90 % est d'en-

viron 0,9 seconde, la stabilisation complète se faisant en 1,5 seconde.

En outre, on a fait également des essais avec les modes de réalisa-

* tion du dispositif utilisant une résine époxy, telle que Duro Loctite

"E-POX-E 5 " couvrant la première couche de nitrure de silicium sur le con-

densateur 31 de détection de température "E-POX-E 5-"l est une marque déposée de Loctite Corporation, Cleveland, Ohio Dans ces modes de réalisation, on utilise un caoutchouc siliconique différent, à savoir le caoutchouc du type RTV 615 A de General Electric, qu'on place sous forme d'une seconde couche

sur le condensateur à structure interdigitée 11 en une épaisseur approxima-

tive de 76 microns.

On effectue les tests en plaçant le dispositif dans un courant d'air

et en ajoutant des hydrocarbures halogénés différents à l'aide d'un vaporisa-

teur anesthésiant Avant le début des tests, on ramène à zéro le dispositif du mode de réalisation préféré sur l'indicateur digital de sorte qu'aucune différence de capacité n'apparaît entre les deux condensateurs à structure interdigitée On ajoute une proportion d'hydrocarbures halogénés choisie par l'opérateur dans le courant d'air; dans des tests séparés, des périodes de 15 secondes (Test 1) et 30 secondes (Test 2) sont laissées pour permettre la stabilisation des dispositifs Dans le test 1, après avoir lu les indications pour une concentration, on règle le vaporisateur chargé d'introduire l'hydrocarbure halogéné dans le courant d'air à une position dans laquelle aucune entrée d'hydrocarbure halogéné ne peut se faire dans le courant d'air,puis on consulte l'indicateur et on fait de même après secondes Dans le test 2, on place un voltmètre numérique sur la sortie du filtre de basse fréquence avant l'amplificateur de courant continu et on relève les données L'amplificateur amplifie la tension d'entrée d'une constante de 26, 59 pour indiquer une valeur de tension et on règle la

valeur pour O % d'hydrocarbure halogéné à zéro sur la sortie de l'amplifica-

teur Dans le test 2, on effectue les essais simultanément sur deux dis-

positifs différents.

TEST 1.

% d'halothane Valeur sur l'indicateur digital 0,00 -0,60 0,00 -1,15 0,00 1,64 0,00 -1,60 0,00 -1,07 0,00 -0,52 0,00 -1,03 -0,01 -1,63 0,00 -1,63 0, 00 -1,10 -0,02 -0,58 -0,02

TEST 2.

% d'halothane o o Détecteur n O 1 (MV) 11,2 48,8 86,4 124,1 86,5 48,9 86, 5 124,1 86,5 48,9 11,2 124,0 11,2 124,0 11,2 Valeur normalisée sur indicateur digital 1,00 2,00 3,00 2,00 1,00 2,00 3,00 2,00 1,00 3,00 o 3, 00 Détecteur

N 2 (MV)

8,2 48,1 88,1

128, 1

88, 1 48,1 88, 1 128,1 88,1 48, 1 8,1 128,1 8,1 128,2 8,2 Valeur normalisée sur indicateur digital o 1,06 2,12 3,19 2,12 1,06 2,12 3,19 2, 12 1,06 -0,27 3,10 -0,27 3,10 O On effectue en outre des tests pour des concentrations différentes

d'halothane à des débits différents Dans ces tests, l'indicateur numéri-

que donne un résultat qui est étalonné à 3,00 pour l'halothane en une con-

centration connue de 3 % On effectue chaque lecture des données 15 secondes

après la stabilisation.

D'autre part, on laisse des gaz autre que les hydrocarbures halogénés

s'écouler en regard du détecteur et on effectue une lecture sur l'indica-

teur numérique Dans ce cas, aucun mouvement du résultat n'apparaît sur l'indicateur digital, autre que ce qui est indiqué et il n'est pas nécessaire d'attendre pour la stabilisation Ces résultats apparaissent dans les tests 4, 5 et 6 comme suit:

2543684.

TEST 3.

% d'halothaneDébit d'écoulementValeur sur l'indicateur _______ ____________ ______ ______digital o 5 1/min 0,00 i 1,00 Y

2 2,00

3 3,01

i 0,01

3 3,00

00,01

i 1201 o 0,01

3 3,00

o 0,00

55,01

o 51/min 0,00 o 21/min 0,00

3 3,01

O 0,00

32,99

O 21/min 0,00 O 10 Ol/min 0,00

3 2,99

o - o,oî

3 2,99

o -0,01

1 1,00

2 2,01

3 3,01

O l O 11/min 0,01

TEST 4.

% d'oxyde nitreux

16,7

28,0 37,5 o O

TEST 5.

% d'anhydride carbonique o O 16,7

28,0

37,5

TEST 6.

% d'hélium o 16,7 28,0 37,5

Débit d'é-

coulement 1/min 6 1/min 7 1/min 8 1/min 1/min

Débit d'é-

coulement 1/min 6 1/min 7 1/min 8 1/min 1/min

Débit d'é-

coulement 1/min 6 1/min 7 1/min 8 1/min 1/min

Valeur sur l'indi-

cateur digital 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Valeur sur l'indica-

teur digital 0,00 0,00 0,00 0,01 0,01

Valeur sur l'indica-

teur digital -0,01 -0,01 -0,01 -0,01 -0,01 On effectue d'autres tests avec les mêmes constantes que dans le test 1 mais on substitue l'éthrane à l'halothane Les résultats de ce test sont

indiqués ci-après.

2543684.

TEST 7.

% d'éthrane Valeur sur l'indicateur digital o 0,00 -0,47 0,00 -0,83 0,00 1,03 0,00 -0,97 0,00 -0,78 0,00 -0,45 0,00 -0,80 -0,02 -1,00 -0,03 -0,99 0,04 -0,79 -0,04 -0,46 -0,06 On remarquera que pendant les tests effectués par les Demandeurs, les résultats observés sur les voltmètres numériques se sont rapprochés des

données qui sont enregistrées presque instantanément après que les hydro-

carbures halogénés ont atteint les condensateurs à structure interdigitée.

Un effet similaire est indiqué dans les résultats par les auteurs d'un article paru dans le numéro de juin 1981 de IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol EME-28, n O 6 à la page 459 intitulé Piezoelectric Sorption Anesthesic Sensor dans lequel un cristal piézoélectrique est revêtu avec des types différents de caoutchouc siliconique et on observe le changement de fréquence dans le-cristal dû à la réaction des hydrocarbures halogénés sur le caoutchouc siliconique On place le cristal revêtu dans le trajet d'écoulement d'hydrocarbure halogéné dans l'oxygène Des changements par

paliers des concentrations de gaz se traduisent par un changement pratique-

ment instantané de la fréquence du cristal On observe un temps de montée de l'ordre de 0,1 seconde pour le déplacement observé de la fréquence du

cristal permettant d'atteindre 63 % de sa valeur finale Les auteurs indi-

quent que la courbe est exponentielle Le déplacement obser-

vée de la fréquence atteint 90 % de sa valeur finale en moins de 0,2 seconde.

