FR3039652A1 - Element de capteur pour saisir au moins une propriete d'un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Elément de capteur (10) pour saisir au moins une propriété d'un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la part d'un composant gazeux du gaz de mesure ou sa température comportant un élément de support (12) et au moins une couche d'électrolyte solide (14), réalisée sur l'élément de support (12), au moins en partie par épitaxie, L'élément de support (12) a un évidement (16) de façon que la couche d'électrolyte solide (14) comporte au moins un segment de membrane (18).

Description

Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte à un élément de capteur pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la teneur d’un composant gazeux dans le gaz de mesure ou la température du gaz de mesure, cet élément de capteur ayant un élément de support et au moins une couche d’électrolyte solide. L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication d’un tel élément.

Etat de la technique

Selon l’état de la technique on connaît un grand nombre d’éléments de capteurs et de procédés de saisie d’une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure. Il peut en principe s’agir de n’importe quelle propriété physique et/ou chimique du gaz de mesure et on peut saisir une ou plusieurs propriétés. L’invention sera décrite ci-après, notamment en référence à une saisie qualitative et/ou quantitative d’une teneur ou d’un composant gazeux du gaz de mesure, en particulier en se référant à la saisie de la teneur en oxygène contenu dans la partie de gaz de mesure. La teneur en oxygène peut se saisir par exemple sous la forme d’une pression partielle et/ou celle d’un pourcentage. En variante ou en plus, on peut également saisir d’autres propriétés du gaz de mesure telle que par exemple sa température.

Selon l’état de la technique, on connaît notamment les éléments de capteurs céramiques qui sont fondés sur l’utilisation de propriétés électrolytiques de certains corps solides, c’est-à-dire les propriétés de conduction des ions dans ces corps solides. En particulier, les corps solides peuvent être des électrolytes solides, céramiques, tels que par exemple le dioxyde de zirconium (ZrOa) et en particulier le dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium (YSZ) ou encore le dioxyde de zirconium dopé avec du scandium (ScSZ), de faibles compléments en oxydes d’aluminium (AI2O3) et/ou de l’oxyde de silicium (Si02).

Par exemple, de tels éléments de capteurs sont réalisés sous la forme de sondes lambda ou de sondes de dioxyde, par exemple décrits dans le document K. Reif, Deitsche, K-H et al., Kraftfahrtech-nisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338 -1347. Avec des sondes lambda à bande large, notamment avec des sondes lambda à bande large planaire on peut déterminer par exemple des concentrations en oxygène dans les gaz d’échappement dans une plage étendue et obtenir ainsi le rapport air/carburant dans la chambre de combustion. Le coefficient d’air lambda représente ce rapport air/carburant. Les oxydes d’azote définissent à la fois la concentration en oxydes d’azote et la concentration en oxygène dans les gaz d’échappement.

Malgré les avantages des éléments de capteur connus selon l’état de la technique et du procédé de leur fabrication, ces techniques ont néanmoins un potentiel d’amélioration. C’est ainsi que l’élément de capteur est habituellement fabriqué avec une technique de couches épaisses en céramique. Cette technique ne permet que de grandes mesures d’écartement à la fois du point de vue des largeurs des structures habituellement au moins égales à 30 pm et aussi des épaisseurs de couches qui, habituellement dépassent 10 pm. Pour cette raison on a développé des éléments de micro-électrochimie. Ainsi on utilise un électrolyte solide sous la forme d’une couche mince. Le dépôt de YSZ sous forme d’un film mince pour des éléments de capteur de gaz ou des microcellules à combustible (μ-SOFC), se fait actuellement sur du ni-trure de silicium S13N4 ou de l’oxyde de silicium S1O2. Les deux peuvent également s’utiliser d’une manière non stoechiométrique et elles sont amorphes. S13N4 ou S1O2 sont utilisés comme isolants électriques qui séparent les électrolytes solides et le silicium. Aux températures élevées, le silicium est bon conducteur électrique. La croissance de YSE sur de telles structures pour des plaquettes est polycristallin ; selon les conditions de croissance, par exemple les paramètres de dépôt, on aura une forme granulaire ou en colonne. La croissance granulaire se traduit par une faible conductivité ionique et la croissance en colonne, donne une membrane mécaniquement instable car souvent YSZ est « dégagé » pour permettre au gaz d’accéder au deux surfaces de la couche YSC, avec une contrainte mécanique de mise en tension et une mauvaise conductivité ionique perpendiculairement à la colonne.

But de l’invention

On se propose de développer un élément de capteur pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure et un procédé pour sa fabrication permettant de remédier aux inconvénients des éléments de capteur connus et leur procédé de fabrication et de réaliser une fabrication mécaniquement robuste et une membrane mince avec une bonne conductivité d’ions.

