FR3053793A1 - Dispositif d'analyse de gaz par detection catharometrique - Google Patents

Abstract

Dispositif d'analyse de gaz ayant un diamètre moyen de molécule d, comportant trois éléments de mesure (S1, S2, S3) suspendus à un support (1), chaque élément mesure (S1, S2, S3) étant suspendu à une distance (g1, g2, g3) du support (1) différentes les unes des autres, des moyens de chauffage des éléments de mesure, des moyens de polarisation des n éléments de mesure (S1, S2, S3), et des moyens de mesure (8) de la résistance électrique de chacun des éléments de meure (S1, S2, S3), et une unité de traitement déterminant à partir des valeurs de résistances électriques des valeurs de conductivité thermique du gaz calculant un paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d, et dans le cas d'un mélange gazeux de trois espèces et de pression connue, déterminant la composition du mélange gazeux.

Description

Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : BREVALEX Société à responsabilité limitée.

FR 3 053 793 - A1 (54) DISPOSITIF D'ANALYSE DE GAZ PAR DETECTION CATHAROMETRIQUE.

©) Dispositif d'analyse de gaz ayant un diamètre moyen de molécule d, comportant trois éléments de mesure (S1,

S2, S3) suspendus à un support (1), chaque élément mesure (S1, S2, S3) étant suspendu à une distance (g1, g2, g3) du support (1) différentes les unes des autres, des moyens de chauffage des éléments de mesure, des moyens de polarisation des n éléments de mesure (S1, S2,

S3), et des moyens de mesure (8) de la résistance électrique de chacun des éléments de meure (S1, S2, S3), et une unité de traitement déterminant à partir des valeurs de résistances électriques des valeurs de conductivité thermique du gaz calculant un paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d, et dans le cas d'un mélange gazeux de trois espèces et de pression connue, déterminant la composition du mélange gazeux.

DISPOSITIF D'ANALYSE DE GAZ PAR DETECTION CATHAROMETRIQUE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un dispositif d'analyse de gaz afin de déterminer sa composition et éventuellement sa pression, mettant en oeuvre la détection catharométrique, et à un procédé d'analyse de gaz par détection catharométrique.

La détection catharométrique mesure la conductivité d'un gaz ou d'un mélange de gaz par la mesure de la température d'un élément chauffant. L'élément chauffant qui est par exemple un fil chaud ou une membrane chaude est disposé à proximité d'un thermostat extérieur ou réservoir thermique et est séparé de celui-ci par un gaz ou un mélange de gaz. Le fil ou la membrane échange de la chaleur avec le thermostat à travers le gaz ou mélange de gaz. Ces échanges thermiques dépendent de la conductivité thermique du gaz ou mélange de gaz, qui dépend de sa composition et/ou de sa pression.

Certains dispositifs catharométriques sont destinés à mesurer la pression d'un gaz ou mélange gazeux, et sont couramment appelés Jauge Pirani. La composition du gaz ou du mélange gazeux ne varie pas, ou alors dans des proportions faibles par rapport aux variations de pression étudiées. Mais les jauges Pirani ne permettent pas de déterminer la composition du gaz ou mélange gazeux.

D'autres dispositifs catharométriques sont destinés à déterminer la composition du gaz ou du mélange gazeux, ceux-ci sont désignés capteurs TCD pour Thermal Conductivity Detector en terminologie anglo-saxonne. Pour cela la distance entre le fil ou la membrane et le réservoir thermique est choisie de manière à ce que le régime de conduction soit le régime continu, si bien que la mesure est peu sensible à la pression. Mais ces dispositifs ne permettent de réaliser des mesures de compositions que sur une plage de pression limitée. En outre, les capteurs TCD ne permettent de déterminer que la composition d'un mélange binaire de gaz, i.e. comportant deux espèces gazeuses différentes. Ils sont en général utilisés en sortie d'un système de séparation (type colonne de chromatographie) qui permet de se ramener au cas binaire en sortie de colonne (mélange gaz porteur et gaz d'intérêt). Or ces dispositifs sont volumineux, consommateurs d'énergie, et de plus présentent un grand temps de réponse, typiquement supérieur à une minute.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif d'analyse de gaz afin de déterminer sa composition et éventuellement sa pression, mettant en oeuvre une détection catharométrique, permettant par exemple, dans le cas d'un mélange de gaz binaire, de déterminer à la fois la composition du mélange et la pression du mélange, soit, dans le cas d'un mélange de trois gaz, de déterminer la composition de chacun des gaz.