En se référant maintenant à la figure 4, on peut voir, en vue de dessus, une variante de réalisation du dispositif considéré On a représenté en détail quatre condensateurs à structure interdigitée: les condensateurs

11 et 31 sont les mêmes mais on ajoute des condensateurs à structure inter-

digitée 71 et 81, le tout sur le même substrat 10 Alors que tous les con-

densateurs peuvent être de construction similaire en ce qui concerne les doigts interdigités et les premiers revêtementsen nitrure de silicium, dans certains cas une construction différente pourrait être souhaitable pour amener les capacités au voisinage de l'équilibre Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le condensateur à structure interdigitée 11 utilise un revêtement extérieur 20 comprenant un-composé sensible de façon

préférentielle à un constituant gazeux présent dans le mélange de gaz con-

sidéré, tels que les gaz qu'on utilise couramment pour l'anesthésie, par

exemple un hydrocarbure halogéné, tel que l'halothane Pour un tel hydrocar-

bure halogéné, un composé à utiliser pour un tel revêtement extérieur du

condensateur 11 est le caoutchouc siliconique RTV 615 A de General Electric.

D'autre part, on choisit le second revêtement 40 sur le condensateur à structure interdigitée 31 identique au revêtement 20 du condensateur 11 ou bien en une autre matière possédant des propriétés thermiques similaires lors d'un changement de capacité à celles des seconds revêtements des divers condensateurs à structure interdigitée sur le substrat 10 Le revêtement 40 est suivi de la plaque de verre 42 Comme il a été précédemment expliqué, ce condensateur à structure interdigitée sert à indiquer tout changement de

capacité mais seulement à la suite des changements de température.

Après cela, on choisit la couche extérieure 70 du condensateur à struc-

ture interdigitée 71 pour qu'elle réagissede façon préférentielle à l'un des autres constituants du mélange gazeux d'environnement comme, dans l'exemple des gaz utilisés pour l'anesthésie, l'oxyde nitreux Dans un tel cas, la couche extérieure 70 comprend alors une matière telle que le caoutchouc siliconique DSR 319 de Dow ou GE 4524 U-100 de General Electric On choisit ces matières car elles réalisent les mêmes processus ou des processus similaires à ceux des composés servant à détecter l'halothane, qu'on pense

être l'absorption du gaz spécifique provoquant un gonflement.

En dernier lieu, le revêtement extérieur 80 du condensateur à struc-

ture interdigitée 81 comprend une matière sensible à l'un des autres cons-

tituants du mélange gazeux qu'on désire détecter et mesurer, par exemple la vapeur d'eau qui pourrait être présente Dans un tel cas, le revêtement comprend une matière telle que le caoutchouc siliconique DSR 515-B de

Dow, également choisi car il présente les mêmes caractéristiques préféren-

tielles d'absorption ou de perméabilité que ci-dessus, mais pour l'eau.

Il peut cependant arriver par exemple que deux des constituants

gazeux dans l'environnement soient différents mais étroitement apparentés.

Cela peut arriver dans l'installation anesthésiante décrite lorsque l'on utilise deux types différents d'hydrocarbures halogénés, bien que cela ne soit pas généralement le cas Dans une telle situation, la solution préférée

consiste à utiliser des matières différentes hautement sélectives de mem-

branes perméables, comme second revêtement sur différents condensateurs à

structure interdigitée Ces membranes sélectivement perméables ne sont per-

méables que pour le gaz spécifique qu'on désire détecter et quantifier dans l'environnement Cependant, la situation la plus courante qui existe dans les membranes à perméabilité sélective est que les membranes permettent l'entrée à plus d'un gaz apparenté de l'environnement mais pour chacun d'une façon différente et connue L'une des membranes à perméabilité sélective absorbe deux gaz mais dans des proportions différentes de celles d'une seconde membrane perméable Pareillement, la seconde membrane perméable absorbe le second gaz de façon préférentielle par rapport au premier gaz, mais le premier gaz est également absorbé Etant donné que la perméabilité

d'un gaz par rapport à un autre à travers chacune des membranes à perméabi-

lité sélective est connue ou peut être facilement déterminée par des tests,

on peut procéder à une compensation comme le comprendra aisément un spécia-

liste de la question, par exemple à l'aide d'un microprocesseur avec une table de consultation Ceci permet l'extrapolation et l'annulation de l'effet gazeux secondaire pour chaque matière et permet donc d'afficher une lecture pour chaque réaction principale Le microprocesseur, quand il utilise une table de consultation, se réfère à la table pour une valeur qui est alors mise en corrélation avec la valeur véritable du gaz principal. Etant donné que des caoutchoucssiliconiques différents sont perméables à des gaz anesthésiants différents de différentes façons connues, il est

évident que par une comparaison des sorties de deux condensateurs à struc-

ture interdigitée différents, on peut déterminer le type de gaz détecté.

Pareillement, si l'opérateur s'attend à détecter et à mesurer un gaz donné et qu'un autre gaz est indiqué, cette information est facilement portée à la connaissance de l'opérateur qui peut alors corriger l'erreur et placer

le gaz correct dans l'installation.

En outre, il peut aussi être souhaitable de détecter et de mesurer

la concentration d'un troisième gaz anesthésiant dans l'installation d'anes-

thésie, comme par exemple l'oxyde nitreux Les revêtements sensibles à l'oxyde nitreux sont également sensibles aux hydrocarbures halogénés, bien que les effets relatifs de chaque gaz soient connus Le procédé d'annulation

de l'effet gazeux secondaire est facile à effectuer par des techniques con-

nues de traitement de signaux dans les circuits électroniques, comme on le voit sur les figures 3 ou 5 Par exemple on connaît des techniques pour manipuler ce problème de traitement de signaux Une technique possible consiste comme décrit plus haut, à utiliser des tables de consultation En outre, il serait possible d'employer des approximations polynominales ou

des procédés d'annulation ou de différenciation, ou encore de résoudre simul-

tanément des expressions mathématiques donnant le rapport connu entre

l'effet principal et l'effet secondaire du gaz.

En se référant maintenant à la figure 5, on peut voir un schéma synop-

tique des circuits électriques proposés pour utiliser des séries différentes de paires de condensateurs à structure interdigitée dans une installation,

telle qu'une installation d'anesthésie pour détecter et déterminer la con-

centration de quatre gaz constituants.

En premier lieu, comme dans la disposition indiquée sur la figure 3,

on voit immédiatement que l'on utilise des éléments électriques et mécani-

ques identiques ou similaires à ceux de la figure 3 Le signal électrique

de l'oscillateur 51 est renvoyé au stabilisateur d'amplitude 55 et est -

également dirigé vers le premier d'une série de détecteurs équilibrés à quatre diodes 53 a-d qui sont de construction identique-ou similaire et dont les signaux de sortie sont envoyés chacun à une paire de condensateurs à structure interdigitée comme représenté La référence à chacun de ces con- densateurs à structure interdigitée fait suite immédiatement à une brève

description des éléments restants.