Exposé et avantages de l’invention A cet effet, l’invention a pour objet un élément de capteur pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la part d’un composant gazeux du gaz de mesure ou la température du gaz de mesure, l’élément de capteur comportant un élément de support et au moins une couche d’électrolyte solide, la couche d’électrolyte solide étant réalisée sur l’élément de support, la couche d’électrolyte solide étant réalisée au moins en partie par épitaxie, l’élément de support ayant au moins un évidement de façon que la couche d’électrolyte solide comporte au moins un segment de membrane.

La couche d’électrolyte solide peut avoir une épaisseur de 40 nm - 5 pm et de préférence de 50 nm - 3 pm et d’une manière encore plus préférentielle de 200 nm jusqu’à 2 pm, par exemple 1 pm. Ainsi la couche d’électrolyte solide, par comparaison aux éléments de capteurs en céramique, usuels sera significativement plus mince. Cela permet une fabrication de l’élément de capteur selon l’invention avec de plus petites dimensions et aussi son utilisation dans des emplacements très limités. Entre la couche d’électrolyte solide et l’élément de support, par segments, on a au moins une couche d’isolation et cette couche d’isolation se compose d’au moins un matériau électro-isolant et en particulier S13N4 et/ou S1O2.

Entre la couche d’électrolyte solide et l’élément de support on peut avoir une couche intermédiaire développée par épitaxie, par oxydation, sous forme électro-conductrice et perméable aux gaz ou encore la couche intermédiaire est réalisée par épitaxie, par oxydation, et elle est isolante électrique.

La couche d’électrolyte solide est réalisée en au moins un matériau qui comporte du dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium. Une partie de l’yttrium solide présente au niveau du dioxyde de zirconium, un gradient, de préférence perpendiculaire au plan de la couche d’électrolyte solide. C’est ainsi que le dioxyde de zirconium sera stabilisé avec l’oxyde d’yttrium pour améliorer la tenue de la matière et régler ou adapter la conductivité ionique. Grâce au gradient, on réalise une sorte de transition entre la matière conductrice d’ions de la couche d’électrolyte solide et la matière des électrodes qui est électroconductrice mais présente une résistance électrolytique élevée. La couche d’électrolyte solide peut avoir dans le segment de membrane, un évidement sur le côté tourné vers l’élément de support. Le côté supérieur de la couche d’électrolyte solide non tourné vers l’élément de support et le côté inférieur de la couche d’électrolyte solide tourné vers l’élément de support peuvent être associé chacun à une électrode. De façon préférentielle, les électrodes sont nombreuses et la porosité des électrodes est choisie pour que d’une part le gaz de mesure, c’est-à-dire les ions de gaz de mesure tels que par exemple les ions d’oxygène puissent traverser les électrodes pour arriver à la couche d’électrolyte solide et d’autre part, avoir une structure cohérente électro-conductrice de l’électrode. Les électrodes peuvent être branchées électriquement à partir du même côté. En d’autres termes, le contact électrique des électrodes se fait dans une seule et même direction. La couche de membrane permet de séparer deux espaces de gaz de mesure différents. Les électrodes peuvent être attribuées ou exposées à deux espaces de gaz de mesure différents.

Le procédé de fabrication d’un élément de capteur pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la teneur d’un composant gazeux dans le gaz de mesure ou la température du gaz de mesure, consiste à utiliser un élément de support, à appliquer au moins une couche d’électrolyte solide sur l’élément de support de façon à développer la couche d’électrolyte solide par épitaxie et enlever partiellement l’élément de support pour former au moins un évidement de façon que la couche d’électrolyte solide présente au moins un segment de membrane.

La couche d’électrolyte solide peut être appliquée par un dépôt pulsé au laser, par un dépôt chimique à la vapeur ou par pulvérisation sur l’élément de support. La couche d’électrolyte solide est appliquée sur l’élément de support à une température comprise entre 600°C et 1000°C sous une pression qui ne dépasse pas 0,05 bar. L’enlèvement partiel de l’élément de support peut se faire par fouille ou gravure. La couche d’électrolyte solide a une épaisseur comprise entre 40 nm et 5 pm, de préférence entre 50 nm et 3 pm et d’une manière particulièrement préférentielle entre 200 nm et 2 pm sur l’élément de support, par exemple une épaisseur de 1 pm.

