FR2778742A1 - THERMOELECTRIC SENSOR IN PARTICULAR FOR ELECTRICAL APPLIANCES - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un capteur thermoélectrique notamment pour appareils électriques comprenant une résistance (3) et un thermocouple (4) sur un substrat de silicium (2) associé à une couche (1) en un matériau isolant électrique et thermique pouvant être constitué notamment par un composé de silicium, caractérisé par le fait que la résistance (3) et le thermocouple (4) sont déposés sur une plage centrale (12) qui est réunie par des ponts (11) à une plage de ceinture (13) et par le fait qu'une masse centrale de silicium (5) thermiquement isolée du substrat (2) est disposée sous ladite plage centrale (12).The present invention relates to a thermoelectric sensor in particular for electrical devices comprising a resistor (3) and a thermocouple (4) on a silicon substrate (2) associated with a layer (1) of an electrical and thermal insulating material which can be constituted in particular by a silicon compound, characterized in that the resistor (3) and the thermocouple (4) are deposited on a central area (12) which is joined by bridges (11) to a belt area (13) and by the causes a central silicon mass (5) thermally insulated from the substrate (2) to be placed under said central area (12).
Description
L'invention concerne d'une part un capteur thermoélectrique notamment pourThe invention relates on the one hand to a thermoelectric sensor in particular for
appareils électriques, comprenant une résistance et un thermocouple sur un substrat de silicium associé à une couche en un matériau isolant électrique et thermique pouvant être electrical apparatus, comprising a resistor and a thermocouple on a silicon substrate associated with a layer of an electrically and thermally insulating material which can be
constitué notamment par un composé de silicium. constituted in particular by a silicon compound.
On connaît par exemple par le brevet EP 615 266, un capteur thermoélectrique destiné à un appareil électrique de protection, constitué par une résistance parcourue par un courant et par un capteur de température, la puissance thermique dissipée par la résistance We know for example from patent EP 615 266, a thermoelectric sensor intended for an electrical protection device, constituted by a resistance traversed by a current and by a temperature sensor, the thermal power dissipated by the resistance
étant mesurée par le capteur de température. being measured by the temperature sensor.
Dans le capteur qui est décrit dans IEEE Electron Devices Vol. 13, N0 7, July 1992, une résistance chauffante en polysilicium et un thermocouple en polysilicium sont déposés sur une couche isolante électrique et thermique en composé de silicium, couche déposée In the sensor which is described in IEEE Electron Devices Vol. 13, N0 7, July 1992, a polysilicon heating resistor and a polysilicon thermocouple are deposited on an electrical and thermal insulating layer of silicon compound, deposited layer
elle même sur un substrat de silicium. itself on a silicon substrate.
La présente invention a pour but de fournir un capteur thermoélectrique réalisé avec des technologies de la micro-électronique qui présente un faible encombrement et est doté d'une mémoire thermique et d'une constante de temps adaptée à des appareils électriques de protection moteur ou à des disjoncteurs. Il est susceptible de comporter, sur le même substrat, des fonctions électroniques intégrées. La solidité du capteur peut être améliorée The object of the present invention is to provide a thermoelectric sensor produced with microelectronics technologies which has a small footprint and is provided with a thermal memory and a time constant suitable for electric motor protection devices or circuit breakers. It is likely to include, on the same substrate, integrated electronic functions. The strength of the sensor can be improved
sans réduire la résistance thermique. without reducing thermal resistance.
Le capteur selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait que la résistance et le thermocouple sont déposés sur une plage centrale qui est réunie par des ponts à une plage de ceinture et par le fait qu'une masse centrale de silicium thermiquement The sensor according to the invention is essentially characterized in that the resistance and the thermocouple are deposited on a central area which is joined by bridges to a belt area and in that a central mass of silicon thermally
isolée du substrat est disposée sous ladite plage centrale. isolated from the substrate is arranged under said central area.
L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples et représentés par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du capteur thermoélectrique selon l'invention; - la figure 2 est une coupe selon I1- 11 de la figure 1; - la figure 3 est un second mode de réalisation du capteur o celui-ci est associé à des circuits électroniques au sein d'un circuit monolithique; The invention will now be described in more detail with reference to embodiments given by way of examples and represented by the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a perspective view of a first embodiment the thermoelectric sensor according to the invention; - Figure 2 is a section on I1-11 of Figure 1; - Figure 3 is a second embodiment of the sensor o it is associated with electronic circuits within a monolithic circuit;
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-la figure 4 est un troisième mode de réalisation du capteur selon l'invention - la figure 5 représente une première application du capteur selon l'invention dans un appareil de protection de type disjoncteur ou départ-moteur; - la figure 6 représente une seconde application du capteur selon l'invention dans un appareil de protection de type disjoncteur ou départ-moteur. Le capteur illustré aux figures 1 à 6 comporte une résistance 3 parcourue par un courant et un thermocouple 4, la puissance thermique dissipée par la résistance 3 étant FIG. 4 is a third embodiment of the sensor according to the invention; FIG. 5 represents a first application of the sensor according to the invention in a protection device of the circuit breaker or motor starter type; - Figure 6 shows a second application of the sensor according to the invention in a protection device of the circuit breaker or motor starter type. The sensor illustrated in FIGS. 1 to 6 comprises a resistor 3 traversed by a current and a thermocouple 4, the thermal power dissipated by the resistor 3 being
mesurée par le thermocouple 4.measured by thermocouple 4.