Le signal sortant de chaque détecteur en pont équilibré à quatre diodes 53 a-d est envoyé à chacun d'une série de filtres passe-bas 57 a-d et ensuite à des amplificateurs de courant continu 59 a-d comme c'était déjà le cas sur la figure 3 A partir de là, le signal de chaque amplificateur à courant continu 59 a-d est envoyé à un multiplexeur 71 qui reçoit les signaux variables de courant continu indiquant un changement de capacité dans chaque paire détectée de condensateurs à structure interdigitée Le minutage du multiplexeur 71 est réglé par le programme du microprocesseur

de manière que chaque signal en courant continu soit traité par le conver-

tisseur analogique digital 72, séquentiellement chacun à son tour Le con-

vertisseur analogique digital 72 change la tension continue relative d'une paire de condensateurs à structure interdigitée spécifiquement interrogée

en un mot digital représentatif de la tension interrogée.

Le microprocesseur 73 a été préalablement programmé avec des procédures mathématiques correctes déterminées par des techniques connues à partir de courbes de réponses disponibles de chacun des revêtements pour le ou les

gaz particuliers auxquels il répond sélectivement, de façon préférentielle.

La nature du programme du microprocesseur est l'échantillonnage de chaque paire à structure interdigitée et ensuite la compensation des jeux de données appropriées par un écart nul, une absence de linéarité ou d'autres artifices spécifiques, tels que l'élimination par cuisson des effets de l'humidité sur les détecteurs utilisés pour la détection spécifique des gaz anesthésiants.

A partir du microprocesseur, les signaux sont dirigés vers des indi-

cateurs digitaux 61 a-d qui peuvent 9 tre identiques ou similaires aux indica-

teurs digitaux utilisés sur la figure 3 Chaque indicateur digital 61 a-d indique une valeur représentative de la présence et de la concentration d'un constituant gazeux particulier du mélange gazeux dans lequel réside

le jeu des paires de condensateurs à structure interdigitée.

Toujours sur la figure 5, les condensateurs à structure interdigitée sont connectés à chacun des ponts équilibrés à quatre diodes 53 a-d; le premier jeu des condensateurs à structure interdigitée 82 et 83 est construit de façon similaire aux condensateurs décrits à propos des figures 1 et 2, sauf pour ce qui suit: si l'on désire que le premier jeu des condensateurs 82 et 83 détecte un hydrocarbure gazeux halogéné, alors comme expliqué à propos des figures 1 et 2, le second revêtement du condensateur 82 doit être la couche ou le revêtement sélectivement perméable au premier hydrocarbure halogéné gazeux Le condensateur à structure interdigitée 83 est alors sensible à la température et la seconde couche recouvrant la première couche de passivation doit être une membrane identique ou similaire recouverte d'une plaque de verre afin de rendre le condensateur à structure interdigitée passif vis-à-vis de tous les gaz de l'environnement et sensible seulement

à un changement de température.

Pareillement et en poursuivant l'étude Les condensateurs à structure interdigitée 84 et 85 du second détecteur équilibré à quatre diodes sont caractérisés en ce que la seconde couche de revêtement sur le condensateur 84 est principalement perméable au second hydrocarbure halogéné gazeux et éventuellement peu perméable au premier hydrocarbure halogéné gazeux Bien sur cela peut également être le cas de la seconde couche de revêtement sur le condensateur 82 Pareillement, le condensateur à structure interdigitée porte une seconde couche identique ou similaire suivie d'une plaque de verre de protection assurant ainsi un équilibre pour le condensateur 84 à structure interdigitée en service avec le détecteur équilibré à pont de quatre diodes 53 en ne reflétant qu'un changement dû à un changement de température De même, les deux condensateurs à structure interdigitée 86 et 87 sont caractérisés par une réponse séparée du condensateur 86 à la

présence de l'oxyde nitreux ayant traversé la seconde couche de revêtement.

Dans ce cas, le condensateur à structure interdigitée 87, comme il a été décrit à propos des condensateurs 83 et 85, porte la même seconde couche de couverture ou une couche similaire, suivie d'une plaque de verre pour

établir un équilibre pour son pont équilibré correspondant à quatre diodes 53.

Finalement, les deux condensateurs à structure interdigitée 88 et 89 connectés à leur pont équilibré à quatre diodes 53, sont caractérisés en ce que le condensateur 88 répond seulement à la vapeur d'eau au moyen d'une seconde couche sélectivement perméable qui n'est affectée que par la vapeur d'eau et en ce que le condensateur 89, de même que les condensateurs à structure interdigitée 83, 85 et 87, portant la même seconde couche ou une couche similaire suivie d'une plaque de verre permettant d'équilibrer le condensateur à structure interdigitée 88, ne change que pour refléter un

changement de température.

De toutes évidence, chacun des indicateurs digitaux 61 a-b indique la présence et le niveau des quatre gaz constituants détectés, par exemple, respectivement le premier hydrocarbure halogéné, le second hydrocarbure

halogéné, l'oxyde nitreux et la vapeur d'eau.

On comprendra évidemment que si tous les condensateurs à structure interdigitée étaient disposés à proximité l'un de l'autre, et il existe

de bonnes raisons de croire qu'il peut en être ainsi pour rendre plus com-

pacte l'installation de détection, on pourrait obtenir les mêmes résultats que ci-dessus en utilisant cinq condensateurs à structure interdigitée, l'un pour chacun des quatre gaz constituants à détecter et le cinquième pour

la compensation de température pour tous les autres condensateurs, à la con-

dition naturellement que l'effet de la température sur la seconde couche de revêtement soit le même ou sensiblement le même que celui sur les autres membranes de recouvrement dans la gamme envisagée de températures Dans un tel cas, afin d'éviter une quantité excessive de circuits électroniques pour remplacer la capacité de détection de température par une valeur mobile de capacité dans chacun des ponts équilibrés à quatre diodes, on doit placer un condensateur fixe dans chacun des détecteurs 53 à ponts équilibrés de quatre diodes pour effectuer la comparaison avec leur condensateur respectif à structure interdigitée Ainsi, la sortie résultante de la température des

détecteurs à ponts équilibrés de quatre diodes peut être compensée au multi-

plexeur 71 ou au microprocesseur 73, en détectant le changement du signal électrique reçu du condensateur à structure interdigitée ne détectant qu'un

changement de température.

En se référant à la figure 6, on a représenté un schéma synoptique montrant le dispositif considéré dans une installation circulaire typique d'anesthésie, o la concentration de l'anesthésiant inspiré par le patient est contrôlée, et o la concentration de l'anesthésiant expirée par le

patient est également sous contrôle.