Entre la couche d’électrolyte solide et l’élément de support, on a par segments, au moins une couche d’isolation et réalisée en au moins un matériau électro-isolant, en particulier S13N4 et/ou S1O2. Entre la couche d’électrolyte solide et l’élément de support, au moins une couche intermédiaire est réalisée par épitaxie, par oxydation, électro-conductrice et perméable au gaz ou encore la couche intermédiaire est réalisée par épitaxie, l’oxydation et elle est électro-isolante. La couche d’électrolyte solide est réalisée en au moins une matière qui comporte du dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’oxyde d’yttrium. La couche d’électrolyte solide est appliquée sur l’élément de support pour que la teneur en oxyde d’yttrium dans le dioxyde de zirconium corresponde à un gradient, de préférence dans la direction perpendiculaire au plan de la couche d’électrolyte solide. La couche d’électrolyte solide est partiellement enlevé du segment de membrane pour former un évidement sur le côté tourné ver l’élément de support.

Un électrolyte solide dans le cadre de la présente invention est un corps ou un objet ayant des propriétés électrolytiques, c’est-à-dire des propriétés de conduction ionique. Cela concerne également la matière brute d’un électrolyte solide et ainsi la réalisation de produits "verts" qui ne deviennent des électrolytes solides qu’après frittage. En particulier, l’électrolyte solide est sous la forme d’une couche d’électrolyte solide ou de plusieurs couches d’électrolyte solide. Une couche dans le cadre de la présente invention est une masse uniforme ayant une extension en surface et une certaine épaisseur qui se situe au-dessous, en-dessous ou entre d’autres éléments. Une couche est ainsi un corps tridimensionnel dont les dimensions dans deux directions qui correspondent au développement en surface de la couche sont significativement plus grandes que la mesure de la troisième dimension qui est la hauteur de la couche. De façon correspondante, un plan de la couche dans le cas de la présente invention est le plan de la couche qui correspond à l’extension de la couche en surface. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, l’orientation perpendiculaire au plan de la couche est l’orientation perpendiculaire à l’extension surfacique de la couche et l’orientation parallèle au plan de la couche est une orientation parallèle à l’extension surfacique de la couche.

Une électrode dans le cadre de la présente invention est, de façon générale, un élément en mesure de contacter les électrolytes solides de façon à créer un courant entre les électrolytes solides et l’électrode. L’électrode peut comporter un élément au niveau duquel les ions passent dans l’électrolyte solide ou en sortent. De façon caractéristique, l’électrode est une électrode en métal noble, par exemple une électrode métal-céramique appliquée sur l’électrolyte solide ou encore reliée d’une autre manière à l’électrolyte solide. De façon caractéristique, les matières de l’électrode sont celles des électrodes platine-cermet. D’autres métaux nobles, tels que par exemple de l’or ou du palladium sont également en principe utilisables.

Un élément chauffant dans le cadre de la présente invention est un élément permettant de chauffer l’électrolyte solide et les électrons pour arriver à leur température de fonctionnement, de préférence leur température d’utilisation. La température de fonctionnement est celle à partir de laquelle l’électrolyte solide devient conducteur pour les ions ; elle est d’environ 350°C. Il faut en distinguer la température d’utilisation qui est la température à laquelle l’élément le capteur fonctionne habituellement et qui est supérieure à la température de fonctionnement. La température d’utilisation est par exemple comprise entre 700°C et 950°C. L’élément chauffant comporte une zone de chauffage et au moins un chemin d’alimentation. La zone de chauffage dans le cadre de l’invention est la zone de l’élément chauffant qui dans la structure stratifiée, chevauche l’électrode dans la direction perpendiculaire à la surface de l’élément de capteur. Habituellement, la zone de chauffage chauffe pendant le fonctionnement, plus fortement que le chemin d’alimentation, ce qui permet de les distinguer. Le chauffage différent résulte par exemple de ce que la zone de chauffage a une résistance électrique supérieure à celle du chemin d’alimentation. La zone de chauffage et/ou la ligne d’alimentation sont, par exemple réalisées sous la forme d’un chemin électro-résistant qui chauffe par l’application d’une tension électrique. L’élément chauffant est, par exemple, en cer-met de platine ou sous la forme d’une couche de platine.

Le développement épitaxial dans le cadre de l’invention est un développement par lequel au moins une orientation cristallographique de la matière appliquée correspond à une orientation cristallographique de l’élément de support. L’idée de base de l’invention consiste à réaliser une couche épitaxiale YSZ sur une couche de silicium à enlever ensuite et qui constitue l’électroltyte solide. L’idée de base de l’invention consiste à réaliser une couche épitaxiale YSZ sur une couche de silicium à enlever ensuite et qui constitue l’électroltyte solide servant de capteur d’oxygène ou de micro-cellules à combustible pour laquelle la teneur en oxyde d’yttrium est inférieure à 10 % mol et l’épaisseur de la couche est de façon caractéristique comprise entre 50 nm et 3 pm. Pour cela on dépose YSZ par exemple par vaporisation ou par un faisceau laser sous une faible pression partielle d’oxygène O2, c’est-à-dire à moins de 0,05 mbar et une température de substrat, élevée, c’est-à-dire supérieur à 600°C sur une surface de silicium cristallin. Pour des paramètres de dépôt approprié, le dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium se développe par épitaxie sur le silicium. Le silicium est ensuite enlevé sélectivement au moins dans certains endroits sous la couche YSZ, par exemple par fouille ou gravure avec une lessive de potassium.

