FR3005730A1 - Capteur de temperature en technologie couche epaisse - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur de température comprenant un substrat et un élément de thermistance (1) constitué d'un matériau de thermistance de type à coefficient de température positif déposé sur ledit substrat sous forme d'une couche épaisse, ledit capteur étant apte à fournir une mesure de température induite par la variation de résistance électrique dudit élément de thermistance (1) avec la température sur une plage de température de fonctionnement limitée, ladite mesure de température subissant une dispersion liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température dudit matériau de thermistance, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compensation en température (2, 3) dudit capteur intégrés audit substrat, aptes à corriger ladite dispersion sur ladite mesure de température liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température.
Description
Capteur de température en technologie couche épaisse La présente invention se rapporte à un capteur de température comportant un élément de thermistance réalisé au moyen d'un procédé de fabrication en couche épaisse. Une application de l'invention concerne un capteur de température de régulation et/ou de contrôle thermique d'éléments chauffants dans un dispositif de chauffage pour appareils électroménagers ou encore pour installations industrielles, s'agissant en particulier d'éléments chauffants à couche épaisse.
L'invention s'adresse plus particulièrement aux thermistances de type à coefficient de température positif (CTP) linéaire. Une thermistance à coefficient de température positif linéaire est un capteur de température présentant une résistance électrique nominale propre, qui varie proportionnellement avec la température, de sorte que la résistance augmente lorsque la température augmente dans une plage de température de fonctionnement limitée, selon la formule suivante : Rt = Ro.(1+aT) Avec Rt : la résistance à la température T ; Ro : la résistance à 0°C ; et a : le coefficient de température en ppm/°C (partie par million par degré centigrade), exprimant le rapport de la variation relative de résistance par la variation de température. Ainsi, pour une thermistance de composition donnée, la mesure d'une température donnée induit une résistance électrique spécifique pour la thermistance. On en déduit donc l'équation inverse de calcul de la température à partir de la valeur de la résistance du capteur : Rt 1 T Ro a La réalisation d'un tel capteur de température au moyen d'un procédé de fabrication selon la technologie couches épaisses est bien connue. Ce procédé consiste à déposer sur un substrat, sur plusieurs niveaux, un ensemble de matériaux réalisant diverses fonctions et formant par exemple une thermistance. Les matériaux ainsi déposés sont sous forme de couches épaisses, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microns d'épaisseur. Le dépôt est effectué par sérigraphie, puis un cycle thermique réalisé après chaque dépôt permet à la couche épaisse d'acquérir ses propriétés électriques définitives, telles qu'une sensibilité à la température pour la couche de matériau de thermistance. En particulier, les pâtes de matériaux utilisées et déposées par sérigraphie sont frittées à 850°C. Cette haute température nécessite un substrat pouvant tenir à cette température. Ce substrat est généralement de la céramique alumine (A1203) ou une tôle en inox sur laquelle est déposée une première couche isolante électriquement. Les pâtes sont constituées d'une fritte de verre dopée par des éléments métalliques, de type argent, argent/palladium, or, etc. pour les pâtes conductrices, ou de type Ruthénium, Zirconium, etc. pour les pâtes résistives. La réalisation des thermistances sérigraphiées en couche épaisse se heurte toutefois à deux problèmes majeurs, qui sont d'une part, la précision du zéro du capteur et, d'autre part, la précision du coefficient de température. Typiquement, la précision du coefficient de température, dont la valeur est liée au matériau de thermistance utilisé pour fabriquer la thermistance, est de l'ordre de 10% en plus et en moins autour de la valeur nominale du coefficient de température admise par le fournisseur du matériau. Par conséquent, la thermistance présente une valeur de tolérance qui est également de l'ordre de plus ou moins 10%. Or, pour les applications citées plus haut où le capteur s'intègre dans des éléments chauffants pour permettre la régulation de ces derniers, le besoin en termes de précision de la mesure de température est plutôt de l'ordre de plus ou moins 1,5%. Aussi, l'incertitude sur la mesure liée à la tolérance de fabrication sur la valeur de la résistance est prohibitive pour un capteur de température censé avoir une précision meilleure que 1,5% notamment, comme c'est le cas pour les capteurs de température utilisés pour réguler le fonctionnement d'éléments chauffants de produits électroménagers ou d'installations industrielles.