Avec les éléments indiqués sur la figure 6, l'anesthésiste amorce le processus en effectuant des réglages préliminaires du vaporisation d'anesthésie 91 pour injecter les différents constituants gazeux dans le système Les gaz anesthésiants pénètrent dans le cercle de l'installation,

en se déplaçant d'abord vers la gauche et en passant par la soupape uni-

directionnelle 95 et ensuite pour rentrer dans l'appareil respiratoire du

patient Les gaz expirés que libère le patient traversent une seconde sou- pape unidirectionnelle 94 disposée sur le côté retour du cercle, jusqu'au

point o le trajet gazeux est intersecté par une soupape à clapet 96 et un sac réservoir 93 A partir de là, la sortie de l'expiration se poursuit vers un absorbeur de C 02 97 pour compléter le cycle et pour se mélanger avec les gaz anesthésiants nouvellement admis Il est à noter que cette installation

circulaire permet au patient de réaspirer les gaz, mais la présence des sou-

papes unidirectionnelles assure que les gaz remis en circulation passent obligatoirement par l'absorbeur de CO 2 avant d'atteindre le patient On

remarquera également que l'entrée et la sortie de l'installation sont res-

pectivement le dispositif de distribution de gaz et la soupape à clapet La soupape à clapet 96 empêche des accumulations de haute pression et elle

est elle-même reliée à un dispositif d'échappement ou de vidange (non repré-

senté) Le sac réservoir 93 permet un débit élevé d'écoulement pendant l'ins-

piration et l'expiration et il fournit également un indicateur de respiration

spontanée et permet une assistance de l'anesthésiste par compression du sac.

Si un débit élevé est distribué par le dispositif de distribution de gaz, alors la soupape à clapet 96 reste ouverte une grande partie du temps et le gaz réaspiré n'apporte qu'une petite contribution à la concentration de

l'anesthésiant fourni au patient Cependant, si un faible débit est dis-

tribué au patient, la soupape à clapet 96 reste fermée une grande partie du

temps et le gaz réaspiré aura un effet notable sur la concentration de l'a-

nesthésiant distribué au patient Il existe deux applications principales

du dispositif considéré dans le contrôle du gaz anesthésiant.

Quand le dispositif 1 est placé à l'endroit "A", il fournit une indi-

cation de la concentration du gaz anesthésiant débité par le dispositif de distribution de gaz Cette utilisation du dispositif détecteur 1 de gaz

anesthésiant assure un contr 8 le indispensable de sécurité pour un fonction-

nement correct du dispositif de distribution de gaz.

Quand le dispositif 1 est placé à l'endroit "B", il constitue un indi-

dateur des concentrations des gaz anesthésiants aspirés ou expirés par le patient Puisque la vapeur d'eau est présente à cet endroit, le dispositif 1 convient pour une telle détection Les mesures de concentrations de gaz anesthésiants aspirés ou expirés sont utiles pour plusieurs raisons Comme précédemment mentionné, quand on utilise des faibles débits, les gaz réaspirés contribuent à la concentration de l'anesthésiant aspiré Il est donc souhaitable de connaître la différence entre les concentrations en "A" et "B" pour une organisation optimale de l'anesthésie La concentration à l'achèvement du cycle d'expiration est en rapport avec la concentration

du sang artériel et, par voie de conséquence, la profondeur de l'anesthésie.

Ainsi, les mesures des concentrations inspirées et expirées du produit anesthésiant fournissent au praticien une information précieuse concernant

l'absorption de l'anesthésiant par le patient En outre, ces données four-

nissent une base pour le calcul du volume respiratoire en fin de respiration et pour le débit cardiaque On remarquera qu'il existe de nombreuses autres

applications cliniqueset de recherches pour les contrôleurs de la concen-

tration des gaz anesthésiants.

Dans d'autres expériences, il s'est révélé possible d'utiliser la construction fondamentale des figures 1, 2 a et 2 b, le second revêtement sur le condensateur à structure interdigitée 11 étant une membrane qui laisse passer vers l'intérieur les ions choisis Un exemple est une membrane en Valinomycine Pour tester, on utilise les deux condensateurs à structure interdigitée sur le substrat pour détecter les particules recherchées Dans ce cas, on prépare une couche de Valinomycine destinées être placée sur les couches de nitrure de silicium 18 et 38 des deux condensateurs 11 et 31, en mélangeant 10 mg de Valinomycine avec 4 ml de PVC à 5 % (dans le tétrahydrofuranne) et 0,24 ml de phtalate de dioctyle (DOP) On fait tomber 2 microlitres de la solution de Valinomycine sur chaque couche de nitrure de silicium à l'aide d'une microseringue On place ensuite le substrat dans

un caisson rempli d'azote sec pendant 24 heures.

Etant donné que la Valinomycine est sélectivement perméable aux ions potassium et manifeste une préférence pour le potassium par rapport au sodium de l'ordre de deux à un, on effectue un essai du détecteur en le plaçant dans des concentrations variées de Na Cl et K Cl qu'on prépare en diluant des normes connues On place 6 ml de solutions séparées de Na Ci et K Cl dans des minibéchers et on introduit le substrat On enregistre les résultats en partant de la solution la plus diluée On égalise la température

de toutes les solutions et on la maintient constante pour tous les tests.

Par un contr 8 le minutieux des températures des solutions, on peut remplacer les condensateurs à structure interdigitée de détection de température

usuels par des condensateurs externes variables dans les circuits équili-

brés à quatre diodes On effectue cette opération pour les deux condensa-

teurs à structure interdigitée sur le substrat On répète ensuite les tests dans les mêmes conditions en utilisant une seconde paire de condensateurs à structure interdigitée qu'on prépare de-la même façon et on utilise aussi la

même solution de test Ces résultats sont appelés Test II.

TEST I TEST II

Condensateur à Condensateur à

structure inter structure inter-

digitée digitée Solutions 11 31 11 31 normalisées m M Na Cl + 1,3159 + 1, 4130 + 1,4281 + 1,4288 m 4 Na Cl -1,3818 -0,8985 -1,4098 -1,4171 6,6 m M Na Cl -1,4012 -1,0902 -1,4202 -1,4253 m M Na Cl -1,4080 -1,2600 -1,4248 1,4288 3 '3 m M Na Cl -1,4141 -1,3515 -1,4288 -1,4321 1,67 m M Na Cl -1, 4202 -1,3943 -1,4337 -1,4355 1 m M Na Cl -1,4228 -1,4044 -1,4340 -1,4355 m M KCL + 1,4025 + 1,4377 + 1,4549 + 1,4546 m M KCL -1,3470 -0,7350 -1, 3958 -1,4061 6,6 m M KCL -1,3919 -0,9721 -1,4145 -1,4214 m M KCL -1,4023 1,1590 -1,4219 -1,4272 3,3 m M KCL -1,4110 -1,3012 1,69 m M KCL -1,4175 1,3883 -1,4321 -1,4343 1 m M KCL -1,4218 -1,4009 -1,4337 -1,4354

DI H 20

-1,4245 -1,4115-, -1,4358

-1,4372

En moins de deux secondes environ après l'immersion des condensateurs à structure interdigitée dans chacune des solutions correspondantes, on atteint les valeurs enregistrées Les résultats ci-dessus sont relativement linéaires à partir des solutions très faibles jusqu'à une force de solution de 10 m M de Na Cl et KC 1, allant de la plus forte valeur négative vers la valeur zéro Entre une force de solution de 10 m M et de 100 m M de Na Cl et KC 1, les résultats coupent la valeur de la tension zéro pour atteindre une

valeur positive.