Par l’enlèvement sélectif du silicium à certains endroits, la croissance épitaxiale de YSZ se fait directement à la surface du silicium avec dégagement consécutif de la couche YSZ.

Selon un autre développement, on applique S1O2 et/ou S13N4 comme couche d’isolation aux endroits du capteur, où on n’a pas besoin des propriétés de conduction ionique de YSZ ou n’est pas souhaitée.

Selon un autre développement, la couche de dioxyde de zirconium stabilisée avec l’yttrium, après dégagement, est scellée avec une couche d’isolation, par exemple en dioxyde de silicium S1O2 ou ni-trure de silicium S13N4 ou encore elle est renforcée par ce dépôt. Cela se fait avantageusement si la conductivité des ions est nécessaire parallèlement à la couche.

En outre, on peut développer, de manière épitaxiale, le dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’yttrium sur le silicium avec une ou plusieurs autres couches intermédiaires, épitaxiales, d’oxydes électro-conductrices, conductrices d’ion, par exemple Lao.6Sro.4Coo.2Feo.803-5 (LSCF), Smo.5Sro.5Co03 (SSC), Lai-xSrxMn03 (LSMO). On met ces couches intermédiaires en contact par des électrodes métalliques. En variante ou en plus de leurs propriétés de conduction ionique, ces couches intermédiaires peuvent être perméables au gaz.

Selon un autre développement, on élève par épitaxie, le dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium sur le silicium avec une ou plusieurs couches intermédiaires par épitaxie, par oxydation, pour les rendre électro-isolantes, ce qui se traduit par une meilleure isolation électrique vis-à-vis du silicium.

Selon un autre développement, la croissance du dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium est commandée avec un gradient de la concentration de dioxyde d’yttrium de la couche YSZ perpendiculairement au plan de la couche pour une meilleure adaptation du réseau du dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’yttrium et du silicium. Cette solution est avantageuse si la composition optimale de YSZ est différente pour la conductivité ionique et pour la croissance épitaxiale sur le silicium.

Le dioxyde de zirconium stabilisé par de l’yttrium, épitaxial, peut être appliqué par dépôt par laser pulsé ou par pulvérisation sous une faible pression d’oxygène, c’est-à-dire sous une pression inférieure à 0,05 mbar sur le silicium. En particulier, il est avantageux de modifier la pression d’oxygène pendant le procédé de dépôt. Pour éviter l’oxydation du substrat de silicium il faut développer la première couche de dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’yttrium sous une très faible pression d’oxygène (pression partielle d’oxygène) c’est-à-dire inférieure à 10'5 mbar sur le silicium. Après formation de cette première couche YSE dans le silicium on peut relever la pression de l’oxygène pour arriver à la conductivité ionique nécessaire et/ou aux propriétés structurelles du dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’yttrium.

Selon un autre développement, après avoir dégagé la couche de YSZ par l’enlèvement d’une zone partielle de la couche YSZ, notamment de la zone partielle antérieurement adjacente au substrat de silicium, par exemple une couche YSZ ayant une autre composition ou du dioxyde de zirconium stabilisé avec de l’yttrium dans lequel le silicium a diffusé.

Enfin, on élève la couche sur une plaquette SOI (plaquette de silicium isolant). Par exemple, on obtient une telle plaquette SOI en introduisant des ions d’oxygène dans une plaquette de silicium pour former la couche porteuse. L’implantation ionique permet de commander la profondeur (par exemple moins de 100 nm) de la zone dans laquelle on introduit les ions d’oxygène. Pour avoir ensuite une couche de dioxyde de silicium, "enfouis", on "guérit" le cristal par une étape à haute température de sorte que l’oxygène introduit (après implantation principalement dans les emplacements intermédiaires du réseau) réagit avec le silicium et forme une couche isolante en dioxyde de silicium. En variante, on peut appliquer une couche d’isolation sur une plaquette Si et ensuite sur celle-ci de nouveau une couche Si, par exemple on dépose une couche Si épitaxiale. L’avantage de développer la couche de l’élément de capteur sur une plaque SOI est la possibilité de réaliser le contact électrique de l’électrode inférieure poreuse par le silicium de la couche de support, cette couche étant conductrice à 500°C et éventuellement avec un dopage supplémentaire pour augmenter la conductivité. Cela se fait de la manière suivante : d’abord on dépose par épitaxie, le dioxyde de zirconium stabilité avec de l’yttrium sur la couche de support, c’est-à-dire la couche de silicium supérieure de la plaquette SOL Ensuite, on applique et on structure l’électrode supérieure. La mise en structure du dioxyde de zirconium stabilité à l’yttrium et de la couche de support définit le contact électrique de l’électrode inférieure. Ensuite, on dégage la couche YSZ comme membrane, à travers Si/Si02/Si. Puis, on applique la matière de l’électrode inférieure et on met en structure.