Le but de la présente invention est atteint par un dispositif d'analyse de gaz comportant au moins un premier élément et un deuxième élément suspendus par rapport à un support, la distance séparant le premier élément et le support étant différente de la distance séparant le deuxième élément et le support, des moyens de chauffage du premier élément et du deuxième élément, des moyens de polarisation du premier élément et du deuxième élément et des moyens de mesure de la résistance électrique aux bornes des premiers et deuxième élément suspendus. Le support forme un thermostat ou réservoir thermique. En outre, une unité de traitement détermine, pour chaque élément à partir de la valeur de la résistance électrique de chaque élément suspendu, la conductivité thermique du mélange gazeux entourant chaque élément suspendu, et calcule un paramètre comportant au moins un terme égal à d, d étant le diamètre moyen des molécules de gaz du mélange gazeux.

Les inventeurs ont pensé à prendre en compte le fait que le libre parcours moyen dans un gaz dépend de la composition du gaz et de sa pression. En calcul analytique, le libre parcours moyen est remplacé par le diamètre moyen des molécules qui est une propriété intrinsèque du gaz. Ce diamètre moyen apparaît dans les formules de calcul de la conductivité thermique, ainsi que la distance entre l'élément suspendu et le réservoir thermique. En mesurant la conductivité thermique avec au moins deux éléments disposés à des distances différentes du réservoir thermique, on obtient à un système de deux équations permettant de déterminer au moins un paramètre contenant le diamètre moyen des molécules et la conductivité thermique du mélange en régime continu, ce qui permet soit de déterminer, connaissant sa pression, la composition du mélange ternaire soit de déterminer la composition du mélange binaire et sa pression.

Dans le cas où le mélange gazeux comporte deux espèces et sa pression P est à déterminer, le paramètre est égal à d²xP. L'unité de traitement détermine ensuite la conductivité du mélange gazeux en régime continu et ensuite détermine les concentrations des gaz et la pression du mélange gazeux.

Dans le cas où le mélange gazeux comporte trois espèces, la pression étant connue, le paramètre est égal à d². L'unité de traitement détermine la conductivité du mélange gazeux en régime continu et ensuite détermine les concentrations des trois espèces du mélange gazeux.

Ainsi, dans le cas d'un mélange ternaire, un dispositif de séparation en amont du dispositif de détection n'est plus requis.

Dans le cas d'un mélange binaire, on peut déterminer la composition et la pression avec un même dispositif.

La structure des éléments suspendus est variée. Il peut s'agir de fils ou de membranes par exemple munies de trous.

Dans un exemple de réalisation, les éléments suspendus sont disposés dans le même canal l'un après l'autre dans la direction d'écoulement du fluide gazeux.

Dans un autre exemple de réalisation, les éléments suspendus sont dans deux canaux alimentés en parallèle par le même mélange gazeux.

De manière très avantageuse, le dispositif de détection comporte plus de deux éléments suspendus, ce qui permet d'obtenir des résultats plus précis.

La présente invention a alors pour objet un dispositif d'analyse de gaz, ledit gaz comprenant des molécules de diamètre moyen d, comportant :

- n éléments de mesure suspendus à un support, n étant un entier supérieur ou égal à 2, chaque élément mesure étant suspendu à une distance du support, ledit support étant destiné à former un thermostat à température constante, au moins les distances auxquelles deux éléments de mesure sont suspendus étant différentes,

-des moyens de chauffage des n éléments de mesure,

-des moyens de polarisation des n éléments de mesure, avantageusement en courant,

-des moyens de mesure de la résistance électrique de chacun des n éléments de mesure, et

- une unité de traitement pour déterminer, à partir des valeurs de résistances électriques, des valeurs de conductivité thermique du gaz afin de calculer un paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d, et d'en déduire au moins la composition du gaz

Dans le cas où le gaz comporte deux espèces, l'unité de traitement permet avantageusement de déterminer en outre la pression du gaz.

L'unité de traitement peut calculer la conductivité thermique en régime continu du gaz en même temps que le paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d.

Avantageusement, n est supérieur ou égal à 3.

Dans un exemple de réalisation, les n éléments suspendus sont des fils. Dans un autre exemple de réalisation, les n éléments suspendus sont des membranes.

Le dispositif peut comporter au moins un canal formé dans le support, les n éléments de mesure pouvant être suspendus les uns à la suite des autres dans la direction du canal, le gaz étant destiné à s'écouler dans le canal. Dans un exemple particulier, le dispositif peut comporter n canaux formés dans le support, chaque élément suspendu étant suspendu dans un canal et les canaux étant tels qu'ils sont destinés à être alimentés par le gaz.

De manière avantageuse, le dispositif comporte au moins un élément de mesure de référence suspendu dans un canal de référence contenant un gaz de référence, différent du gaz et connectés à l'unité de traitement de sorte à réaliser une mesure différentielle avec au moins un autre élément suspendu dans un canal autre que celui de référence .