Il est aussi évident que de nombreuses variations restent possibles du dispositif de l'invention, concernant la présence et la concentration

de gaz, particules, molécules, composés ou similaires dans d'autres environ-

nements fluides qu'on peut détecter et dont on peut mesurer la concentration.

Par exemple, en se référant à la figure 7, on a représenté un appareil

de détection et de mesure de la concentration de divers ions dans des solu-

tions d'échantillonnage Plus précisément, l'appareil 100 représenté en coupe transversale sur la figure 7 comprend un récipient 102 comportant deux puits pour contenir les divers composants de l'appareil Sur un côté du récipient se trouve un puits d'un volume connu rempli d'un fluide 104 tel que l'eau désionisée, devant recevoir le ion à détecter, ce fluide

entourant les condensateurs 106 et 108 à structure interdigitée Ces con-

densateurs indiqués par des carrés présentent la même construction fondamen-

tale préliminaire que précédemment, c'est-à-dire qu'il comprennent un subs-

trat, des rubans métalliques conducteurs de courant sur le substrat formant les plaques du condensateur, et une première couche d'isolement passive recouvrant les plaques métalliques conductrices du condensateur sur le substrat Le substrat est disposé de façon que les conducteurs électriques et 112 connectés aux condensateurs à structure interdigitée émergent du puits pour être connectés à des instruments électroniques de mesure de la capacité, comme décrit à propos de la figure 3 La seconde couche usuelle n'est pas placée sur la première couche du condensateur 106 mais au lieu de cela à une certaine distance comme on l'expliquera plus loin Cependant, le condensateur 108 porte la seconde couche de revêtement imperméable aux

fluides, par exemple une résine époxy.

La seconde couche du condensateur à structure interdigitée 106 sépare les deux puits de liquides et il s'agit d'une membrane 114

2543684.

sélectives aux ions, qui n'est pas perméable à l'eau désionisée mais est perméable à un ou plusieurs ions choisis La membrane est placée de façon étanche au liquide par rapport aux parois du récipient 102 afin d'empêcher les fuites du fluide entre les puits En communication avec la membrane 114, mais à l'opposé de l'eau désionisée, se trouvela solution d'échantillornage 116 qui contient ou qu'on pense contenir le ou les ions qu'on désire

détecter et dont on veut mesurer la concentration.

En dernier lieu, deux électrodes 118 et 122 sont connectées à une source de tension, l'électrode 118 étant connectée au pôle positif de la batterie 120 et l'électrode 122 étant connectée au pôle négatif de la

batterie 120 Comme représenté, l'électrode 118 est en communication électri-

que avec la solution d'échantillonnage 116 alors que l'électrode 122 com-

munique avec l'eau désionisée 104 Le but des électrodes 118 et 122 connec-

tées à leur batterie 120 est d'établir un potentiel électrique aux bornes des deux solutions fluides 116 et 104 afin d'attirer électriquement les ions de polarité correcte (dans ce cas positifs) à travers la membrane 114 sélective aux ions, à la condition évidemment que les ions soient du type

pouvant traverser la membrane 114 Naturellement, c'est un moyen pour ac-

célérer les ions spécifiquesdepuis la solution d'échantillonnage 116 vers l'eau désionisée 104 Une migration naturelle aurait aussi lieu en l'absence

d'un champ électrique mais cela pourrait prendre énormément de temps.

Lors du mouvement des ions spécifiques depuis la solution 116 à la solution 104, la constante diélectrique du liquide entourant le condensateur 106 à structure interdigitée change à partir de celle d'un fluide exempt

* d'ions à celle contenant en solution des ions spécifiques Un tel change-

ment de la capacité du condensateur 106 par suite du changement de la cons-

tante diélectrique du fluide entourant immédiatement le condensateur 106 est détecté par l'appareil électrique fixé aux conducteurs 110 et 112 dont les détails ont été étudiés à propos de la figure 3 Le revêtement époxy du condensateur 108 sert à maintenir l'eau désionisée avec les ions en solution à une distance suffisante pour que les ions n'influent pas sur le champ électrique dans le diélectrique du condensateur, de sorte que tous les changements de sa capacité sont attribués uniquement aux changements de températures. On a effectué des tests en utilisant ces modes de réalisation, pour

détecter la présence d'ions sodium et potassium et en mesurer la concentra-

tion, en employant des solutions de chlorure de sodium et de chlorure de potassium en guise de solution 116,comme suit: étant donné qu'aucune seconde couche de matière n'est placée sur le nitrure de silicium du condensateur à structure interdigitée 106, la membrane 114 se comporte comme le mécanisme de sélection de particules nécessaire pour permettre aux ions recherchés de

venir à proximité du champ électrique du condensateur 106.

On prépare la membrane 114 pour laisser passer des ions potassium en permettant à une solution contenant de la Valinomycine de sécher sur une feuille d'acétate de cellulose installée de façon étanche aux liquides sur les parois du récipient 102 avec collage par un adhésif passif non réactif convenable On prépare la membrane en Valinomycine en mélangeant ensemble mg de Valinomycine avec 4 ml de chlorure de polyvinyle à 5 % (dans le tétrahydrofuranne) et 0,24 ml de phtalate de dioctyle (DOP) On place la

solution sur l'acétate de cellulose et on laisse sécher pendant 24 heures.

Le condensateur à structure interdigitée 108 qui porte le revêtement de nitrure de silicium suivi d'une couche de résine époxy ne réagit qu'à un changement de capacité dû à des changements de température de la solution

environnante 104 et on l'utilise comme facteur de correction pour le change-

ment de capacité du condensateur à structure interdigitée 106 par suite des effets de la température pendant qu'il détecte les ions chargés ajoutés

dans la matière diélectrique environnante.

On enrobe les électrodes en fil d'argent 118 et 122 avec du chlorure d'argent On prépare des solutions de volumes égaux de Na Cl et K Cl à une

concentration molaire de 10 2 On mélange ensuite les solutions.

Les conditions du test sont que le puits sur chaque côté de la mem-

brane 114 contient 3 mm de solution La solution qui entoure le condensa-

teur interdigité 106 est de l'eau désionisée Le potentiel d'entraînement

est de 0,5 volt et on agite continuellement la solution 104.

On place la solution de Na Cl et K Ol dans le puits indiqué contenant le liquide 116 La lecture concernant la sortie devient négative à une pente d'environ 0,018 volt à l'heure pour atteindre une valeur négative maximale en 11 heures Le voltmètre numérique passe ensuite au positif à

une pente d'environ 0,020 volt à l'heure pendant environ 20 heures.

