FR2750494A1 - Capteurs capacitifs a hautes performances comportant au moins une electrode non metallique et procede de fabrication de tels capteurs - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur capacitif à hautes performances, notamment destiné à la réalisation de mesures d'humidité. Elle concerne également les procédés de fabrication d'un tel capteur. Les condensateurs selon l'invention sont notamment caractérisés en ce qu'ils comportent au moins une électrode poreuse, réalisée en matériau polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage. Le procédé de fabrication consiste à réaliser l'empilement successif d'une feuille métallique (3) d'un film polymère isolant (2) et d'une couche de polymère dopé (1). Les condensateurs peuvent être ajustés par modification de la surface utile d'une des électrodes. L'information est prise par simples contacts directs (4 et 5) sur les électrodes.

Description

Capteurs capacitifs à hautes performances comportant au moins une électrode non métallique et procédé de fabrication de tels capteurs.

L'invention concerne une nouvelle technologie de réalisation de capteurs capacitifs, plus particulièrement mais non exclusivement destinés à la réalisation de mesures de l'humidité relative. On verra que la technologie et les modes de réalisation décrits dans le cadre de la présente invention peuvent s'appliquer à la réalisation de capteurs pouvant être utilisés pour réaliser d'autres mesures, par exemple des mesures de force ou de pression.

On connaît plusieurs méthodes de réalisation de capteurs capacitifs et l'utilisation de tels capteurs pour la réalisation de mesures d'humidité.

La technologie utilisée consiste à réaliser deux électrodes planes, électrodes entre lesquelles on place un matériau dont les caractéristiques diélectriques sont modifiées par la présence (ou non) d'humidité dans l'air ambiant. La modification des caractéristiques du diélectrique provoque une variation de la capacité du condensateur ainsi réalisé, si bien que le signal de sortie donne une information sur la teneur en humidité de l'air. Le traitement de ce signal de sortie ne pose pas de problème particulier, il est réalisé par l'exemple à l'aide d'un circuit R - C ou R - L - C.

Dans tous les cas, les électrodes sont réalisées par dépôt d'une fine couche métallique sur un substrat. Dans un mode de réalisation couramment utilisé, on procède à une métallisation sous vide ce qui donne une très faible épaisseur de métal. Pour qu'un capteur capacitif fonctionne comme un capteur d'humidité, il est en effet indispensable que l'air humide que l'on cherche à caractériser puisse pénétrer à l'intérieur du condensateur de façon à influencer le diélectrique. On comprend donc qu'il faille réaliser une électrode poreuse particulièrement fine. Si l'on réalise cette électrode en métal, compte tenu de la structure atomique des métaux, la limite entre la continuité électrique et l'étanchéité est atteinte pour des épaisseurs de l'ordre de 1/100 microns, et ceci quel que soit la métal utilisé (en général, chrome, nickel ou or). Outre une relative fragilité du capteur, ce mode de réalisation implique de nombreux inconvénients; en particulier, la réalisation d'une connexion fiable entre cette électrode particulièrement fine et le circuit de mesure est extrêmement délicate.

Par ailleurs, on constate que les capteurs capacitifs actuellement réalisés nécessitent une succession d'opérations minutieuses et délicates: on dépose dans un premier temps du métal sur un substrat et ce sur deux zones distinctes, une zone servant de première électrode et l'autre étant utilisée comme contacteur pour la deuxième électrode. L'ensemble est alors recouvert par un film diélectrique, lequel est interrompu au niveau de la zone de contact ménagée pour la deuxième électrode. Enfin, on procède à la mise en place de la deuxième électrode, c'est à dire au dépôt d'un film de métal sur une épaisseur de l'ordre du centième de micron. Bien entendu, compte tenu des incertitudes sur l'épaisseur réelle du film diélectrique, il est indispensable d'ajuster la surface utile d'au moins une électrode de façon à obtenir la capacité désirée pour un taux d'humidité donné. Différentes méthodes ont été proposées pour réaliser cette calibration a posteriori; on citera notamment le brevet français numéro Fr-2687834 (CORECI) qui prévoit une pluralité de ponts susceptibles d'être déconnectés et le brevet anglais numéro GB 2213323 (VAISALA) qui préconise d'ajuster la surface utile d'une électrode en l'isolant par procédé laser à travers le substrat sans modifier le diélectrique. Dans tous les cas, le procédé est le même: on réalise un capteur capacitif selon le process décrit ci-dessus en prenant un maximum de précautions puis on mesure ses performances et l'on procède ensuite aux ajustements indispensables pour pbtenir une réponse utilisable.

