FR2666896A1

FR2666896A1 - IMPROVEMENT IN SENSORS FOR MEASURING THE THERMAL CONDUCTIVITY OF MATERIALS.

Info

Publication number: FR2666896A1
Application number: FR9011773A
Authority: FR
Inventors: Dittmar Andre; Delhomme Georges
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1992-03-20
Anticipated expiration: 2010-09-19
Also published as: WO1992005431A1; FR2666896B1

Abstract

The invention concerns thermal conductivity. The sensor is characterized in that the median measurement zone (Z1) and the heating element, and also the outer measurement zone (Z2), are formed by resistance circuits (15, 16) mounted on the rear face (10) of a soft plastic film-like mesh (11) said face being applied to the contact surface (3y) of the plate through which pass the electric conductors (25) connected to the circuit connection pads or terminals. Application for the measurement of temperature and thermal regulation of living tissues.

Description

PERFECTIONNEMENT AUX CAPTEURS DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE
THERMIQUE DE MATERIAUX
La présente invention concerne La mesure de la conductivité thermique de matériaux, en vue de les caractériser.IMPROVEMENT IN CONDUCTIVITY SENSORS
THERMAL MATERIALS
The present invention relates to the measurement of the thermal conductivity of materials, with a view to characterizing them.

Une telle mesure de conductivité thermique est mise en oeuvre dans de nombreuses applications parmi lesquelles il convient de citer
- L'étude de la thermo-régulation des tissus vivants en
application médicale,
- L'étude de la nature des tissus biologiques et
notamment la teneur en lipides, protéines ou
l'appréciation de degrés de brûlure ou de nécrose,
- L'étude de la teneur en eau,
- L'étude de l'irrigation sanguine tissulaire,
- L'étude et la caractérisation de matériaux non
biologiques à partir de Leur conductivité thermique.Such a thermal conductivity measurement is implemented in numerous applications among which it is worth mentioning
- The study of the thermo-regulation of living tissues in
medical application,
- The study of the nature of biological tissues and
in particular the content of lipids, proteins or
appreciation of degrees of burning or necrosis,
- The study of the water content,
- The study of tissue blood irrigation,
- Study and characterization of non-material
biological from their thermal conductivity.

La technique antérieure a proposé un certain nombre de moyens pour permettre la mesure de la conductivité thermique de matériaux. The prior art has proposed a number of means for enabling the measurement of the thermal conductivity of materials.

Parmi ces moyens, il convient de citer, plus particulièrement, l'enseignement fourni par le brevet français n O 85-15 932 déposé au nom du CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE. Le capteur de mesure décrit dans ce brevet français donne satisfaction par son caractère robuste, de faible encombrement et ses caractéristiques de mesures précises, sensibles, stables et rapides.Among these means, it is worth mentioning, more particularly, the teaching provided by French patent n o 85-15 932 filed in the name of the NATIONAL RESEARCH CENTER
SCIENTIST. The measurement sensor described in this French patent gives satisfaction by its robust nature, of compact size and its characteristics of precise, sensitive, stable and fast measurements.

La fabrication a toutefois fait apparaître qu'un tel type de capteur est actuellement relativement-onéreux, en raison de l'exigence d'un usinage de précision nécessaire pour exécuter les différents éléments constitutifs et permettre leur association au moment de la phase de montage. Manufacturing has however shown that such a type of sensor is currently relatively expensive, due to the requirement for precision machining necessary to execute the various constituent elements and allow their association at the time of the assembly phase.

Il a été constaté, par ailleurs, que si la réalisation par usinage permettait une exécution souple et évolutive, sans exigence d'investissement d'outillage particulier, en revanche il était difficile de produire des capteurs avec une grande reproductibilité de réalisation et de performances voisines. It has also been observed that, if the production by machining allows a flexible and scalable execution, without the need for investment in particular tools, on the other hand, it was difficult to produce sensors with high reproducibility of production and similar performance. .

Par ailleurs, il a été constaté aussi une difficulté à réaliser convenablement l'étanchéité de La face d'application. Furthermore, it was also found a difficulty in properly sealing the application face.