Après l'achèvement des tests, on soumet la solution de part et d'autre de la membrane 114 à un essai à l'aide d'un photomètre à flamme qui indique qu'il reste toujours des ions Na et K dans le puits dans lequel ils avaient été initialement introduits, et aussi qu'il existe une prédominance

des ions K sur les ions Na dans le puits contenant le détecteur à condensa-

teur à structure interdigitée. Les tests effectués sur les condensateurs à structure interdigitée,

utilisant des solutions ionisées emploient des solutions ayant des concen-

trations plutôt faibles On a déterminé que l'invention permet de détecter et de mesurer la concentration d'ions dans une solution ionisée hautement concentrée Cependant, on a trouvé nécessaire dans un tel cas de compenser la capacité accrue résultante, principalement parce que le pont

équilibré à quatre diodes tend à se saturer par suite de la très grosse dif-

férence entre les capacités du condensateur de détection en présence d'une forte concentration d'ions et du condensateur de détection de température

revêtu de résine époxy ou autrement modifié.

Par exemple, on a déterminé que la capacité du condensateur de base à structure interdigitée est normalement de 15 à 20 pf mais peut augmenter

jusqu'à 200 ou 300 pf en présence d'ions hautement concentrés.

En conséquence, pour utiliser le condensateur à structure interdigitée de compensation de température dans le circuit électronique utilisé, il faut modifier la configuration du circuit Dans ce but, on peut utiliser deux ponts équilibrés à quatre diodes On utilise le premier circuit en pont

pour contrôler le condensateur de détection de la température; le condensa-

teur correspondant de référence est un condensateur fixe ayant sensiblement

la même valeur que le condensateur de détection de la température La ten-

sion de sortie en courant continu est alors proportionnelle à la température

du fluide.

-On utilise de la même façon le second pont à quatre diodes avec le condensateur à structure interdigitée qui mesure la concentration ionique du-fluide Un condensateur normalisé variable, qu'on utilise avec ou sans une série de condensateurs,joue le r 8 le d'un condensateur de référence pour

le second pont à quatre diodes Le condensateur de référence peut être modi-

fié pour se rapprocher de la valeur du condensateur à structure interdigitée de détection La tension continue provenant du second circuit serait alors proportionnelle à la concentration dans la solution sur une gamme étroite

de concentrations.

Il serait aussi possible d'employer d'autres types de circuits électro-

niques de mesure permettant de recevoir électroniquement les grands change-

ments de la capacité. Un second procédé imaginé par les Demandeurs consiste à employer le condensateur à structure interdigitée de détection de la température comme

référence d'une concentration fixe d'ions Dans ce but, on entoure le con-

densateur à structure interdigitée de détection de la température d'un ré-

cipient contenant du liquide et qui renferme en l'occurrence un fluide

gazeux ou liquide, présentant une concentration connue en ions Naturelle-

ment pour une telle construction la secondecouche en résine époxy sur le

condensateur détecteur de température ne sera pas utilisée et le condensa-

teur de détection de température aura une valeur de capacité fixe pour une température quelconque Cette capacité peut ensuite être utilisée dans le

circuit équilibré à quatre diodes comme référence de détection de la tempé-

rature pour le condensateur détecteur d'ions à structure interdigitée.

A cette fin et en se référant maintenant à la figure 9, on peut voir en coupe transversale un condensateur à structure interdigitée 310 qui a

ainsi été modifié pour détecter la température La construction fondamen-

tale est la même que précédemment décrit, à savoir qu'il comprend un subs-

trat 10, des doigts à structure interdigitée 34 et 36 sur le substrat et la première couche isolante passive 38 qui est normalement en nitrure de silicium Ensuite, un récipient 420 en une matière non poreuse quelconque

telle qu'une matière plastique, entoure et enrobe entièrement le condensa-

teur à structure interdigitée en son premier revêtement 38, le récipient 420 étant conçu pour se placer dans une gorge environnante 410 et étant collé au substrat 10 par un adhésif qu'on place en premier lieu dans la

gorge 410 On désire que le récipient 420 obture hermétiquement et complète-

ment le condensateur représenté de l'environnement A l'intérieur du réci-

pient 420, se trouve un fluide normalisé ou de référence qui peut être liquide ou gazeux et qui contient des ions en solution Sous cette forme,

le condensateur 310 joue le r 8 le d'une référence de détection de la tem-

pérature pour le condensateur de détection d'ions On prévoit que le con-

densateur à structure interdigitée représenté sur la figure 9 doit être placé dans le même environnement que le condensateur détecteur d'ions, et aussi que sa construction soit identique ou similaire à celle précédemment décrite, par exemple côte à côte sur le substrat ou au voisinage immédiat

du condensateur détecteur d'ions à structure interdigitée.

Il est évident que la matière extérieure du récipient 420, tout en étant non poreuse, doit présenter une conductivité relativement élevée pour que la chaleur puisse être transmise à travers le récipient et que le fluide

400 réagisse intérieuremer t à la température de l'environnement.

On remarquera encore que la construction du condensate Lr de détection de température 310 selon la figure 9 n'est pas nécessairement limitée aux seules applications de détection d'ions mais qu'on peut l'utiliser de la même façon pour la détection d'une substance spécifique quelconque et aussi dans une application de détection du type de celle qu'on trouve dans les installationsdianesthésie. Dans un tel cas, il faudrait ajouter une seconde couche de revêtement similaire ou identique en caoutchcuc siliconique ou en une substance analogue comme on le voit par le trait interrompu sur la figure 9, le fluide 400 à l'intérieur du condensateur 310 de détection de température étant alors un gaz ou un liquide présentant une concentration connue de la substance

ou matière considérée.

Dans tous les cas, les réglages pour permettre de traiter la nouvelle capacité du condensateur modifié de détection de température, se font dans

la partie électronique de l'installation.

Par exemple, on a déterminé que lorsqu'on utilise l'appareil avec les

condensateurs à structure interdigitée selon les figures 2 a et 2 b, le con-

densateur 11 à structure interdigitée de détection d'ions ou d'une autre substance augmente sa capacité par rapport au condensateur à structure

interdigitée 31 de détection de la température à mesure qu'augmente la con-

centration des ions ou d'une autre matière particulière La lecture sur l'indicateur digital 61 peut alors être positive, les deux condensateurs

11 et 31 ayant des capacités à peu près égales et indiquant ainsi une dif-

férence de tension de sortie qui est sensiblement nulle Cependant, si le condensateur de détection de température 310 a été préchargé d'un fluide

400 contenant des ions ou la substance particulière à détecter, initiale-

ment le condensateur de détection d'ions aura dans la plupart des cas une plus petite capacité que le condensateur de détection de la température

et la lecture du signal sortant sur l'indicateur digital 61 sera négative.

Cependant, à mesure que la présence d'ions ou d'une matière spécifique augmente autour du condensateur de détection, sa capacité augmente aussi, de sorte que la sortie de l'indicateur digital 61 devient moins négative et finalement, une fois que la concentration en ions ou en une autre matière dans l'environnement devient la même que dans le fluide 400 à l'intérieur du récipient 420 du condensateur 310, le point zéro va être atteint et à ce moment la concentration dans l'environnement est exactement la même que

dans le fluide 400.