En tout état de cause, les capteurs capacitifs réalisés selon les procédés décrits ci-dessus, ont tendance à se comporter comme des éponges , c'est à dire que leua matériawlconstitutifs s'imprègnent d'air humide (notamment à l'interface substrat/métal de la première électrode), si bien qu'ils présentent une certaine hystérésis et que leur réponse peut être erronée dans les minutes ou les heures qui suivent une exposition dans une atmosphère saturée d'humidité, voire une immersion dans un liquide.

Le caractère imparfait et insatisfaisant des capteurs capacitifs à usage de mesure d'humidité est donc particulièrement probant: les capteurs sont particulièrement fragiles, leur précision reste de l'ordre de 10 % sur la valeur mesurée, ils ne sont pas interchangeables, ils sont sujets à la saturation et leur procédé de fabrication est à la fois long, délicat et onéreux.

L'invention propose de réaliser des capteurs qui pallient à l'ensemble des inconvénients exposés ci-dessus.

A cet effet, I'invention propose deyréaliser des capteurs capacitifs dont l'une au moins des électrodes soit réalisée en matériau poreux dopé de telle façon qu'il soit rendu conducteur de l'électricité. L'invention décrit et revendique également le procédé de fabrication de tels capteurs.

Un objectif principal de l'invention est de proposer des capteurs présentant des tolérances de fabrication des valeurs de base de l'ordre de 0,25 % permettant l'interchangeabilité sans réétalonnage avec une tolérance métrologique de l'ordre de 1 %.

Un objectif complémentaire de I'invention et de proposer des capteurs capacitifs qui présentent un maintien de leurs performances et une désaturation instantanée après un phase en saturation (100 % Hr) maintenue à long terme.

Un objectif essentiel de l'invention est de permettre de proposer des capteurs capacitifs particulièrement robustes et fiables et notamment ne subissant pas de dégradation ou de modification de leurs caractéristiques à l'issue de cycles gel-dégel ou après immersion.

Un objectif complémentaire de l'invention est de permettre la réalisation d'éléments sensibles indépendants directement connectables sur des circuits de mesure passifs ou actifs.

Un autre objectif de l'invention est de permettre de réaliser des éléments sensibles souples adaptables à des supports de forme gauche ou courbe.

-L'objectif final de l'invention est d'obtenir des capteurs d'humidité dont le rapport performances (précision, robustesse, reproductibilité, fiabilité) I prix soit très sensiblement amélioré par rapport à la technologie existante. Ceci devrait permettre d'accéder à des applications en grandes série telles que l'électroménager, la climatisation ou l'automobile tout en conservant une performance métrologique et une fiabilité élevées.

L'ensemble de ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide de capteurs capacitifs dont l'architecture générale et le procédé de fabrication sont radicalement différents des réalisations antérieures. L'une des caractéristiques essentielle des capteurs selon l'invention réside dans la conception et la réalisation de l'électrode poreuse. On a vu que, si elle était
réalisée en métal, cette électrode devait satisfaire à deux critères difficilement compatibles entre eux: d'une partelle doit présenter la perte de charge la plus faible possible (porosité) afin de mettre la matière composant le diélectrique (polymère) en équilibre avec le gaz environnant; d'autre part elle doit assurer une continuité électrique. Ces résultats ne sont habituellement obtenus qu'en déposant un métal sous vide sur une épaisseur assez importante pour assurer la continuité électrique et suffisamment faible pour éviter que l'électrode ne se comporte comme un film continu interdisant tout échange gazeux, ce qui interdirait l'usage du condensateur en tant que capteur d'humidité. Selon la présente invention cette contradiction est résolue en ce que l'une au moins des deux électrodes est constituée par un matériau poreux autre que métallique disposé en couche épaisse et rendu conducteur par inclusion d'une pluralité de particules conductrices de l'électricité. Le terme poreux est ici employé dans le sens de non totalement étanche à la vapeur d'eau.