Les perfectionnements selon la présente invention visent à proposer des améliorations permettant de réaliser, à un prix de revient particulièrement intéressant et de façon reproductible, des capteurs de faible dimension, fiables et sûrs possédant, par leur bonne possibilité de reproductibilité dimensionnelle, des caractéristiques thermiques proches, sinon identiques, facilitant l'interchangeabilité des capteurs dans les appareils de mise en service. The improvements according to the present invention aim to propose improvements making it possible to produce, at a particularly attractive cost price and in a reproducible manner, small, reliable and reliable sensors having, by their good possibility of dimensional reproducibility, close thermal characteristics. , if not identical, facilitating the interchangeability of the sensors in the commissioning devices.

Pour atteindre les objectifs ci-dessus, les perfectionnements selon L'invention consistent à réaliser le capteur de façon telle que la zone de mesure médiane et l'élément chauffant, d'une part, et la zone de mesure extérieure, d'autre part, sont formés par des circuits résistifs portés par La face arrière d'une trame pelliculaire en matière plastique souple, laquelle face est appliquée sur la face d'application de la platine à travers laquelle passent les conducteurs électriques connectés à des pastilles ou bornes de raccordement des circuits résistifs. To achieve the above objectives, the improvements according to the invention consist in making the sensor in such a way that the central measurement zone and the heating element, on the one hand, and the external measurement zone, on the other hand , are formed by resistive circuits carried by the rear face of a flexible plastic film frame, which face is applied to the application face of the plate through which pass the electrical conductors connected to pads or connection terminals resistive circuits.

Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de L'invention. Various other characteristics will emerge from the description given below with reference to the appended drawings which show, by way of nonlimiting examples, embodiments of the subject of the invention.

La fig. 1 est une coupe-élévation du capteur conforme à
L'invention.Fig. 1 is a sectional elevation of the sensor in accordance with
The invention.

La fig. 2 est une vue en plan prise à échelle différente sensiblement selon la ligne II-II de La fig. 1. Fig. 2 is a plan view taken on a different scale substantially along line II-II of FIG. 1.

La fig. 3 est une vue en plan illustrant un autre exemple de réalisation de certains des éléments constitutifs de L'objet de
L'invention.Fig. 3 is a plan view illustrating another exemplary embodiment of some of the constituent elements of the object of
The invention.

Les fig. 4 et 5 montrent une variante de réalisation de l'un des éléments de L'invention. Figs. 4 and 5 show an alternative embodiment of one of the elements of the invention.

Selon la forme de réalisation illustrée par les fig. 1 et 2, le capteur de mesure de la conductivité thermique de matériaux comprend une platine 1 réalisée en une matière isolante électriquement et thermiquement, pouvant etre moulée ou usinée. La matière choisie est, de préférence, une matière plastique résistante, telle que par exemple une résine époxy incluant une charge de fibres de verre. Dans l'exemple illustré, le capteur est de forme générale cylindrique, de faible épaisseur et comporte, en conséquence, une platine 1 de forme générale circulaire qui est avantageusement pourvue d'un rebord périphérique 2. Il doit être considéré que les dispositions technologiques qui sont décrites ci-dessus, peuvent aussi être mises en oeuvre dans des capteurs de formes différentes et, par exemple, de forme allongée et non plus cylindrique. According to the embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2, the sensor for measuring the thermal conductivity of materials comprises a plate 1 made of an electrically and thermally insulating material, which can be molded or machined. The material chosen is preferably a resistant plastic, such as for example an epoxy resin including a filler of glass fibers. In the example illustrated, the sensor is of generally cylindrical shape, of small thickness and consequently comprises a plate 1 of generally circular shape which is advantageously provided with a peripheral rim 2. It should be considered that the technological provisions which are described above, can also be implemented in sensors of different shapes and, for example, of elongated shape and no longer cylindrical.