Les éléments de capteur réalisés selon l’invention ont une forte conductivité ionique pour une faible conductivité électronique et une stabilité mécanique élevée par comparaison aux éléments de capteur micro-électrochimiques classiques à couche YSZ polychristalline car on a beaucoup moins de limites de grains dans la couche YSZ. En particulier, la conductivité ionique parallèlement à la couche est significativement supérieure à celle des couches YSZ poly cristalline s ou en forme de colonnes.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’exemples d’éléments de capteurs représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - Les figures 1A-1C montrent les étapes d’un procédé de fabrication d’un élément de capteur selon un premier mode de réalisation de l’invention, - Les figures 2A-2D montrent les étapes d’un second mode de réalisation d’un procédé de fabrication d’un capteur selon l’invention, - La figure 3 montre un élément de capteur correspondant à un troisième mode de réalisation de l’invention, - Les figures 4A et 4B montrent les étapes d’un quatrième mode de réalisation du procédé de l’invention, et - Les figures 5A-5F montrent les étapes d’un cinquième mode de réalisation du procédé de fabrication d’un élément de capteur selon l’invention.

Description de modes de réalisation

Les modes de réalisation de l’invention sont décrits ci-après par la description du procédé de fabrication d’un élément de capteur 10 selon l’invention. Dans cette description les mêmes composants ont les mêmes références.

Un élément de capteur 10 selon l’invention peut s’utiliser pour détecter des propriétés physiques et/ou chimiques d’un gaz de mesure ; on peut saisir une ou plusieurs propriétés. L’invention sera décrite ci-après en référence à une saisie qualitative et/ou quantitative d’un composant du gaz de mesure et en particulier en référence à la saisie de la teneur en oxygène du gaz de mesure. La teneur en oxygène se présente par exemple sous la forme d’une pression partielle et/ou d’un pourcentage. En principe, on peut également saisir d’autres types de composants des gaz, par exemple des oxydes d’azote, des hydrocarbures et/ou de l’hydrogène. En variante ou en plus on peut également saisir d’autres propriétés des gaz de mesure. L’invention est notamment appliquée au domaine de la technique automobile et l’espace de gaz de mesure est alors notamment la conduite des gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, le gaz de mesure étant le gaz d’échappement. L’élément de capteur 10 selon l’invention a un principe de la structure décrite ci-après. L’élément de capteur 10 comporte un élément de support 12 et au moins une couche d’électrolyte solide 14. La couche d’électrolyte solide 14 est appliquée sur l’élément de support 12. La couche d’électrolyte solide 14 est au moins en partie une couche épitaxiale. L’élément de support 12 comporte au moins un évidement 16 de sorte que la couche d’électrolyte solide 14 comporte au moins un segment de membrane 18. Le segment de membrane 18 est le segment de la couche d’électrolyte solide 14 qui n’est pas directement en contact avec l’élément de support 12. L’élément de support 12 est par exemple en silicium. Sur la couche d’électrolyte solide 14 on a des électrodes non détaillées. Les électrodes sont appliquées sur les faces opposées de la couche d’électrolyte solide 14. Les électrodes sont poreuses.

Les figures 1A-1C montrent les étapes du procédé de fabrication d’un tel élément de capteur 10 selon un premier mode de réalisation de l’invention. Les figures 1A-1C sont des vues de côté de l’élément de capteur 10.

Comme le montre la figure IA, en principe on utilise un élément de support 12 connu en soi.