Les moyens de chauffage comportent par exemple une piste conductrice électrique en contact avec chacun des n éléments de mesure et assurent le chauffage individuellement de chaque élément de mesure par effet Joule.

Selon une caractéristique additionnelle, le dispositif peut comporter un capot solidaire du support. Avantageusement le capot est tel qu'une distance minimale entre le fond du capot et les n éléments de mesure est supérieure à une plus grande distance séparant les n éléments de mesure du support.

Les n éléments de mesure peuvent être en Si ou en SiN + Pt.

La présente invention a également pour objet un procédé d'analyse de gaz, ledit gaz comprenant des molécules ayant un diamètre moyen d, à partir des mesures des résistances électriques de n élément suspendus par rapport à un support formant un thermostat à température constante, les distances séparant au moins deux éléments suspendus du support étant différentes,

- chauffage des n éléments de mesure,

- polarisation des n élément de mesure,

- mise en contact des n éléments de mesure avec le gaz à analyser,

-mesure de la résistance électrique de chacun des n éléments de mesure,

- détermination de la conductivité thermique du gaz à partir des valeurs de résistances électriques,

- détermination d'un paramètre contenant le diamètre moyen de molécule,

- détermination de la composition du gaz et éventuellement de sa pression.

Une conductivité thermique en régime continu du gaz peut être avantageusement déterminée en même temps que le paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d.

Dans le cas où gaz est un mélange d'une première espèce et d'une deuxième espèce ayant pour diamètre moyen de molécule respectivement dA et de respectivement, le paramètre peut être égal à d²xP, P étant la pression du gaz et d = XAdA + xbcIb, et les concentrations des deux espèces et de la pression du gaz peuvent être déterminées.

Dans le cas où le gaz est à une pression connue et est un mélange d'une première espèce, d'une deuxième espèce et d'une troisième espèce ayant pour diamètre moyen de molécule respectivement dA, de et de respectivement, le paramètre peut être égal à d²xP et d = XAdA + xede + xede et les concentrations des trois espèces peuvent être déterminées.

Avantageusement, les espèces du gaz analysées présentent des diamètres moyens de molécules suffisamment différents, les espèces étant choisies par exemple au moins parmi l'azote et l'hydrogène ou parmi l'azote et l'hélium.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'analyse selon l'invention,

- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'analyse selon l'invention,

- les figures 3A à 3D sont des vues de dessus de différents exemples d'éléments suspendus pouvant être mis en oeuvre dans le dispositif d'analyse selon l'invention,

- les figures 3A' et 3B' sont des vues en coupe transversale selon le plan A-A' et B-B' respectivement des figures 3A et 3B,

- les figures 4A et 4B sont similaires aux figures 3A' et 3B', un capot ayant été ajouté,

- les figures 5A à 5R sont des représentations schématiques d'éléments obtenus lors d'étapes d'un exemple de procédé de réalisation,

- les figures 6A et 6B sont des vues de dessus des éléments des figures

5J et 5J',

- la figure 7 est une vue de dessus un autre exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention comportant deux canaux,

- la figure 8 est une vue de dessus représentée schématiquement d'un exemple du dispositif d'analyse selon l'invention comportant des moyens de chauffage communs à tous les éléments suspendus.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Dans la présente demande, on souhaite analyser un mélange gazeux binaire ou ternaire. Les espèces gazeuses composant les mélanges sont connues. Dans le cas d'un mélange binaire, par exemple un gaz d'intérêt dilué dans un gaz porteur, on cherche à déterminer la concentration des deux espèces et la pression du mélange gazeux. Dans le cas d'un mélange ternaire, on cherche à déterminer la concentration de chacune des trois espèces, la pression du mélange gazeux étant connue.

Dans la présente demande, on entend par « gaz » un mélange en phase gazeuse de plusieurs espèces chimiques. Le terme « gaz » et l'expression « mélange gazeux » sont considérés comme synonymes.

Sur la figure 1, on peut voir une représentation schématique d'un exemple de dispositif d'analyse Dl d'un mélange gazeux en vue de déterminer la composition et éventuellement sa pression, représenté en coupe longitudinale.

Le dispositif d'analyse met en oeuvre une détection catharométrique.

Le dispositif comporte un support 1 et au moins un canal 2 réalisé dans ce support 1 et destiné à être alimenté en un mélange gazeux à analyser. Il comporte par exemple une extrémité 2.1 connectée à une alimentation en mélange gazeux et une extrémité 2.2 destinée à évacuer ce mélange. La direction d'écoulement du flux de mélange gazeux est symbolisée par la flèche F.

En variante, le dispositif pourrait comporter une cavité avec un orifice assurant l'alimentation et l'évacuation du mélange gazeux.