Tout à fait en dehors de l'utilisation d'un puits d'eau désionisée pour quantifier un ion, on peut employer un fluide ayant une concentration

connue en ions entourant le condensateur à structure interdigitée pour quan-

tifier un complément tel qu'un contre-ion dans la solution d'échantillonnage, sur le côté opposé de la membrane Par exemple, on peut mesurer le taux d'échappement de l'ion potassium du fluide ayant une concentration connue en chlorure de potassium autour du condensateur à structure interdigitée, cet échappement se faisant à travers la membrane Le contre-ion, du côté opposé de la membrane, peut être un ion iode, fluor ou brome Un spécialiste comprendra aisément que le contre-ion doit être réellement compétitif; on veut dire par là que si l'ion qui entoure le condensateur est sous forme d'un composé avec un contre-ion qui est différent du contre-ion à quantifier, les facteurs cinétiques de réaction des deux contre-ions par rapport à l'ion

doivent être équilibrés de façon appropriée.

D'autre part, il est évident de ce qui précède que le récipient 420 de la figure 9 qui a été décrit peut aussi servir à quantifier un contre-ion dans une solution environnante, en utilisant une membrane perméable aux ions

pour le récipient 420 Cependant, le récipient doit alors être placé au-

dessous du condensateur à structure interdigitée de détection d'ions et de mesure de concentration, plutôt qu'au-dessus du condensateur de détection de la température Il est également évident que dans ce mode de réalisation, avant le test, on doit emmagasiné dans une enceinte le même fluide que celui

du récipient, pour empêcher l'échappement de l'ion du récipient.

En se référant à la figure 8, on a représenté en coupe transversale le dispositif de détection d'ions et de mesure de la concentration selon

la figure 7, mais sous une forme légèrement modifiée, pour montrer un dis-

positif qui peut être suspendu dans un récipient rempli d'une solution devant être testée pour un ion spécifique Sur la figure 8, en commençant par le haut, un disque circulaire 130 est représenté en coupe transversale et comporte tout d'abord sur sa périphérie extérieure une bague annulaire conductrice de l'électricité 132 A l'extérieur de la bague annulaire 132,

se trouve une membrane 134 sélective aux ions qui, selon ce mcde de réalisa-

tion, se présente sensiblement comme un sac ouvert, un récipient ouvert,

une cuvette ou similaire Le but est d'obtenir un récipient pouvant conte-

nir un volume connu d'un fluide 138 tel que l'eau désionisée, à l'intérieur du sac, ensemble avec les condensateurs à structure interdigitée, le sac de membrane étant hermétiquement fermé ensuite au niveau de son orifice pour l'isoler de la solution environnante Cette membrane est placée sur la périphérie extérieure de la bague annulaire intérieure 132 qui est alors entourée dans la zone de la bague annulaire 132 par une bague annulaire extérieure 136 conductrice de l'électricité Le rapport entre la surface périphérique intérieure de la bague annulaire extérieure 136, les flancs du sac 14 et la surface périphérique extérieure de la bague annulaire 132, est tel que la jonction soit placée de façon étanche à l'eau pour contenir

l'eau désionisée intérieurement au sac de membrane 134.

En poursuivant la description, à l'intérieur du sac 134 se trouve

l'eau désionisée 138 qui remplit entièrement le sac Sur le dessous du dis-

que circulaire 130 est fixé le substrat 140 du condensateur à structure

interdigitée, portant dans cet exemple-deux condensateurs à structure inter-

digitée 142 et 144 La construction des condensateurs 142 et 144 est comme sur la figure 7, à savoir que le condensateur 142 est d'abord recouvert d'une mince couche passive en nitrure de silicium, de manière à pouvoir encore recevoir n'importe quel ion flottant librement qui a pu être infusé dans l'eau désionisée, tandis que l'autre condensateur 144 est couvert d'une seconde couche de résine époxy qui est impermeable à la solution résultante qui l'entoure Cette couche époxy recouvre la couche de nitrure de silicium qui est immédiatement au-dessous et, de ce fait, le condensateur 144 ne

détecte que des changements de capacité attribuables à la température.

A travers le disque circulaire 130 sont admis des conducteurs allant

vers chacun des condensateurs 142 et 144 ainsi que les conducteurs électri-

ques servant à connecter la bague annulaire 132 et la bague annulaire 136 au potentiel de la batterie électrique 146 Dans ce cas encore, un potentiel électrique est appliqué à travers la membrane qui doit naturellement être non conductrice, afin d'accélérer les ions de polarité correcte à travers la membrane depuis la solution environnante et vers l'eau désionisée 138. On comprend que la membrane sélective 134 doit être imperméable à l'eau et à la solution qui entoure le sac car dans le cas contraire, l'eau désionisée 138 pourrait s'échapper en permanence aussi bien pendant le stockage de

l'appareil que lors des tests. Il est clair que bien que l'invention ait été expérimentée dans le domaine

de la détection de certaines matières dans deux fluides, on peut l'utiliser avec d'autres types de membranes, telles que des doubles couches lipidiques et similaires pour détecter des substances variées dans divers

fluides, comme cela est évident pour les spécialistes.

Il est évident que les condensateurs décrits sont des condensateurs du type à structure interdigitée placés sur un substrat isolant plat Il est cependant certain que les condensateurs du type décrit ne sont pas les seuls qu'on puisse employer puisque l'invention exige le changement de capacité entre les électrodes du condensateur par l'entrée d'une matière spécifique dans la matière diélectrique du condensateur Il est également évident que

les condensateurs utilisés ne doivent pas avoir obligatoirement deux élec-

trodes pour établir le champ électrique, mais pourraient avoir plusieurs

électrodes pour établir ce champ, comme cela est bien connu de la technique.

Il va de soi par ailleurs qu'on peut apporter diverses modifications aux modes de réalisation qui ont été décrits et qui sont représentés sur les

dessins sans sortir pour cela du cadre le l'invention.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de détection capacitif ( 1) pour détecter la présence et pour mesurer la concentration d'une matière spécifique non aqueuse dans un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur ( 11) ayant une série d'électrodes espacées conductrices de l'électricité, ces électrodes étant destinées à établir un champ électrique capacitif entre elles; une première couche de matière ( 18) recouvrant ces électrodes conductrices et une seconde couche de matière ( 20) recouvrant la première couche de matière ( 18), cette seconde couche de matière ( 20) étant perméable à la matière spécifique, de sorte que celle-ci peut être détectée et que sa concentration peut être mesurée à la suite de son entrée dans le champ électrique entre les électrodes, qui change ainsi la capacité entre lesdites électrodes. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche ( 18) constitue une matière électriquement isolante qui est

passive au fluide.

3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde couche de matière ( 20) est sélectivement perméable à la matière non aqueuse spécifique devant être détectée et dont la concentration doit

être mesurée.