Une solution courante pour obtenir la précision souhaitée consiste à réaliser un étalonnage par capteur de température, de manière à calibrer la mesure de température induite par la variation de résistance électrique du capteur à l'aide d'une électronique de régulation associée au capteur. En particulier, cette calibration repose sur la prise de deux points de mesure de température distincts à l'aide d'un système de mesure fiable et en fonction de la valeur retournée par le capteur pour chacun d'eux, de déterminer les paramètres permettant à l'électronique de régulation associée au capteur de modéliser la réponse du capteur pour obtenir la précision souhaitée. En effet, si l'on suppose que le capteur a une réponse linéaire dans la plage de fonctionnement donnée, la réponse du capteur peut être modélisée par une droite dont l'équation est de la forme y=ax+b, de sorte que la calibration se résume donc à trouver les valeurs des constantes a et b permettant alors à l'électronique de régulation de déterminer toute température selon la valeur retournée par le capteur à partir de ladite équation. Cette solution nécessite toutefois un appairage du capteur avec une électronique de régulation. La présente invention vise en particulier à s'affranchir de cet appairage et a pour but de proposer un capteur de température de type thermistance sérigraphiée en couche épaisse, capable de fournir une mesure de température avec une précision améliorée. A cette fin, la présente invention concerne un capteur de température comprenant un substrat et un élément de thermistance constitué d'un matériau de thermistance de type à coefficient de température positif déposé sur ledit substrat sous forme d'une couche épaisse, ledit capteur étant apte à fournir une mesure de température induite par la variation de résistance électrique dudit élément de thermistance avec la température sur une plage de température de fonctionnement limitée, ladite mesure de température subissant une dispersion liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température dudit matériau de thermistance. Selon l'invention, le capteur de température comprend des moyens de compensation en température intégrés audit substrat, aptes à corriger ladite dispersion sur ladite mesure de température liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température. Ainsi, les moyens de compensation en température intégrés au substrat permettent avantageusement de s'affranchir de la tolérance de fabrication sur la valeur de la résistance de l'élément de thermistance, cette tolérance découlant directement de la précision du coefficient de température, qui est elle-même liée au matériau de thermistance utilisé et qui est par exemple donnée par le fournisseur du matériau. De ce fait, grâce aux moyens de compensation en température, le capteur selon l'invention garantit une haute précision. Il permet en particulier de fournir une mesure de température sur une plage de précision réduite au minimum, par exemple de l'ordre de plus ou moins 1,5%. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du dispositif d'assemblage conforme à l'invention, prises isolément ou en combinaison : - Lesdits moyens de compensation en température comprennent une première résistance fixe montée en parallèle avec ledit élément de thermistance et une seconde résistance fixe montée en série avec ladite première résistance fixe et ledit élément de thermistance montés en parallèle, les valeurs respectives desdites première et seconde résistances fixes étant choisies telles que la précision sur la valeur de la résistance globale du circuit résultant de la mise en série de ladite seconde résistance fixe avec ladite première résistance fixe et ledit élément de thermistance montés en parallèle, est supérieure à celle sur la valeur dudit élément de thermistance, quelle que soit la température comprise dans la plage de fonctionnement du capteur ; - Les valeurs respectives Rp et Rs desdites première et seconde résistances fixes sont calculées en résolvant le système suivant de deux équations à deux inconnus : (Ro + Rs).Rp Re qo = Ro + Rs + Rp et : (Ra + Rs).Rp Re qa = Ra + Rs + Rp système dans lequel : - Ra est la valeur mesurée de la résistance dudit élément de thermistance à une température de calibration Ta, mesurée par un système de mesure de référence ; - Ro est la valeur de résistance à 0°C dudit élément de thermistance, calculée suivant la relation Ro = Ra dans laquelle a est le coefficient de 1+ a.Ta' température dudit matériau de thermistance ; - Reqo est la valeur de résistance à 0°C de ladite résistance globale dudit circuit (4) ; - Reqa est la valeur de ladite résistance globale dudit circuit à ladite température de calibration calculée suivant la relation Reqa = Reqo.(1+ÀTa), dans laquelle À est le coefficient de température global dudit circuit, ledit coefficient de température global étant fixé à une valeur inférieure à celle dudit coefficient de température dudit matériau de thermistance ; - Lesdites première et seconde résistances fixes sont agencées sur ledit substrat sous forme de résistances de type CMS ; - Lesdites première et seconde résistances fixes sont agencées sur ledit substrat sous forme de résistances de type couche épaisse déposées par sérigraphie sur ledit substrat ; L'invention concerne également un dispositif de chauffage électrique pour moules d'injection plastique comprenant un substrat tubulaire et au moins un élément chauffant résistif à couche épaisse disposé autour dudit substrat, et une sonde de température destinée à la régulation et/ou au contrôle en température dudit au moins un élément chauffant, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite sonde de température comprend un capteur de température selon l'invention. Avantageusement, ledit capteur de température est monté sur le même substrat que ledit au moins un élément chauffant.