Comme le montre la figure IB, on applique sur l’élément de support 12 au moins une couche d’électrolyte solide 14 de façon à développer cette couche d’électrolyte solide 14 sous forme épitaxiale. La couche d’électrolyte solide 14 est, par exemple appliquée par un dépôt par laser pulsé ou par pulvérisation sur l’élément de support 12. La couche d’électrolyte solide 14 est appliquée sur l’élément de support 12, notamment à une température de 800°C et sous une pression inférieure à 0,05 mbar. Cela permet de développer une couche d’électrolyte solide 14 épitaxiale. Du fait que la nature particulière de l’application par dépôt par laser pulsé ou par pulvérisation, on aura une couche d’électrolyte solide 14 d’une épaisseur comprise entre 40 nm-5pm et de préférence entre 50 nm et 3pm et d’une manière particulièrement préférentielle, entre 200 nm et 2 pm sur l’élément de support 12. Comme le montre la figure IC, ensuite on enlève partiellement l’élément de support 12 pour former au moins un évidement 16 de façon que la couche d’électrolyte solide 14 comporte au moins un segment de membrane 18. L’enlèvement de l’élément de support 12 se fait par exemple par fouille ou gravure avec une lessive de potassium (KOH).

La direction perpendiculaire au plan de la couche selon les figures 1A-1C va de bas en haut. La direction parallèle au plan de couche s’étend aux figures 1A-1C de la gauche vers la droite et ainsi dans le plan image.

Un second exemple de réalisation de l’invention par un procédé de fabrication d’un élément de capteur 10 sera décrit ci-après à l’aide des figures 2A-2E. Les figures 2A-2E sont des vues de côté de l’élément de capteur 10.

Selon la figure 2A on utilise un élément de support 12.

Selon la figure 2B on applique sur l’élément de support 12 au moins une couche d’isolation 20. La couche d’isolation 20 est réalisée en un matériau électro-isolant, comme par exemple du nitrure de silicium (S13N4) ou du dioxyde de silicium (SiOa). Dans l’exemple présenté, on applique à la fois sur la face supérieure et sur la face inférieure de l’élément de support 12, chaque fois une couche d’isolation 20. L’application de la couche d’isolation 20 peut également se faire par dépôt par laser pulsé, dépôt à la vapeur chimique ou pulvérisation. Comme le montre la figure 2C, on enlève ensuite partiellement la couche d’isolation 20, par exemple, par fouille ou gravure avec de l’acide fluoridrique (HF). Ensuite, comme le montre la figure 2D on applique une couche d’électrolyte solide 14 sur l’élément de support 12 et les segments restants de la couche d’isolation 20. Ainsi, entre la couche d’électrolyte solide 14 et l’élément de support 12 on aura par segments la couche d’isolation 20. Dans de tels segments dans lesquels est appliquée la couche d’électrolyte solide 14 sur la couche d’isolation 20, c’est-à-dire là où il n’y a pas d’isolation 20, on développe de cette manière la couche d’électrolyte solide 14 sous forme polychristalline alors que sur les segments où il y a une couche d’électrolyte solide 14 directement sur l’élément de support 12, ou qui se trouve sur l’élément de support 12, on développe par épitaxie la couche d’électrolyte solide 14. L’application de la couche d’électrolyte solide 14 peut, en principe se faire comme dans le premier mode de réalisation. Comme le montre la figure 2E, ensuite, comme pour le premier mode de réalisation, on réalise le dégagement 16 et le segment de membrane 18. Dans le second mode de réalisation, on décrit l’utilisation d’au moins une couche d’isolation 20 aux endroits de l’élément de capteur 10 là où les propriétés d’ions électro-conducteurs de la couche d’électrolyte solide 14 ne sont pas utilisés.

La figure 3 est une vue de côté d’une pile de couches d’un élément de capteur 10 selon un troisième mode de réalisation de l’invention. L’élément de capteur 10 selon ce troisième mode de réalisation se fabrique comme suit : on utilise l’élément de support 12 comme cela a été décrit dans le premier mode de réalisation. Sur cet élément de support 12 on applique au moins une couche intermédiaire 22. Cette couche intermédiaire 22 est obtenue par épitaxie, oxydation pour être électro-conductrice et conductrice d’ions ou en variante par épitaxie, oxydation et être électro-isolante. Pour réaliser la couche intermédiaire 22, par épitaxie, par oxydation et qu’elle soit électro-conductrice d’ions, on utilise par exemple comme matière Lao.6Sro.4Coo.2Feo.803-x(LSCF), Smo.5Sro.5Co03 (SSC), Lai-xSrxMn03 (LSMO). Comme matière pour la couche par épitaxie, oxydation et qu’elle soit électro-isolante, on utilise, par exemple MgO ou SrTiOs. La couche intermédiaire 22 est appliquée comme la couche d’électrolyte 14 du premier mode de réalisation. Entre la couche d’électrolyte solide 14 et l’élément de support 12 on a une couche intermédiaire 22. Une telle couche intermédiaire 22 épitaxiale, électro-conductrice peut, par exemple, remplacer la couche d’isolation 20 décrite ci-dessus. La couche d’électrolyte 14 est réalisée sur la couche intermédiaire 22 par croissance épitaxiale. Une couche intermédiaire 22 épitaxiale et conductrice ionique n’est avantageusement développée que dans la zone dans laquelle on a le segment de membrane 18, c’est-à-dire entre la couche d’électrolyte solide 14 et une électrode poreuse non détaillée.