4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde couche de matière ( 20) est un caoutchouc siliconique sélectivement

perméable aux gaz anesthésiants.

Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde couche de matière ( 20) est en Valinomycine sélectivement perméable

à l'ion potassium.

6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit condensateur constitue un condensateur à structure interdigitée comportant une paire d'électrodes situées sur un substrat plat ( 10), ce substrat étant

passif et imperméable au fluide et à la matière spécifique non aqueuse.

7 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second condensateur ( 31) conçu pour être comparé au premier condensateur ( 11), ce second condensateur ( 31) ayant une série d'électrodes espacées conductrices de l'électricité et servant à établir un champ électrique capacitif entre elles; une première couche de matière

électriquement isolante ( 38) passive au fluide et recouvrant lesdites élec-

trodes conductrices du second condensateur; et une seconde couche de ma-

tière ( 40) recouvrant la première couche de matière sur le second condensa-

teur, ces première et seconde couches de matière possédant respectivement des propriétés thermiques similaires à celles des première ( 18) et seconde

( 20) couches du premier condensateur ( 11), de sorte que ce second condensa-

teur est comparé au premier condensateur pour éliminer les effets de la

température sur le premier condensateur.

8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la

seconde couche ( 40) sur le second condensateur ( 31) est passive et imper-

méable au fluide et aussi imperméable à la matière spécifique non aqueuse

devant être détectée et mesurée.

9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première couche ( 38) et la seconde couche ( 40) du second condensateur ( 31) sent identiques respectivement à la première et la seconde couches du premier condensateur ( 11), et en ce qu'il comprend également une barrière imperméable recouvrant la seconde couche de matière ( 40) du second condensateur, de sorte que cette seconde couche ne peut être

traversée par la matière spécifique que l'on désire détecter et mesurer.

10 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier condensateur ( 11) et le second condensateur ( 31) constituent des condensateurs à structure interdigitée, chaque condensateur à structure interdigitée comportant deux électrodes sur un substrat isolant ( 10), ce

substrat étant passif et imperméable au fluide.

11 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première couche et la seconde couchesdu second condensateur ( 31) sont indentiques respectivement à la première couche et à la seconde couche Sdu premier condensateur ( 11), et en ce qu'il comprend également un récipient de couverture ( 420) devant entourer les première et seconde couches du second condensateur, ledit récipient de couverture contenant un fluide ( 400) ayant une concentration connue de la matière spécifique dont la présence doit être détectée et dont la concentration doit être mesurée,

de sorte que le second condensateur constitue une référence pour une con-

centration spécifique de la matière spécifique non aqueuse en vue de sa

comparaison avec le premier condensateur.

12 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend également un second condensateur ( 31) destiné à être comparé au premier condensateur ( 11), ce second condensateur ayant une série d'électrodes conductrices espacées devant établir un champ électrique capacitif entre elles; une première matière électriquement isolante ( 38)

passive au fluide recouvrant les électrodes conductrices du second conden-

sateur ( 31); et un récipient de couverture ( 420) devant entourer la première couche ( 38) du second condensateur ( 31), ce récipient devant contenir un fluide ayant une concentration connue de la matière spécifique dont la présence doit être détectée et dont la concentration doit être mesurée, de scrte que le second condensateur ( 31) fournit une référence pour la concentration de la matière spécifique en vue d'une comparaison avec le

premier condensateur.

13 Dispositif capacitif de détection pour détecter la présence et mesurer la concentration d'une matière spécifique non aqueuse ou d'un complément de la matière spécifique non aqueuse dans un fluide, caractérisé

en ce qu'il comprend un condensateur ( 11), ayant une série d'électrode con-

ductrices espacées qui servent à établir un champ électrique capacitif entre elles; une première couche de matière ( 18) recouvrant ces électrodes conductrices; et une seconde couche de matière ( 20) disposée spatialement par rapport à la première couche de matière, cette seconde couche étant en communication avec le fluide et étant perméable à la matière spécifique non aqueuse, de sorte que celle-ci peut être détectée et que sa concentration peut être mesurée à la suite de son entrée dans le champ électrique entre les électrodes ou de sa sortie de ce champ, qui change ainsi la capacité

entre lesdites électrodes.

14 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend également un second fluide ( 400) entourant la première couche de matière du condensateur, ce second fluide étant en communication avec la

seconde couche de matière pour permettre le passage de la matière spécifi-

que non aqueuse depuis la seconde couche perméable vers le point proche de la première couche de matière, en entrant ainsi dans le champ électrique

entre les électrodes.

Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la première couche de matière constitue une matière électriquement isolante

passive au second fluide.

16 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la

seconde couche de matière est sélectivement perméable à la matière spé-

cifique non aqueuse qu'on doit détecter et dont la concentration doit être mesurée, cette seconde couche étant également imperméable au second fluide

( 400), et pouvant donc retenir ce second fluide.

17 Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second condensateur également entouré par le second fluide ( 400), et devant être comparé au premier condensateur, ce second condensateur ayant deux électrodes conductrices espacées devant établir

un champ électrique capacitif entre elles; une première matière électrique-

ment isolante recouvrant les électrodes conductrices; et une seconde couche de matière recouvrant la première couche sur le second condensateur, cette seconde couche étant passive au second fluide ( 400) et imperméable à la matière spécifique devant être détectée et mesurée, de sorte que le second condensateur peut être comparé avec le premier condensateur pour détecter et mesurer un changement de la capacité du premier condensateur en raison de la présence de la matière spécifique non aqueuse dans le second fluide.

18 Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que les premier et second condensateurs constituent des condensateurs à structure interdigitée, chaque condensateur à structure interdigitée ayant deux électrodes situées sur un substrat plat électriquement isolant ( 10), ce substrat étant passif au fluide et imperméable aussi bien au fluide qu'à la matière non aqueuse devant être détectée et dont la concentration doit

être mesurée.

19 Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il -

comprend en outre un second condensateur également entouré par le second fluide ( 400) et devant être comparé au premier condensateur, ce second condensateur comportant deux électrodes conductrices espacées qui sont destinées à établir un champ électrique capacitif entre elles; une première

matière électriquement isolante recouvrant les électrodes conductrices, la-

dite première matière étant passive au second fluide ( 400) qui l'entoure; et un récipient de couverture devant entourer la première couche du second condensateur, ce récipient ( 420) devant contenir une portion du second fluide ( 400) ayant une concentration connue de la matière spécifique dont la présence doit être détectée et dont la concentration doit être mesurée,

de sorte que le second condensateur constitue une référence pour une con-

centration connue de la matière spécifique aux fins de comparaison avec le premier condensateur. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le second fluide ( 400) contient la matière non aqueuse spécifique qui doit être détectée et dont la concentration doit être mesurée, la seconde matière devant permettre le passage de la matière spécifique non aqueuse depuis le

second fluide vers le premier fluide, de sorte qu'on peut détecter un com-

plément de la matière spécifique dans le premier fluide et en mesurer la concentration en mesurant le changement de capacité dû à la perte de la

matière spécifique non aqueuse du second fluide.