L'invention concerne encore un procédé de commande d'un élément chauffant, préférentiellement un élément chauffant résistif à couche épaisse, dans lequel on fournit une sonde de température destinée à la régulation et/ou au contrôle en température dudit élément chauffant, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on utilise un capteur de température selon l'invention en tant que sonde de température. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé sur lequel la figure unique est un schéma électrique de moyens de compensation de température associés à un capteur de température conforme à l'invention. La Figure unique illustre un capteur de température, dont l'élément thermosensible est constitué par un élément de thermistance 1, fabriqué au moyen d'un procédé de fabrication en couche épaisse, préférentiellement par dépôt par sérigraphie sur un substrat d'une couche d'une pâte résistive en matériau de thermistance destinée à former l'élément de thermistance 1 du capteur, dont la résistance Rt varie avec la température sur une plage de fonctionnement limitée avec un coefficient de température positif a, selon la formule exposée en préambule : Rt = Ro.(1+aT). Le substrat accueillant l'élément de thermistance 1 est par exemple constituée d'une plaque de céramique ou d'une tôle en inox, sur laquelle est également déposée par sérigraphie une couche d'un matériau conducteur, la couche de matériau conducteur et l'élément de thermistance s'interpénétrant au niveau de points de jonction électrique assurant la conduction électrique avec l'élément de thermistance pour fournir une information électrique représentative de la valeur de la résistance de l'élément de thermistance et, par conséquent, de la température mesurée. La pâte résistive comprenant le matériau de thermistance utilisée et déposée par sérigraphie sur le substrat pour former l'élément de thermistance 1, peut être constituée à partir d'une fritte de verre dopée par des éléments métalliques, par exemple des éléments métalliques de type Ruthénium, Zirconium, etc. A titre d'exemple, la composition pour couche épaisse du matériau de thermistance consiste en la pâte résistive fournie sous la référence « 5093D » par le fabricant DuPont de Nemours. Par ailleurs, les pâtes déposées par sérigraphie pour former les conducteurs sur le substrat peuvent être constituées à partir de fritte de verre dopée par des éléments métalliques de type Argent, alliage Argent/Palladium, Or, etc. Conformément à l'invention, des moyens de compensation en température destinés à corriger la valeur de l'élément de thermistance et à améliorer ainsi la précision sur la valeur de mesure retournée par le capteur, sont directement intégrés au substrat. Ces moyens de compensation en température comprennent une première résistance fixe 2, de valeur ohmique Rp, montée sur le substrat en parallèle avec l'élément de thermistance 1, et une seconde résistance fixe 3, de valeur ohmique Rs, montée sur le substrat en série par rapport à la première résistance fixe 2 et à l'élément de thermistance 1 montés en parallèle. Ces composants additionnels 2 et 3 peuvent par exemple être agencés sur le substrat sous la forme de résistance de type CMS, à haute température, de façon à supporter une température d'utilisation de l'ordre de 250°C. En variante, ils peuvent être agencés en utilisant également la technologie des couches épaisses, sous forme de résistances en couche épaisse constituées notamment d'encre conductrice déposées par sérigraphie.