Dans l'exemple représenté, le canal s'étend le long d'un axe longitudinal X. Mais un canal ayant une forme curviligne ou toute autre forme ne sort pas du cadre de la présente invention.

Le support est par exemple un substrat, par exemple en semiconducteur ou en verre. Le canal comporte un fond 4 et des parois latérales.

Le dispositif comporte également au moins deux éléments de mesure

51, S2 suspendus dans le canal et avantageusement plus de deux éléments de mesure. Dans l'exemple représenté le dispositif d'analyse comporte trois éléments de mesure SI,

52, S3 disposés l'un à côté de l'autre dans la direction F et destinés à déterminer la conductivité thermique du mélange gazeux.

Dans l'exemple représenté, les éléments de mesure SI, S2, S3 sont disposés parallèlement les uns par rapport aux autre et sont suspendus sensiblement perpendiculairement à la direction du flux F.

Les éléments de mesure comportent un matériau conducteur électrique. Ils peuvent être réalisés entièrement en matériau conducteur électrique, par exemple en silicium, ou alors ils peuvent comporter une partie isolante électrique formant support et une piste conductrice électrique formée sur le support.

Les éléments suspendus peuvent présenter des formes très variés. Sur les figures 3A à 3D, on peut voir différents exemples de réalisation d'un seul élément de mesure vu de dessus et sur les figures 3A' et 3B' on peut voir des vues en coupe selon le plan A-A' et B-B' des figures 3A et 3B respectivement, les vues en coupe des figures 3C et 3D seraient similaires à la figure 3B'.

Sur la figure 3A, l'élément de mesure est un fil droit, sur la figure 3B il s'agit d'un fil en en frome de serpentin, sur les figures 3C et 3D, les éléments de mesure sont des membranes suspendus ajourées. De préférence tous les éléments de mesure d'un capteur sont de structure identique ou similaire.

L'élément de mesure SI est à une distance gl du fond du canal, l'élément de mesure S2 est à une distance g2 du fond du canal et l'élément de mesure S3 est à une distance g3 du fond du canal. Le fond du canal forme un réservoir thermique ou thermostat à température T. Il est considéré que la température T est constante. La température du réservoir thermique ne varie pas que les éléments de mesure soient chauffés ou non.

Les distances gl, g2 et g3 sont différentes. Dans l'exemple représenté gl est inférieure à g2, qui est elle-même inférieure à g3.

Dans la représentation de la figure 1, le fond 4 du canal est incliné vers le bas dans le sens du flux F et est contenu dans un plan.

Sur la figure 2, le dispositif d'analyse D2 comporte un fond 4' en forme de marche d'escalier et est donc contenu dans plusieurs plans parallèles entre eux.

Dans les exemples décrits, la distance entre l'élément suspendu et le fond du canal varie de manière monotone. Mais en variante, on pourrait envisager que gl et g3 soient supérieures à g2 et g3 supérieure à gl. Pour cela le fond 4 pourrait par exemple avoir deux inclinaisons.

Le dispositif d'analyse comporte également des moyens de polarisation 6 en tension, ou de préférence en courant, de chaque élément de mesure. Les moyens de polarisation 6 sont connectés aux extrémités des éléments de mesure se raccordant au support, par exemple par l'intermédiaire de plot de contact formés sur le support.

Le dispositif d'analyse comporte également des moyens de mesure 8 en tension ou en courant de la résistance électrique aux bornes de chaque élément de mesure. Les moyens de mesure 8 sont également connectés aux extrémités des éléments de mesure se raccordant au substrat, par exemple aux plots de contact. Les moyens de polarisation et de mesure et de chauffage sont représentés schématiquement sur la figure 3A.

Le dispositif d'analyse comporte également des moyens de chauffage 10 des éléments de mesure. II peut s'agir de moyens distincts pour chaque élément suspendu ou communs à tous les éléments suspendus. De préférence il s'agit de moyens de chauffage par effet Joule. Dans le cas d'un élément de mesure formé par un fil, le fil lui-même pourrait être chauffé par effet Joule. En variante les moyens de chauffage pourraient être formés par les moyens de polarisation.

En variante, on peut envisager de mettre en oeuvre des moyens de chauffage commun à tous les éléments suspendus comme cela est représenté schématiquement sur la figure 8.

Le dispositif comporte trois éléments suspendus SI, S2, S3, chacun comportant ses moyens de polarisation 6.1, 6.2, 6.3 et des moyens de chauffage commun, les moyens de mesure n'étant pas représentés. Pour cela, les trois éléments suspendus sont connectés en série et les moyens de chauffage 9 sont connectés aux bornes Bl, B2 des trois éléments suspendus reliés en série. Dans cet exemple, les éléments suspendus sont reliés par des pistes 7 formées sur le support qui est en matériau isolant électrique ou conducteur électrique passivé en surface.