La platine 1 est réalisée pour présenter une face 3a dite d'application, qui délimite deux plages 4 et 5 qui peuvent être disposées dans un plan commun ou, au contraire, dans deux plans décalés comme cela est illustré par la fig. 1. Dans un tel exemple, la plage 4, dite médiane ou centra le dans le cas de réalisation du capteur sous une forme cylindrique, fait, de préférence, Légèrement saillie par rapport à la plage 5, dite extérieure ou périphérique externe dans le même cas de réalisation. La plage 4 est, de préférence, circulaire, alors que la plage 5 est annulaire en étant formée à La périphérie de la platine 1 et sensiblement en retrait du bord périphérique 2 auquel elle se raccorde par un congé ou un chanfrein analogue 6. La plage annulaire 5 est, dans un tel cas, concentrique à La plage médiane 4.Dans tous les cas, la plage 5 est séparée de la plage 4 par une creusure 7 qui est formée ou usinée sur au moins la face d'application 3a en étant constituée, dans le cas de réalisation illustrée, par une dépression annulaire. The plate 1 is made to present a so-called application face 3a, which delimits two areas 4 and 5 which can be arranged in a common plane or, on the contrary, in two offset planes as illustrated in FIG. 1. In such an example, the range 4, called the median or central if the sensor is produced in a cylindrical shape, preferably, slightly protrudes from the range 5, called the outer or external peripheral in the same case of realization. The area 4 is preferably circular, while the area 5 is annular, being formed at the periphery of the plate 1 and substantially set back from the peripheral edge 2 to which it is connected by a fillet or a similar chamfer 6. The area annular 5 is, in such a case, concentric to the median range 4. In all cases, the range 5 is separated from the range 4 by a recess 7 which is formed or machined on at least the application face 3a being constituted, in the illustrated embodiment, by an annular depression.

Selon L'invention, les plages 4 et 5 sont destinées à définir une zone de mesure Z1' dite médiane à même de mesurer la température de la zone correspondante du matériau sur lequel la face d'application 3a est appliquée. La plage 5 définit une zone
Z2' dite extérieure de mesure de température de référence du matériau. According to the invention, the ranges 4 and 5 are intended to define a measurement zone Z1 ′ called the median capable of measuring the temperature of the corresponding zone of the material on which the application face 3a is applied. Range 5 defines an area
Z2 'called external reference temperature measurement of the material.

Selon L'invention, les moyens constitutifs des zones Z1 et Z2 sont portées par la face arrière 10 d'une trame pelliculaire 11 qui est appliquée sur la face d'application 3a. La trame pelliculaire 11 peut être appliquée sur la face d'application 3a, soit par un moyen 12 de sertissage, soit encore par collage. Dans ce dernier cas, la trame pelliculaire 11 peut être liée aux plages 4 et 5 seulement comme illustré au dessin, ou encore suivre toutes les variations de niveau de la face d'application 3a en étant appliquée également dans le fond de la creusure ou dépression annulaire 7. According to the invention, the means constituting the zones Z1 and Z2 are carried by the rear face 10 of a film frame 11 which is applied to the application face 3a. The film frame 11 can be applied to the application face 3a, either by a crimping means 12, or even by gluing. In the latter case, the film frame 11 can be linked to areas 4 and 5 only as illustrated in the drawing, or else follow all the variations in level of the application face 3a while also being applied to the bottom of the recess or depression ring finger 7.

La trame pelliculaire il est réalisée en une matière plastique souple ayant un caractère d'isolation électrique mais de transmission thermique. Une matière convenant particulièrement bien est constituée par un film de polyimide connu encore sous la marque commerciale de KAPTON commercialisé par la Société DUPONT de NEMOURS. Une telle feuille dont L'épaisseur à été manifestement exagérée à la fig. 1 pour des raisons d'appréciation visuelle peut, par exemple, être choisie, pour un diamètre de capteur égal à 25 mm, pour posséder une épaisseur voisine de 25 micromètres. The film frame is made of a flexible plastic material having the character of electrical insulation but of thermal transmission. A particularly suitable material consists of a polyimide film also known under the trade name of KAPTON marketed by the Company DUPONT de NEMOURS. Such a sheet, the thickness of which has been manifestly exaggerated in FIG. 1 for reasons of visual appreciation can, for example, be chosen, for a sensor diameter equal to 25 mm, to have a thickness close to 25 micrometers.