De façon préférentielle le matériau constituant l'électrode poreuse sera choisi parmi les polymères, ce qui permet d'obtenir une absence d'étanchéité y compris sur une épaisseur relativement importante (préférentiellement de l'ordre de 100 microns). Ce matériau sera rendu conducteur par dopage, c'est à dire par inclusion dans sa masse de particules conductrices de l'électricité, par exemple métalliques. Un résultat identique pourra être obtenu en choisissant un quelconque matériau plastique dans une épaisseur telle qu'il ne soit pas totalement étanche, le dit matériau étant rendu conducteur de l'électricité par tout moyen approprié.

Une autre caractéristique des capteurs selon l'invention est qu'ils comportent un diélectrique constitué par un film polymère déposé sous forme d'une pluralité de couches d'épaisseur inégales; ce procédé permet de mieux maîtriser l'épaisseur finale et la régularité du diélectrique, ce qui a des conséquences fastes sur la précision des condensateurs ainsi réalisés. Cette disposition contribue à l'obtention de condensateurs ayant une sensibilité (Delta C sur C) constante et donc facilement interchangeables entre eux.

Malgré ces précautions, on constate que l'on n'obtient pas toujours une précision optimale sur la valeur de la capacité pour un taux d'humidité donné.

Compte tenu du procédé de fabrication, I'ajustement du condensateur peut être réalisé très facilement et très rapidement: il suffit en effet de réduire la surface utile de l'électrode poreuse jusqu'à obtention de la valeur recherchée; cette opération peut se faire par simple grattage ou érosion du matériau constituant l'électrode poreuse.

Enfin, I'électrode inférieure pourra être réalisée très simplement en utilisant une feuille métallique sur laquelle on viendra déposer successivement le film diélectrique (polymère non dopé électriquement isolant) puis l'électrode poreuse (polymère dopé électriquement conducteur). Dans le cadre d'une fabrication en séries industrielles, cette feuille sera choisie de grandes dimensions, et le complexe ainsi réalisé sera découpé aux dimensions exactes des condensateurs.

On comprend que l'on obtient selon ce mode de fabrication des capteurs d'un prix de revient industriel particulièrement faible. Outre leurs qualités de précision et de reproductibilité, ces condensateurs se révéleront particulièrement solides et pourront résister sans dommage à d'importantes et différentes contraintes mécaniques et/ou thermiques. Ils présenteront une grande souplesse, ce qui permettra de les utiliser sur des surfaces autres que planes. Enfin, la prise d'informations se fera très simplement, préférentiellement par contacts directs sur l'une et l'autre des deux électrodes. Ceci permet de proposer des condensateurs souples, destinés à être placés par simple clipsage sur des circuits ou dans des ensembles existants. Incidemment, on remarquera que ce mode de prise d'information était irréalisable avec les condensateurs réalisés selon l'art antérieur, la faible épaisseur et la fragilité de l'électrode métallique poreuse interdisant toute mise en place d'une liaison filaire sur la dite électrode.

Dans une variante de la présente invention, on pourra choisir de réaliser des condensateurs munis de deux électrodes poreuses, séparées par un film polymère non conducteur de l'électricité. On réalisera donc l'empilement suivant:
Une couche de polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage.

Un film de polymère électriquement isolant.

Une couche de polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage.

Là encore la prise d'information se fera par contacts directs sur les deux électrodes poreuses. De tels condensateurs constitueront des capteurs d'humidité particulièrement performants; en particulier, ils seront en osmose pratiquement totale avec le milieu,d'où une sensibilité encore améliorée et des temps de réponse particulièrement courts.