Pour arriver à l’élément de capteur 10 terminé, on enlève au moins par segments la couche de support 12 comme cela a été décrit pour les figures IC et 2E.

Les figures 4A et 4B montrent les étapes d’un procédé de fabrication d’un élément de capteur 10 selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Les figures 4A et 4B sont des vues de côté de l’élément de capteur 10. La figure 4A correspond en principe à la représentation de l’élément de capteur 10 à la figure IC. Ensuite, on enlève partiellement la couche d’électrolyte solide 14 dans le segment de membrane 18. Par exemple on enlève la couche d’électrolyte solide 14 dans la zone 24 délimitée par un trait interrompu. L’enlèvement partiel se fait en développant un évidement 26 dans la couche d’électrolyte 14 sur le côté 28 tourné vers l’élément de support 12 comme le montre la figure 4B. L’évidement 26 permet de réaliser un segment de membrane 18 encore plus mince qui est en même temps accroché ou fixé solidement à l’élément de support grâce à la plus grande épaisseur de matière.

Les figures 5A-5F montrent les étapes d’un cinquième mode de réalisation du procédé de fabrication de l’élément de capteur 10 selon l’invention. Les figures 5A-5E sont des vues de côté de l’élément de capteur 10 ; la figure 5F est une vue de dessus de l’élément de capteur 10.

Selon la figure 5A on utilise un élément de support 12. L’élément de support 12, contrairement aux formes de réalisation précédentes est une plaquette SOI et comporte ainsi une première couche de silicium (couche inférieure) et ensuite une couche d’isolation 20 appliquée sur celle-ci et une seconde couche ou couche supérieure de silicium. L’élément de support 12 comporte ainsi trois couches de silicium et la couche d’isolation 20. Selon la figure 5B, sur l’élément de support 12 on applique la couche d’électrolyte solide 14 comme cela a été décrit pour le premier mode de réalisation.

Selon la figure 5C on enlève partiellement la couche d’électrolyte solide 14 et la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12. Par exemple, on réalise une cavité 30 en forme de trou borgne dans la couche supérieure de silicium, la couche d’électrolyte solide 14 et l’élément de support 12 jusqu’à une profondeur prédéfinie. Cette cavité 30 peut se faire par fouille ou gravure. Ainsi, on attaque la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12 qui est en silicium Si, par exemple avec de la potasse (KOH) ; la couche d’électrolyte solide 14 dans la mesure où elle est en YSZ, s’attaque par exemple avec de l’acide fluoridrique (HF). La cavité 30 se termine sur la couche d’isolation 20. Comme le montre la figure 5D, ensuite on réalise l’évidement 16 dans la couche inférieure de silicium et la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12. Ainsi, on enlève la couche d’isolation 20 entre la couche inférieure de silicium et la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12. L’évidement 16 peut également se faire en diminuant par gradins en direction de la couche d’électrolyte solide 14. L’évidement 16 dans la couche supérieure de silicium est ainsi délimité sur le côté supérieure, par exemple, par la couche d’électrolyte solide 14 et sur les côtés par la couche supérieure de silicium. Vers le bas l’évidement est ouvert.

Comme le montre la figure 5E, sur le côté supérieur 32 non tourné vers l’élément de support 12 et sur le côté inférieur 34 tourné vers l’élément de support 12 on applique une électrode 36 respective sur la couche d’électrolyte solide 14. En plus, dans la cavité 30 on introduit une autre électrode 36, par exemple au fond de la cavité 30 et ainsi sur la couche d’isolation 20. L’électrode 36 sur le côté intérieur 34 tourné vers l’élément de support 12 s’étend le long de la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12 à l’intérieur de l’évidement 16 et elle peut ainsi également être réalisée en gradins. L’électrode 36, sur le côté inférieur 34, est relié à l’autre électrode 36 dans la cavité 30 à l’aide de la couche supérieure de silicium de l’élément de support 12 par une liaison électrique car la couche inférieure de silicium et la couche supérieur de silicium de l’élément de support 12 sont en un matériau électro-conducteur. De plus, l’autre électrode 36 dans la cavité 30 n’est pas seulement la couche d’isolation 20 à l’intérieur de la cavité, mais elle touche également la couche supérieure de silicium adjacente latéralement de l’élément de support 12. Ainsi, l’électrode 36 est reliée sur la face inférieure 34 par la couche supérieure de silicium électroconductrice de l’élément de support 12 avec l’électrode 36 dans la cavité 30. Les deux électrodes 36 sur le côté supérieur 32 de l’élément de support 12 et celle dans la cavité 30 peuvent ainsi être mises en contact le même côté de l’élément capteur.