La trame pelliculaire est réalisée de manière à comporter en relation avec Les zones Z1 et Z2 et à partir de sa face 10 respectivement des moyens 15 et 16 dont un exemple de réalisation est illustré par la fig 2. The film frame is produced so as to comprise, in relation to the zones Z1 and Z2 and from its face 10 respectively means 15 and 16, an exemplary embodiment of which is illustrated in FIG. 2.

Les moyens 15 comprennent un premier circuit résistif 17 dit de chauffage se développant selon une forme géométrique appropriée, par exemple en grecques successives, à partir de deux pastilles ou bornes de raccordement 18. Les moyens 15 comprennent, par ailleurs et de préférence imbriqués avec le circuit 17, un circuit résistif 19, dit de mesure de La zone du matériau chauffé par L'infLuence du circuit 17. Le circuit 19, réalisé de semblable façon que le circuit 17, est pourvu, comme ce dernier, de deux pastilles ou bornes de raccordement 20. The means 15 comprise a first resistive circuit 17 known as a heating circuit developing in an appropriate geometric shape, for example in successive Greek, from two pads or connection terminals 18. The means 15 furthermore and preferably nested with the circuit 17, a resistive circuit 19, said to measure the area of the material heated by the influence of circuit 17. Circuit 19, produced in a similar way as circuit 17, is provided, like the latter, with two pads or terminals connection 20.

Les moyens 16 comprennent au moins un circuit 21 dit de référence et de mesure différentielle par rapport au circuit 19. The means 16 comprise at least one circuit 21 called reference and differential measurement with respect to circuit 19.

Le circuit 21 est réalisé pour occuper la majeure partie de la zone 5 et présente, par exemple, à cet effet, une conformation également en grecque se développant sur la surface de la plage 5.The circuit 21 is made to occupy most of the area 5 and has, for example, for this purpose, a conformation also in Greek developing on the surface of the area 5.

Le circuit 21 est raccordé à deux pastilles ou bornes de contact 22. Dans une réalisation préférée, les moyens 16 comprennent, par ailleurs, un second circuit 23, dit de mesure absolue qui est établi parallèlement au circuit 21. Le circuit 23 est pourvu de deux bornes ou pastilles de raccordement 24.The circuit 21 is connected to two contact pads or terminals 22. In a preferred embodiment, the means 16 also comprise a second circuit 23, said to be of absolute measurement which is established parallel to the circuit 21. The circuit 23 is provided with two terminals or connection pads 24.

Les circuits 17, 19, 21 et 23 sont de préférence obtenus par photogravure, à partir d'un film de nickel recouvrant la face 10 de la trame pelliculaire Il et d'une épaisseur voisine de 25 micromètres. The circuits 17, 19, 21 and 23 are preferably obtained by photoengraving, from a nickel film covering the face 10 of the film frame II and with a thickness close to 25 micrometers.

Comme cela ressort de la fig. 1, les différents circuits sont complétés par des conducteurs désignés dans leur ensemble par la référence 25 et branchés par soudure sur Les différentes bornes ou pastilles 18, 20, 22 et 24. Les conducteurs 25 traversent une ouverture 26 de la platine 1, de façon à être totalement enrobés dans une masse 27 de matière isolante électriquement et thermiquement, par exemple en polystyrène, remplissant le volume utile de la platine 1, défini par la face 3b opposée à la face 3a. As shown in fig. 1, the various circuits are completed by conductors designated as a whole by the reference 25 and connected by soldering to the various terminals or pads 18, 20, 22 and 24. The conductors 25 pass through an opening 26 of the plate 1, so to be completely coated in a mass 27 of electrically and thermally insulating material, for example of polystyrene, filling the useful volume of the plate 1, defined by the face 3b opposite to the face 3a.