En outre les moyens de chauffage pourraient être portés directement par les éléments de mesure. Par exemple dans le cas d'un élément de mesure sous forme de membrane, les moyens de chauffage peuvent être formés par un fil chauffant s'étendant sur la surface de la membrane. Dans ce cas les moyens de chauffage ne sont pas communs aux différents éléments.

Le dispositif d'analyse comporte également une unité de traitement U (figure 3A) déterminant la composition et éventuellement la pression du mélange gazeux à partir des mesures de résistance électriques des éléments de mesure.

Sur les figures 3A' et 3B', le dispositif d'analyse ne comporte pas de capot.

Sur les figures 4A et 4B, le dispositif d'analyse comporte un capot 14 recouvrant les éléments de mesure et fermant le canal fluidique 4. Les dimensions du capot sont avantageusement telles que la distance Gl entre le fond du capot et l'élément de mesure SI est supérieure à la distance gl entre le fond du canal et l'élément de mesure SI, de sorte à ne pas interférer avec le réservoir thermique formé par le substrat. De préférence, la distance Gl est au moins égale à 4 fois la distance gl.

Chaque élément de mesure est calibré afin de déterminer la fonction reliant la conductivité thermique à la résistance électrique.

On détermine la fonction f telle que κι = f(Rl) et h telle que K2 = f(R2)

A titre d'exemples, les éléments de mesure ont une largeur comprise entre 20 nm et 5 pm, une épaisseur comprise entre 20 nm et 5 pm et une longueur comprise entre 2 pm et 200 pm et la distance séparent deux éléments de mesure est de préférence égale à au moins 50 pm.

Le fonctionnement du capteur de mesure va maintenant être décrit.

La conductivité thermique effective d'un mélange gazeux peut s'écrire :

K-P->co K — p + — lï- p avec K_P^_œ la conductivité thermique à pression infinie correpondant au régime continu.

Ptr est la pression de transition,

P est la pression du mélange gazeux.

Le libre parcours moyen dépend de la pression suivant la loi suivante issue de la théorie cinétique des gaz :

k_BT

Λ⁼ ° fi2.nd²P

Avec kB la constant de Boltzmann, T la température du réservoir thermique, P la pression, et d le diamètre moyen des molécules de gaz.

On en déduit l'expression de la pression de transition pour laquelle λ = g, g étant la distance entre l'élément de mesure et le réservoir thermique.

k_BT

Ptr fi2nd²g

On peut alors écrire la conductivité thermique κ en fonction du gap g et de la pression :

K= (I) n--—\!2nd²gP

Par ailleurs, le diamètre moyen effectif d est approché par une moyenne arithmétique des diamètres des constituants du gaz.

d — x_Ad_A T x_Bd_B avec dA et de les diamètres des molécules des deux gaz A et B constituant le mélange binaire, et xa et xb leur proportion respective. dA et de sont connus.

Dans le cas d'un mélange ternaire d s'écrit :

d — x_A * d_A T x_B * d_B T x_B * d_B

Enfin, dans un mélange binaire :

K_P^_œ =x_A* Kp^_œ + x_B * Kp^_œ (II)

Avec Kp^_œ, Kp^_œ les conductivités thermiques à pression infinie correspondant au régime continu des composants A et B et qui sont connus.

Dans un mélange ternaire,

K_P^_œ = X_A* Kp^_œ + X_B * Kp^_œ +X_C* K/Lco

Avec Kp^_œ, Kp^_œ , Kp^_œ les conductivités thermiques à pression infinie correspondant au régime continu des composants A, B et C et qui sont connues.

Dans un premier cas, on considère un mélange gazeux binaire comportant les composants A et B connus, dont on souhaite déterminer les concentrations en espèces A et B et la pression. Etant données les faibles distances entre les éléments suspendus, on considère que les deux éléments sont en contact simultanément avec le même mélange gazeux.

Les éléments de mesure sont chauffés par les moyens de chauffage 10, sont polarisés par les moyens de polarisation 6. Les éléments de mesure échangent de la chaleur avec le réservoir thermique via le canal de conduction formé par l'environnement gazeux. L'environnement gazeux présente une certaine conductivité thermique.

Le mélange gazeux à analyser est injecté dans le canal fluidique et entre en contact les éléments de mesure. L'environnement gazeux entourant les éléments de mesure est modifié et sa conductivité thermique est modifiée. Les échanges thermiques entre les éléments de mesure et le réservoir thermique sont modifiées.