La valeur de la résistance globale Req du circuit 4 ainsi constitué, résultant de la mise en série de la seconde résistance fixe 3 avec l'élément de thermistance 1 et la première résistance fixe 2 montés en parallèle, est donnée par la formule suivante : Req = Rt .Rp+ Rs Rt + Rp La valeur de cette résistance globale Req varie donc avec la température en fonction de la valeur de résistance Rt de l'élément de thermistance 1. On cherche donc selon l'invention à calculer les valeurs Rp et Rs à attribuer aux première et seconde résistances additionnelles 2 et 3, de façon que la valeur de la résistance globale Req obtenue soit dans une plage de précision meilleure que celle imposée par la tolérance de fabrication sur la valeur de l'élément de thermistance 1, par exemple dans une plage de précision de plus ou moins 1,5%. La variation en température de la résistance globale Req du circuit 4 est donnée par la formule suivante : Req = Reqo.(1+ÀT) Avec Reqo correspondant à la valeur de la résistance globale du circuit 4 à 0°C, et À étant le coefficient de température de la résistance globale du circuit 4. Aussi, quelle que soit la tolérance de fabrication sur la valeur de la résistance Rt de l'élément de thermistance 1, qui découle de la tolérance sur la valeur du coefficient de température a du matériau de thermistance utilisé, les valeurs respectives Rp et Rs des première et secondes résistances fixes 2 et 3 sont choisies de telle façon que la valeur obtenue de la résistance globale Req soit affectée d'une plage de précision prédéterminée réduite au minimum, préférentiellement de l'ordre de ± 1,5%, pour toute température comprise dans la plage de fonctionnement du capteur. Dit autrement, une calibration du capteur selon l'invention est nécessaire, qui consiste à déterminer les valeurs respectives Rp et Rs telles que le coefficient de température À de la résistance globale Req du circuit 4 soit dans ladite plage de précision prédéterminée réduite au minimum, quelle que soit la tolérance sur le coefficient de température a du matériau de thermistance utilisé pour fabriquer l'élément de thermistance 1. Cette calibration du capteur consistant à calculer les valeurs appropriées de Rp et Rs conformément au besoin de précision souhaité pour le capteur est réalisé pour chaque capteur de température fabriqué et un seul point de mesure de température à l'aide d'un second système de mesure fiable est suffisant pour trouver les valeurs appropriées de Rp et Rs nécessaires pour s'assurer que les mesures du capteur sont dans la plage de précision prédéterminée réduite au minimum. La méthode de calcul des valeurs de résistance Rp et Rs va maintenant être décrite plus en détail. On fixe tout d'abord une valeur de À, correspondant donc au coefficient de température de la résistance globale du circuit 4 précis à ±1,5%, ladite précision donnée ici à titre d'exemple correspondant à la précision requise dans un contexte d'application du capteur de température de l'invention à la régulation du fonctionnement d'un élément chauffant à couche épaisse d'un appareil électroménager ou d'une installation industrielle. Cette valeur du coefficient de température À de la résistance globale du circuit 4 doit être inférieure à la valeur du coefficient de température a de la pâte résistive. La valeur de a considérée peut être soit celle fournie par le fabricant de la pâte résistive, soit peut être mesurée à partir d'un lot de fabrication d'éléments de thermistance. Comme expliqué ci-dessus, la calibration du capteur selon l'invention repose sur le fait qu'un seul point de mesure de référence est suffisant pour déterminer les valeurs de Rp et Rs. Aussi, la démarche consiste à mesurer la valeur de résistance Rt = Ra de l'élément de thermistance 1 retournée par le capteur à une température de calibration Ta, typiquement la température ambiante, mesurée par un thermomètre de référence, constituant le second système de mesure fiable. La valeur Ro de la résistance à 0°C de l'élément de thermistance 1 est alors calculée à partir de la relation suivante : Ra Ro = 1+ aTa On fixe également la valeur Reqo de la résistance globale du circuit 4 à 0°C et on calcule la valeur de la résistance globale Reqa du circuit 4 à la température Ta, en prenant : Reqa = Reqo.(1+ÀTa) Les valeurs de Rp et Rs sont ensuite calculées en résolvant le système suivant de deux équations à deux inconnues : Ro.Rp Re go = + Rs (1) Ro + Rp Ra.Rp Reqa = + Rs (2) Ra + Rp On en déduit donc : Rs = Re go Ro.Rp Reqo.(1+ i I.Ta) Ra.Rp Ro + Rp _ Ra + Rp Cette équation est un polynôme du deuxième degré de la forme : A. Rp2 + B. Rp + C = 0 (3) Avec : A = Ra - Ro - (Reqa - Reqo) ; B = -(Reqa - Reqo).(Ra + Ro) C = -(Reqa - reqo). Ra. Ro Pour résoudre l'équation (3), il faut fixer la valeur Reqo de façon à obtenir une valeur positive pour une des deux valeurs de résolution de cette équation, correspondant à la valeur de Rp permettant que la précision recherchée sur la valeur de la résistance globale Req soit obtenue. La valeur Rs de l'autre résistance fixe est ensuite calculée à l'aide d'une des formules (1) et (2). Le capteur de température selon l'invention, du fait de sa précision améliorée, peut donc avantageusement être utilisé en tant que sonde de température destinée à la régulation et/ou au contrôle de température d'éléments chauffants, pour permettre la commande électronique de ces derniers. En particulier, le capteur de température selon l'invention peut s'intégrer dans un dispositif de chauffage électrique comprenant des éléments chauffants résistifs réalisés en technologie couche épaisse sur un substrat de type céramique ou tôle inox, le capteur de température en technologie couche épaisse selon l'invention pouvant être avantageusement monté sur le même substrat que les éléments chauffants, en étant ainsi placé dans la même ambiance thermique que les éléments chauffants.5
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Capteur de température comprenant un substrat et un élément de thermistance (1) constitué d'un matériau de thermistance de type à coefficient de température positif déposé sur ledit substrat sous forme d'une couche épaisse, ledit capteur étant apte à fournir une mesure de température induite par la variation de résistance électrique dudit élément de thermistance (1) avec la température sur une plage de température de fonctionnement limitée, ladite mesure de température subissant une dispersion liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température dudit matériau de thermistance, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compensation en température (2, 3) dudit capteur intégrés audit substrat, aptes à corriger ladite dispersion sur ladite mesure de température liée à la tolérance sur la valeur du coefficient de température.