La masse de matière isolante 27 est maintenue à l'intérieur de la platine 1 par l'intermédiaire d'un capot 28 en une matière isolante éléctriquement et thermiquement, immobilisé, par exemple par l'intermédiaire du moyen de sertissage 12 auquel il est associé. Le moyen de sertissage 12 est de préférence constitué par un anneau dont la Lièvre 29 est sertie par-dessus le congé ou le chanfrein 6. Les conducteurs 25 traversent le bord périphérique 2 et L'anneau 12 par l'intermédiaire de moyens de guidage et d'étanchéité 30, de type de connu dans la technique de fabrication des faisceaux de câbles.The mass of insulating material 27 is held inside the plate 1 by means of a cover 28 made of an electrically and thermally insulating material, immobilized, for example by means of the crimping means 12 with which it is associated. . The crimping means 12 is preferably constituted by a ring, the Hare 29 of which is crimped over the fillet or the chamfer 6. The conductors 25 pass through the peripheral edge 2 and the ring 12 by means of guide means and seal 30, of the type known in the art for manufacturing cable harnesses.

De préférence, le capot 28 est pourvu, sur ses deux faces, de deux films isolants 31 possédant un bon coefficient de réfléchissement. Preferably, the cover 28 is provided, on its two faces, with two insulating films 31 having a good reflection coefficient.

Tel que cela ressort de ce qui précède, le nouveau capteur selon L'invention peut être réalisé très facilement par photogravure à partir d'un masque, de manière à laisser subsister sur la face 10 de la trame pelliculaire 11 les circuits correspondant aux zones Z1 et Z2. De tels circuits, après exécution, peuvent être très facilement raccordés aux câbles 25 préalablement à la constitution du capteur. As is apparent from the above, the new sensor according to the invention can be produced very easily by photoengraving from a mask, so as to allow the circuits corresponding to the zones Z1 to remain on the face 10 of the film frame 11 and Z2. Such circuits, after execution, can be very easily connected to the cables 25 prior to the constitution of the sensor.

La première étape de montage consiste à utiliser une platine 1 obtenue, par exemple, par moulage d'une matière plastique appropriée et à assurer l'application de la trame pelliculaire 11 sur la face d'application 3a de cette platine, après engagement des conducteurs 25 à travers L'ouverture 26. L'adaptation de la trame pelliculaire 11 peut intervenir par collage ou par sertissage. Dans ce dernier cas, la platine 1 est alors pourvue du capot 28, de façon à fermer Le volume utile de la platine dans lequel une masse de matière isolante 27 est incorporée, par exemple en étant constituée par développement en mousse. Après cette opération, le sertissage du bord 29 peut intervenir pour immobiliser les éléments constitutifs, voire assurer Le maintien de la trame pelliculaire 11 sur la face d'application 3a, lorsqu'une liaison par collage n'est pas prévue. The first mounting step consists in using a plate 1 obtained, for example, by molding an appropriate plastic material and in ensuring the application of the film frame 11 on the application face 3a of this plate, after engagement of the conductors. 25 through the opening 26. The adaptation of the film frame 11 can take place by gluing or by crimping. In the latter case, the plate 1 is then provided with the cover 28, so as to close the useful volume of the plate in which a mass of insulating material 27 is incorporated, for example by being formed by foam development. After this operation, the crimping of the edge 29 can intervene to immobilize the constituent elements, or even ensure the maintenance of the film frame 11 on the application face 3a, when a bonding bond is not provided.

Ainsi que cela ressort de ce qui précède, L'invention permet de réaliser de façon reproductible, rapide et à un faible prix des capteurs fiables, de faible encombrement, susceptibles de posséder les mêmes caractéristiques de reproductibilité dimensionnelle et donc de reproductibilité thermique facilitant leur interchangeabilité. As is apparent from the above, the invention makes it possible to produce reproducible, fast and at a low price reliable sensors, of small size, capable of having the same characteristics of dimensional reproducibility and therefore of thermal reproducibility facilitating their interchangeability .