La figure 5F est une vue de dessus de l’élément de capteur 10 ainsi réalisé. On remarque l’électrode 36 sur le côté supérieur 32 ainsi que l’autre électrode 36 dans la cavité 30. Cette forme de réalisation permet de brancher électriquement les deux électrodes 36 sur le côté supérieur 32 et le côté inférieur 34 de la couche d’électrolyte solide 14 à partir du même côté. Ainsi, le branchement des électrodes 36 se fait à partir du côté supérieur 32. Le contact électrique de l’électrode 36 su le côté inférieur 34 peut également se faire à partir du côté supérieur 32 car il y a la cavité 30 dans laquelle se trouve l’autre électrode 36 et qui est reliée électriquement par la couche supérieure du silicium de l’élément de support 12 à l’électrode 36 du côté inférieur 34.

NOMENCLATURE DBS ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Elément de capteur 12 Elément de support 14 Couche d’électrolyte solide 16 Evidement 18 Segment de membrane 20 Couche d’isolation 22 Couche intermédiaire 26 Zone / dégagement 28 Côté 30 Cavité borgne 32 Côté supérieur 34 Côté inférieur 36 Electrode

Claims (10)

1. REVENDICATIONS 1°) Elément de capteur (10) pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la part d’un composant gazeux du gaz de mesure ou la température du gaz de mesure, élément de capteur comportant un élément de support (12) et au moins une couche d’électrolyte solide (14), la couche d’électrolyte solide (14) étant réalisée sur l’élément de support (12), la couche d’électrolyte solide (14) étant réalisée au moins en partie par épitaxie, l’élément de support (12) ayant au moins un évidement (16) de façon que la couche d’électrolyte solide (14) comporte au moins un segment de membrane (18).
2. 2°) Elément de capteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d’électrolyte solide (14) a une épaisseur comprise entre 40 nm - 5pm, de préférence entre 50 nm - 3 pm et d’une manière encore plus préférentielle entre 200 nm - 2pm.
3. 3°) Elément de capteur (10) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’ une couche d’isolation (20) est prévue par segments entre la couche d’électrolyte solide (14) et l’élément de support (12), la couche d’isolation (20) étant réalisée en au moins un matériau électro-isolant et en particulier S13N4 et/ou S1O2.
4. 4°) Elément de capteur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’ il comporte au moins une couche intermédiaire entre la couche d’électrolyte solide (14) et l’élément de support (12), la couche intermédiaire est obtenue par épitaxie, oxydation et elle est électro-conductrice et conductrice d’ions, ou la couche intermédiaire étant réalisée par épitaxie, par oxydation et elle est une couche électro-isolante.
5. 5°) Elément de capteur (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche d’électrolyte solide (14) est réalisée en au moins un matériau qui comporte du dioxyde de zirconium stabilisé par de l’oxyde d’yttrium.
6. 6°) Elément de capteur (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la teneur en oxyde d’yttrium du dioxyde de zirconium correspond à un gradient, de préférence perpendiculaire au plan de la couche d’électrolyte solide (14).
7. 7°) Elément de capteur (10) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche d’électrolyte solide (14) présente un évidement (16) dans le segment de membrane (18) sur le côté (28) tourné vers l’élément de support (12).
8. 8°) Elément de capteur (10) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le côté supérieur (32) de la couche d’électrolyte solide (14) non tournée vers l’élément de support (12) et le côté inférieur (34) de la couche d’électrolyte solide (14) tourné vers l’élément de support (12) ont chacun une électrode (36), notamment une électrode poreuse (36).
9. 9°) Elément de capteur (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les électrodes (36) sont mises en contact électrique à partir du même côté.
10. 10°) Procédé de fabrication (20) d’un élément de capteur (10) pour saisir au moins une propriété d’un gaz de mesure dans un espace de gaz de mesure, notamment pour saisir la teneur en un composant gazeux du gaz de mesure ou une température du gaz de mesure comprenant les étapes suivantes consistant à : utiliser un élément de support (12), appliquer au moins une couche d’électrolyte solide (14) sur l’élément de support (12) de façon que la couche d’électrolyte solide (14) soit au moins partiellement épitaxiale, enlever partiellement l’élément de support (12) pour développer au moins un évidement (16) de façon que la couche d’électrolyte solide (14) comporte au moins un segment de membrane (18).