- 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de compensation en température comprennent une première résistance fixe (2) montée en parallèle avec ledit élément de thermistance (1) et une seconde résistance fixe (3) montée en série avec ladite première résistance fixe (2) et ledit élément de thermistance (1) montés en parallèle, les valeurs respectives desdites première et seconde résistances fixes étant choisies telles que la précision sur la valeur de la résistance globale du circuit (4) résultant de la mise en série de ladite seconde résistance fixe (3) avec ladite première résistance fixe (2) et ledit élément de thermistance (1) montés en parallèle, est supérieure à celle sur la valeur dudit élément de thermistance (1), quelle que soit la température comprise dans la plage de fonctionnement du capteur.
- 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les valeurs respectives Rp et Rs desdites première et seconde résistances fixes (2, 3) sont calculées en résolvant le système suivant de deux équations à deux inconnus : Re o = (Ro + Rs).Rp q Ro + Rs + Rp et : (Ra + Rs).Rp Re qa = Ra + Rs + Rpsystème dans lequel : - Ra est la valeur mesurée de la résistance dudit élément de thermistance (1) à une température de calibration Ta, mesurée par un système de mesure de référence ; - Ro est la valeur de résistance à 0°C dudit élément de thermistance (1), calculée suivant la relation Ro = Ra dans laquelle a est le coefficient de 1+a.Ta' température dudit matériau de thermistance ; - Reqo est la valeur de résistance à 0°C de ladite résistance globale dudit circuit (4) ; - Reqa est la valeur de ladite résistance globale dudit circuit (4) à ladite température de calibration calculée suivant la relation Reqa = Reqo.(1+ÀTa), dans laquelle À est le coefficient de température global dudit circuit (4), ledit coefficient de température global étant fixé à une valeur inférieure à celle dudit coefficient de température dudit matériau de thermistance.
- 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites première et seconde résistances fixes (2, 3) sont agencées sur ledit substrat sous forme de résistances de type CMS couplées électriquement audit élément de thermistance (1).
- 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdites première et seconde résistances fixes sont agencées sur ledit substrat sous forme de résistances de type couche épaisse déposées par sérigraphie sur ledit substrat et couplées électriquement audit élément de thermistance (1).
- 6. Dispositif de chauffage électrique pour moules d'injection plastique comprenant un substrat tubulaire et au moins un élément chauffant résistif à couche épaisse disposé autour dudit substrat, et une sonde de température destinée à la régulation et/ou au contrôle en température dudit au moins un élément chauffant, caractérisé en ce que ladite sonde de température comprend un capteur de température selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
- 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit capteur de température est monté sur le même substrat que ledit au moins un élément chauffant.
- 8. Procédé de commande d'un élément chauffant, dans lequel on fournit une sonde de température destinée à la régulation et/ou au contrôle en température dudit élément chauffant, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on utilise un capteur de température selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 en tant que sonde de température.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US5043692A (en) * | 1987-09-28 | 1991-08-27 | Ranco Incorporated Of Delaware | Temperature sensing apparatus and method of making same |
| US5973296A (en) * | 1998-10-20 | 1999-10-26 | Watlow Electric Manufacturing Company | Thick film heater for injection mold runner nozzle |
-
2013
- 2013-05-14 FR FR1354319A patent/FR3005730B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| US5043692A (en) * | 1987-09-28 | 1991-08-27 | Ranco Incorporated Of Delaware | Temperature sensing apparatus and method of making same |
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