La fig. 3 montre une variante de réalisation dans laquelle, notamment, les circuits de référence et de mesure absolue respectivement 21 et 23 sont réalisés pour comporter des segments de plages annulaires de même couverture angulaire, de préférence, et successivement imbriqués. Une telle disposition permet de disposer de meilleures capacités de mesure de référence et de mesure absolue. Fig. 3 shows an alternative embodiment in which, in particular, the reference and absolute measurement circuits respectively 21 and 23 are made to include segments of annular areas of the same angular coverage, preferably, and successively nested. Such an arrangement makes it possible to have better reference and absolute measurement capacities.

Les fig 4 et 5 illustrent une variante selon laquelle la trame pelliculaire 11 est aussi utilisée en tant que support de moyens de traitement de signal. Dans un tel cas, la trame se compose de deux pastilles P1 et P2 reliées par une barrette souple 40. La pastille P1 supporte les circuits 17, 19, 21, 23, alors que la barrette 40 porte des conducteurs de liaison 41. La pastille P2 est pourvue de circuits intégrés 42 auxquels sont branchés les conducteurs 41 et d'un bornier 43 sur lequel les conducteurs 25 sont raccordés. FIGS. 4 and 5 illustrate a variant according to which the film frame 11 is also used as a support for signal processing means. In such a case, the frame consists of two pads P1 and P2 connected by a flexible bar 40. The pad P1 supports the circuits 17, 19, 21, 23, while the bar 40 carries connection conductors 41. The pad P2 is provided with integrated circuits 42 to which the conductors 41 are connected and a terminal block 43 to which the conductors 25 are connected.

Les pastilles P1 et P2 sont repliées L'une vers L'autre par enroulement de la barrette 40 pour permettre un montage, tel qu'illustré par la fig. 5. The pads P1 and P2 are folded towards each other by winding the bar 40 to allow mounting, as illustrated in FIG. 5.

L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. The invention is not limited to the examples described and shown, since various modifications can be made thereto without departing from its scope.

Claims

1 - Sensor for measuring the thermal conductivity of materials, of the type comprising a support plate (1) made of electrically and thermally insulating material, shaped to present, on the one hand, an application face (3a) delimiting areas ( 4, 5) separated by depressions (7) and occupied by a so-called middle measurement zone (Z1) associated with a heating element and a so-called reference measurement zone (Z2) and, on the other hand, a rear face closed by a cover (28) of electrically and thermally insulating material and with which it delimits a closed volume filled with a mass of thermally insulating material (27) encasing electrical conductors (25) connected to the central and external zones,

characterized in that the middle measurement zone (Z1) and the heating element, on the one hand, and the external measurement zone (Z2), on the other hand, are formed by resistive circuits (15, 16) carried by your rear face (10) of a flexible plastic weft (11), which face is applied to

The application face (3a) of the plate through which the electrical conductors (25) pass connected to pads or terminals for connecting the circuits.

2 - Measurement sensor according to claim 1, characterized in that the film frame (11) is made of polyimide and carries on one side of the resistive circuits obtained by photogravure of a nickel film covering said face.

3 - Measurement sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the circuits of the middle zone (Z1) comprise a measurement circuit (19) and a heating circuit (17) nested.

4 - Measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring circuit of the external zone (Z2) comprises a circuit (2) for differential measurement and a circuit for absolute measurement (23).

5 - Measurement sensor according to claim 4, characterized in that the differential and absolute measurement circuits are parallel.

6 - Measurement sensor according to claim 4, characterized in that the differential and absolute measurement circuits are nested.

7 - Measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the film frame (11) is held on the plate by sealed peripheral crimping.

8 - Measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the film frame is held on the plate by gluing.

9 - Measurement sensor according to one of claims, characterized in that the film frame (11) comprises a first pad (P1) carrying the circuits (17, 19, 21, 23), a second pad (P2) carrying signal processing means (42) and a terminal block (43) and a folding bar (40) connecting the pads and carrying electrical conductors (41).