On mesure la résistance électrique de l'élément de mesure qui varie en fonction de la température de l'élément de mesure. Puisqu'il échange plus ou moins de chaleur avec le réservoir thermique sa température varie et sa résistance électrique varie.

A partir des mesures de RI et R2, on peut déterminer κι et K2.

On peut alors écrire en reprenant l'équation (I) et en posant S = d²P :

s/ïnd²g₂ P * S

Il s'agit d'un système d'équations à 2 inconnus S et K_P^_œ . On détermine alors les valeurs de S et K_P^_œ .

En reprenant l'équation II

Kp->oo ^{= X}A* ^KP^œ + ^XB * Kp->coOn peut par ailleurs écrire x_A + x_B = l

Sachant que Kp^_œ,Kp^_œ sont connus, on détermine x_A, xb et on peut déterminer P avec

S = d² * P = (x_A * d_A + x_B * d_B)² * P.

Grâce au capteur selon l'invention et à l'utilisation d'un paramètre comportant le diamètre moyen de molécule du mélange gazeux, on peut déterminer la composition d'un mélange gazeux binaire et la pression du mélange gazeux.

Dans un deuxième cas, on détermine la composition d'un mélange gazeux ternaire dont on connaît la pression.

On connaît les trois espèces A, B et C du mélange ternaire, les valeurs de ^a,, Kp^œ,,Kp^, la valeur de P, et les valeurs des diamètres équivalents d_A, de et de des molécules A, B et C.

Lorsque le mélange à analyser est en contact avec les éléments de mesure SI et S2, on mesure les résistances RI et R2 et on en déduit les conductivités thermiques.

En reprenant l'équation I, on peut écrire le système d'équations suivantes :

Kp—>co ^K1 ^— j, m

1+^4y/2nd²g₁ P ^K2 — j, m + ^4— y/2nd²g₂ P

Il s'agit d'un système de deux équations à deux inconnus, d et K_P^_œ . On détermine les valeurs de d et K_P^_œ .

En reprenant l'équation II, on peut écrire

Kp^_œ = X_A* Kp_,_œ + X_B * Kp_>_œ +X_C* Kp_,_œ

On peut par ailleurs écrire :

d ⁼ x^ * d^ + Xq * dg + X(j * dg et x_A + x_B + x_c = 1.

Il s'agit d'un système de trois équations à trois inconnus, on peut déterminer xa, xb, xc.

Grâce au capteur selon l'invention et à l'utilisation du diamètre moyen, on peut déterminer la composition d'un mélange gazeux ternaire connaissant sa pression.

La mesure peut se faire soit en statique, le mélange gazeux étant immobile soit en dynamique, le flux gazeux circulant dans le dispositif. Dans le cas d'un mesure dynamique, il est préférable que les propriétés du mélange gazeux ne change pas sur une échelle spatiale de l'ordre de 100 pm.

La présente invention est particulièrement efficace lorsque les espèces du mélange gazeux présentent des diamètres équivalents très différents, afin qu'il résulte de la variation de composition d'un gaz une variation sensible du libre parcours moyen. De manière avantageuse, l'invention est particulièrement adaptée à l'analyse de mélanges tels qu'un mélange azote/hydrogène ou un mélange azote/hélium.

Il y a typiquement un ordre de grandeur entre le diamètre des atomes d'hydrogène / hélium et les atomes d'azote.

Selon un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 7, le dispositif comporte au moins deux canaux distincts 102,104 alimentés en parallèle par le mélange gazeux à analyser. Le dispositif comporte également au moins deux éléments de mesure SI, S2, disposés chacun dans un canal. La distance gl séparant un élément de mesure du fond d'un canal est différente de la distance g2 séparant l'autre élément de mesure du fond de l'autre canal.

Cet exemple de réalisation a pour avantage que les propriétés du flux gazeux, notamment sa température, ne sont pas modifiées par un contact avec un élément de mesure amont.

Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif permet une mesure différentielle. De manière avantageuse, la mesure différentielle est réalisée pour chaque élément suspendu exposé aux conditions de mesures, avec un élément suspendu dans un autre canal, exposé à un fluide de référence à composition donnée et à pression donnée.

Par exemple et de manière avantageuse, le dispositif comporte un canal de mesure et un canal de référence contenant un fluide de référence à une composition donnée et à pression donnée. Le canal de référence comporte également de préférence autant d'éléments de référence que d'éléments de mesure suspendus dans le canal de mesure, chaque élément de référence étant suspendu à la même distance que celle d'un élément de mesure. Ainsi à chaque élément de mesure est associé un élément de référence agencé de la même manière dans le canal de référence.

Les mesures différentielles sont obtenues à partir des différentes paires d'éléments. Les mesures différentielles sont par exemple réalisées par un pont de Wheatstone.