Au delà des condensateurs à usage de capteurs d'humidité, la présente invention porte sur le procédé de fabrication de ces capteurs. Ce procédé porte, pour le mode de réalisation préférentiel, sur l'empilement successif d'une feuille métallique, d'un film polymère isolant et d'une couche de polymère dopé. Pour la variante, le procédé de fabrication consiste à empiler successivement une couche de polymère dopé, un film de polymère isolant c'est à dire non dopé et une couche de polymère dopé. Dans tous les cas, les condensateurs élémentaires sont obtenus par découpage des empilements ci-dessus décrits. II est possible d'ajuster la valeur de la capacité en jouant sur la surface utile de l'une au moins des électrodes. Enfin, la prise d'informations peut être réalisée par simples contacts sur les faces externes des électrodes, si bien que les condensateurs selon l'invention n'ont pas besoin d'être munis de câbles de liaison.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention et d'une variante, donnés à simple titre indicatif, et des dessins annexés dans lesquels:
La FIGURE 1 représente une vue en coupe d'un capteur capacitif selon
l'invention, selon le mode de réalisation préférentiel.

La FIGURE 2 représente une vue en coupe d'un capteur capacitif selon
l'invention, selon la variante à deux électrodes poreuses.

On constate sur la FIGURE 1 que les condensateurs selon l'invention sont réalisés par empilement d'une feuille de métal utilisée comme première électrode (3a), d'un film polymère (2) de faible épaisseur (environ 2 microns), le dit film étant préférentiellement réalisé par empilements de films d'épaisseurs inégales, et d'une deuxième électrode (1) réalisée en matériau autre que métallique (exemple: polymère) dopé, la dite deuxième électrode présentant une épaisseur d'environ 100 microns. Les contacts de prise d'informations (4 et 5) sont réalisés directement respectivement sur les électrodes (1 et 3a).

La FIGURE 2 représente une variante des condensateurs selon l'invention, variante dans laquelle la première électrode (3b) est également réalisée en matériau non métallique (polymère ou autre) dopé, sur une épaisseur d'environ 100 microns.

Bien entendu, la description ci-dessùs est donnée à simple titre indicatif et l'on pourra choisir d'autres modes de réalisation des condensateurs et notamment différentes dimensions, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. De même l'utilisation en tant que capteurs d'humidité des condensateurs selon l'invention est une utilisation principale mais non exclusive et l'on pourra utiliser de tels condensateurs pour mesurer d'autres grandeurs physiques. plus généralement, on pourra selon les procédés décrits et revendiqués dans le cadre de la présente invention, réaliser des condensateurs utilisables en tant que tels dans des circuits électroniques.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. -1- Capteur capacitif, du type comportant deux électrodes séparées par un matériau diélectrique, caractérisé en ce que l'une au moins des deux électrodes (1) est constituée par un matériau poreux autre que métallique disposé en couche épaisse et rendu conducteur par inclusion d'une pluralité de particules conductrices de l'électricité.
2. -2- Capteur capacitif selon revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant l'électrode poreuse (1) est choisi parmi les polymères,.
3. -3- Capteur capacitif selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce l'électrode poreuse (1) présente une épaisseur d'environ 100 microns.

   -6- Capteur capacitif selon revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode non poreuse (3a) est réalisée au moyen d'une feuille métallique.

   -5- Capteur capacitif selon revendication 1, caractérisé en ce que l'ajustement du condensateur peut être réalisé par réduction de la surface utile de l'électrode poreuse (1) jusqu'à obtention de la valeur recherchée, la dite réduction pouvant être obtenue par simple grattage ou érosion du matériau constituant l'électrode poreuse (1)
4. -4- Capteur capacitif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que qu'il comporte un diélectrique (2) constitué par un film polymère déposé sous forme d'une pluralité de couches d'épaisseur inégales

   -7- Capteur capacitif selon revendication 1, caractérisé en ce que la prise d'informations est réalisée par contacts directs (4 et 5) sur l'une et l'autre des deux électrodes (1 et 3).

   -8- Capteur capacitif selon revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode (3b) est également réalisée en matériau poreux dopé.

   -9- Procédé de fabrication de capteurs capacitifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé consiste à réaliser l'empilement successif d'une feuille métallique (3a), d'un film polymère (2) isolant et d'une couche de polymère dopé (1).

   (1).

   - Une couche de polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage

   -10- Procédé de fabrication de capteurs capacitifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en se qu'il consiste à réaliser l'empilement suivant:

   - Une couche de polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage (3b).

   - Un film de polymère électriquement isolant (2)