Le capteur référencé 10 dans son ensemble est réalisé sur un substrat de silicium o0 avec les technologies de la micro-électronique, de type CMOS, BICMOS, ou bipolaire. A la The sensor referenced 10 as a whole is produced on a silicon substrate 0 with microelectronic technologies, of CMOS, BICMOS, or bipolar type. To the
fin du cycle de fabrication s'ajoute une étape de gravure du silicium. At the end of the manufacturing cycle, there is a step of etching the silicon.
La résistance chauffante 3 est déposée sur une couche 1 en un matériau isolant électrique et thermique de type composé de silicium (Si02 ou Si3N4), cette couche isolante étant déposée elle-même sur un substrat de silicium 2. Le thermocouple 4 est également déposé sur la couche 1. La résistance 3 est réalisée en polysilicium. Le thermocouple 4 est réalisé en polysilicium ou en une autre technologie adaptée au support (aluminium par The heating resistor 3 is deposited on a layer 1 of an electrical and thermal insulating material of the silicon compound type (Si02 or Si3N4), this insulating layer being deposited itself on a silicon substrate 2. The thermocouple 4 is also deposited on layer 1. Resistor 3 is made of polysilicon. Thermocouple 4 is made of polysilicon or another technology adapted to the support (aluminum by
exemple).example).
La résistance 3 et le thermocouple 4 sont déposés sur une plage centrale 12 qui est réunie par des ponts 11 à une plage de ceinture 13 de la couche 1. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 3, les ponts 11 réunissent la plage centrale 12 aux angles de la The resistor 3 and the thermocouple 4 are deposited on a central area 12 which is joined by bridges 11 to a belt area 13 of the layer 1. In the embodiments of FIGS. 1 and 3, the bridges 11 join the central area 12 at the corners of the
ceinture 13 de la couche 1.belt 13 of layer 1.
Une masse de silicium 5 est disposée sous la plage centrale 12 de la couche 1. A silicon mass 5 is placed under the central area 12 of the layer 1.
Cette masse 5 est isolée du point de vue thermique du substrat 2 et procure une capacité thermique. Les ponts 11 fournissent des résistances thermiques. L'ensemble a une constante de temps thermique proportionnelle au produit de la résistance et de la capacité thermique, et se comporte comme un filtre RC du premier ordre. La résistance chauffante 3 en polysilicium est isolée du substrat de silicium par la couche 1. De même le thermocouple This mass 5 is thermally insulated from the substrate 2 and provides thermal capacity. The bridges 11 provide thermal resistances. The set has a thermal time constant proportional to the product of resistance and thermal capacity, and behaves like a first-order RC filter. The heating resistor 3 made of polysilicon is isolated from the silicon substrate by the layer 1. Likewise the thermocouple
4 est isolé du silicium par la couche 1. 4 is isolated from silicon by layer 1.
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Des puits 6 débouchant au niveau de la couche 1 s'étendent entre les ponts 11 et entre la masse centrale 5 et la ceinture de substrat 2. Ils servent à isoler, du point de vue Wells 6 opening at the level of layer 1 extend between the bridges 11 and between the central mass 5 and the substrate belt 2. They serve to isolate, from the point of view
thermique, la masse de silicium 5 par rapport au substrat 2. thermal, the mass of silicon 5 relative to substrate 2.
De préférence le thermocouple 4 est constitué de plusieurs thermocouples associés en série. La tension délivrée par les thermocouples varie avec la puissance thermique injectée dans la masse 5. La jonction chaude est placée sur la plage 12 tandis que la Preferably the thermocouple 4 consists of several thermocouples associated in series. The voltage delivered by the thermocouples varies with the thermal power injected into the mass 5. The hot junction is placed on track 12 while the
jonction froide est placée sur la ceinture 13. cold junction is placed on the belt 13.
Les dimensions des bras de suspension et de la masse sont choisies de manière à réaliser un compromis entre la constante de temps, la fréquence de résonance, la résistance The dimensions of the suspension arms and of the mass are chosen so as to achieve a compromise between the time constant, the resonance frequency, the resistance
aux chocs du capteur.shock from the sensor.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le capteur est intégré à un circuit électronique 71 associé à la résistance 3 et à un circuit électronique 72 associé au In the embodiment of FIG. 3, the sensor is integrated into an electronic circuit 71 associated with the resistor 3 and to an electronic circuit 72 associated with the
thermocouple 4.thermocouple 4.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, le capteur est rigidifié par un plus grand nombre de ponts 11 que dans la réalisation précédente. Sur certains ponts sont prévues des résistances chauffantes 31 en polysilicium. On peut réguler le chauffage procuré par ces résistances 31 sur les ponts de manière que la température sur ces ponts corresponde à un gradient positif, nul ou négatif vis à vis de la température du capteur. Selon le cas on In the embodiment of Figure 4, the sensor is stiffened by a greater number of bridges 11 than in the previous embodiment. On certain bridges, heating resistors 31 made of polysilicon are provided. The heating provided by these resistors 31 can be regulated on the bridges so that the temperature on these bridges corresponds to a positive, zero or negative gradient with respect to the temperature of the sensor. Depending on the case,
augmente la résistance thermique, on la conserve ou on la diminue. increases the thermal resistance, it is kept or decreased.