Dans un exemple de réalisation, les moyens de polarisation polarisent les éléments de mesure avec une tension alternative à une fréquence ω et la température est lue par la méthode 3ω bien connue de l'homme du métier. Le niveau de bruit est réduit.

De préférence, les différents éléments de mesure sont polarisés à des fréquences différentes ce qui permet de réaliser un multiplexage en fréquence.

Un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif d'analyse comportant deux éléments de mesure selon l'invention va maintenant être décrit à l'aide des figures 5A à 5R.

On utilise par exemple un substrat 200 silicium sur isolant ou SOI (Silicon On Insulate en terminologie anglo-saxonne). Le substrat est représenté sur la figure 5A. Le substrat 200 comporte un substrat support en silicium 202, une couche d'oxyde de silicium 204 et une couche de silicium monocristallin 206 sur la couche d'oxyde 204. En variante le substrat pourrait être un substrat Si oxydé en face avant sur lequel une couche de Si amorphe aurait été formée.

Lors d'une étape suivante, un forme un couche d'oxyde 208 sur la couche 206, puis on réalise une implantation d'ions Bore. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5B.

Lors d'une étape suivante, la couche d'oxyde est retirée, par exemple par gravure chimique à base d'acide fluorhydrique. L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5C.

Lors d'une étape suivante, la couche de silicium 206 est structurée par exemple par photolithographie et gravure afin de former les éléments de mesure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5D.

Lors d'une étape suivante, une couche protectrice 210 est formée sur les éléments sensible, il s'agit par exemple d'une couche d'oxyde, d'épaisseur par exemple 500 nm, par exemple déposée par une technique de dépôt chimique en phase vapeur. La couche 210 est ensuite planarisée.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5E.

Lors d'une étape suivante, la couche 210 est structurée pour former des accès 212 à la couche 206 en dehors de la partie comprenant les éléments de mesure. Cette structuration est réalisée par photolithographie et gravure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5F.

Dans une étape suivante, on réalise les plots de contact 213 au niveau des accès 212. Une couche métallique 214, par exemple du AISi est formée sur la couche 210, par exemple par dépôt, et est ensuite structurée par exemple par gravure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5G.

Lors d'une étape suivante une autre couche d'oxyde 216 est formée sur la couche 210 et sur les plots de contact 213, par exemple par dépôt. Elle présente par exemple une épaisseur de 1 pm. Une couche de Si amorphe 218 est ensuite formée sur la couche 216, d'épaisseur par exemple de 100 nm. Le Si amorphe pourrait être remplacé par tout autre matériau résistant à une gravure à l'acide fluorhydrique et qui peut être gravé par photo-lithogravure, par exemple par du nitrure de bore.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5H.

Lors d'une étape suivante, les couches 216 et 218 sont structurées pour dégager la partie active du capteur, cette structuration est par exemple réalisée par photolithographie et gravure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 51.

Les éléments obtenus avec les étapes qui suivent sont représentés dans deux plans de coupe au niveau de chaque élément de mesure.

Lors d'une étape suivante, une couche d'oxyde 220 est déposée. Ensuite une couche de résine 221 est déposée, celle-ci est destinée à former un masque.

Lors d'une étape suivante la couche 221 est structurée par photolithographie de sorte à former des ouvertures dans la couche 221.

L'étape de photolithographie est telle que des premières ouvertures 222 présentant une première section sont réalisées dans une zone Al de la couche 221 au droit du premier élément de mesure SI (figure 5J) et des deuxièmes ouvertures 224 présentant une deuxième section sont réalisées dans une zone de la couche 220 au droit du premier élément de mesure S2 (figure 5J'). La première section et la deuxième section sont différentes. Dans l'exemple représenté, la première section est supérieure à la deuxième section.

Sur la figure 6A, on peut voir l'élément des figures 5J et 5J' vu de dessus représenté de manière schématique. On distingue les deux zones Al, A2 avec des ouvertures 222 et 224 de sections différentes. Ce masque permet de réaliser un dispositif comportant deux marches tel que représenté sur la figure 2.

La section des ouvertures dans le masque détermine la profondeur de gravure comme cela sera expliqué par la suite. En réalisant deux zones avec chacune comportant des ouvertures de section donnée, il est possible de réaliser des gravures de deux profondeurs différentes.

Le masque formé dans la couche d'oxyde a également pour fonction de permet de structurer les différentes couches autour des éléments de mesure.

Pour réaliser le dispositif D2, le masque comporte trois zones avec des ouvertures de sections différentes.

Sur la figure 6B, on peut voir un autre exemple de réalisation dans lequel la section des ouvertures varie progressivement de manière monotone le long de la direction X, et permettant de réaliser un fond incliné sensiblement plan tel que représenté sur la figure 1. Dans l'exemple représenté, les sections des ouvertures 222'sont croissantes de la gauche vers la droite dans la représentation de la figure 6B.