Le capteur thermoélectrique 10 qui vient d'être décrit est notamment destiné à être utilisé dans un appareil électrique de protection d'une charge M (moteur par exemple), de type disjoncteur ou d'un départ-moteur, tel que celui illustré à la figure 5 ou 6. L'appareil comprend, sur une ligne de courant L, un capteur de courant 8 qui mesure le courant Il et fournit un courant de sortie 12. En cas de détection de défaut l'appareil protège la charge M The thermoelectric sensor 10 which has just been described is in particular intended for use in an electrical device for protecting a load M (motor for example), of the circuit breaker type or of a motor starter, such as that illustrated in the Figure 5 or 6. The device comprises, on a current line L, a current sensor 8 which measures the current Il and provides an output current 12. In the event of a fault detection, the device protects the load M
en agissant sur un interrupteur KM.by acting on a KM switch.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le signal de sortie 12 du capteur de courant 8 est injecté sur un circuit électronique de traitement 91 calculant le courant efficace de la charge M à protéger. Le circuit 91 délivre un courant proportionnel au courant efficace et alimentant la résistance chauffante 3 du capteur. La puissance dissipée par la résistance 3 est proportionnelle au carré du courant et représente l'état thermique de la charge M à protéger. Cet état thermique est mesuré par le thermocouple 4 dont le signal de sortie est In the embodiment of FIG. 5, the output signal 12 from the current sensor 8 is injected onto an electronic processing circuit 91 calculating the effective current of the load M to be protected. The circuit 91 delivers a current proportional to the effective current and supplying the heating resistor 3 of the sensor. The power dissipated by the resistor 3 is proportional to the square of the current and represents the thermal state of the load M to be protected. This thermal state is measured by thermocouple 4, the output signal of which is
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envoyé au circuit électronique 91 qui commande l'ouverture de l'interrupteur KM en cas de défaut. Dans le capteur 10, I'état thermique de la charge est matérialisé sous la forme d'un écart de température par rapport à la température ambiante. Cet écart de température est maintenu à la suite d'un arrêt de l'alimentation électrique en réalisant une fonction de mémoire thermique en remplaçant le couple capacité- résistance normalement alloué à cette sent to electronic circuit 91 which controls the opening of the KM switch in the event of a fault. In the sensor 10, the thermal state of the load is materialized in the form of a temperature difference with respect to the ambient temperature. This temperature difference is maintained following a power supply shutdown by performing a thermal memory function by replacing the capacitance-resistance pair normally allocated to this
fonction. Le capteur permet un gain de fiabilité notable par rapport à la solution capacité- function. The sensor allows a significant gain in reliability compared to the capacity-
résistance pour un fonctionnement à des températures ambiantes supérieures à 1 00 C. resistance for operation at ambient temperatures above 1 00 C.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le capteur thermoélectrique 10 reçoit ic directement le signal de sortie 12 du capteur de courant et réalise directement le calcul de l'état thermique de la charge M à protéger. Le thermocouple 4 pilote un circuit électronique 92 qui commande l'interrupteur KM. Le capteur remplace un circuit électronique analogique In the embodiment of FIG. 6, the thermoelectric sensor 10 receives ic directly the output signal 12 from the current sensor and directly calculates the thermal state of the load M to be protected. The thermocouple 4 controls an electronic circuit 92 which controls the switch KM. Sensor replaces analog electronic circuit
ou numérique dédié au calcul du courant efficace et de l'état thermique. or digital dedicated to the calculation of the effective current and the thermal state.
Le fonctionnement du capteur est le suivant: La circulation d'un courant dans la résistance 3 provoque l'échauffement de la masse 5 par effet Joule. Le thermocouple 4 mesure l'écart de température entre la masse de silicium 5 et le substrat 2 qui est à la température ambiante. Des pertes par convection avec l'air peuvent réduire la résistance thermique. On les élimine en plaçant le capteur sous vide. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. The operation of the sensor is as follows: The circulation of a current in the resistor 3 causes the mass 5 to heat up by the Joule effect. The thermocouple 4 measures the temperature difference between the mass of silicon 5 and the substrate 2 which is at ambient temperature. Losses by convection with air can reduce thermal resistance. They are eliminated by placing the sensor under vacuum. It is understood that it is possible without departing from the scope of the invention to imagine variants and improvements in detail and even envisage the use of equivalent means.
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