En variante, il pourrait être prévu d'alterner des ouvertures de section variables celle-ci ne variant pas de manière monotone le long de la direction X, afin d'obtenir un fond présente plusieurs inclinaisons d'orientations opposées.

La variation de la section des ouvertures est très progressive d'une colonne d'ouvertures à l'autre et les ouvertures sont très proches les unes des autres afin de s'assurer une variation quasi-continue de la profondeur de gravure et limiter l'apparition de marche

En variante encore, les deux masques des figures 6A et 6B pourraient être combinés afin de réaliser une cavité dont le fond comporterait des paliers et des parties inclinées.

Dans les exemples des figures 6A et 6B, les ouvertures sont de forme rectangulaire mais ceci n'est pas limitatif, elles pourraient être de forme carrées, ronde...

Lors d'une étape suivante, on réalise une gravure jusqu'à atteindre le substrat 200, par exemple par gravure anisotrope. Des ouvertures atteignant le substrat 200 ayant la première section sont ainsi formées dans la première zone et des ouvertures atteignant le substrat 202 ayant la deuxième section sont ainsi formées dans la deuxième zone.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur les figures 5K, 5K'.

Lors d'une étape suivante, on réalise une gravure du substrat par exemple par gravure ionique réactive profonde ou DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching en terminologie anglo-saxonne). Du fait des ouvertures de section plus grande dans la première zone que dans la deuxième zone, la gravure dans le substrat 202 est plus profonde dans la première zone que dans la deuxième zone.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur les figures 5L et 5L'.

Lors d'une étape suivante, le substrat 202 est structuré pour réunir les ouvertures dans la première zone et d'autre les ouvertures dans la deuxième zone. Cette structuration est par exemple réalisée par gravure isotrope.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur les figures 5M, 5M'.

Lors d'une étape suivante, l'oxyde des couches 204, 210 et 216 autour des éléments sensible est retiré par exemple par de l'acide fluorhydrique.

L'élément El ainsi obtenu est représenté sur la figure 5N et 5N'.

Un capot est fabriqué par ailleurs par exemple à partir d'un substrat 300 en silicium, un autre matériau semi-conducteur, voire un substrat, pourrait convenir.

Le substrat 300 est représenté sur la figure 50.

Une ouverture ou évidement 302 est réalisé en face avant du substrat, par exemple de 100 pm de profondeur, par exemple par photolithographie et gravure.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5P.

Lors d'une étape suivante, un cordon de scellement 304 est formé en face avant de sorte à entourer l'évidement. Le cordon est par exemple en matériau polymère et est par exemple déposé.

L'élément E2 ainsi obtenu est représenté sur la figure 5Q.

Lors d'une étape suivante, l'élément El est scellé sur l'élément E2 de sorte que l'évidement soit en regard des éléments de mesure. Le scellement est par exemple réalisé par thermocompression.

D'autres types de scellement métalliques avec cordons permettant une thermocompression Au/Au ou, eutectique Au/Si pourraient être envisagés.

L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5R et forme le dispositif d'analyse. Les plots de contacts sont destinés à être reliés à un circuit électronique comportant à la fois les moyens de polarisation des éléments de mesure, de mesure des résistances électriques des éléments de mesure et de traitement des mesures pour déterminer la concentration en espèces gazeuses et éventuellement la pression du mélange.

Le dispositif d'analyse peut être utilisé dans tous les domaines mettant en oeuvre une analyse d'un mélange gazeux. Par exemple, dans le domaine automobile mettant en oeuvre des piles à combustible comme moyen de propulsion des véhicules automobiles, le dispositif d'analyse selon l'invention permet d'analyser avec une grande efficacité un mélange azote/hydrogène puisque l'hydrogène présente un libre parcours moyen, et donc un diamètre moyen de molécule plus important, que les libres parcours moyens de l'oxygène et de l'azote. Ce dispositif d'analyse permet alors de détecter une fuite, ou alors une détection d'explosif en détectant un dégagement d'hydrogène.

Claims (17)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif d'analyse de gaz, ledit gaz comprenant des molécules de diamètre moyen d, comportant :

   - n éléments de mesure (SI, S2, S3) suspendus à un support (1), n étant un entier supérieur ou égal à 2, chaque élément mesure (SI, S2, S3) étant suspendu à une distance (g_n) du support, ledit support étant destiné à former un thermostat à température constante, au moins les distances (g_n) auxquelles deux éléments de mesure (SI, S2, S3) sont suspendus étant différentes,

   -des moyens de chauffage (10) des n éléments de mesure,

   -des moyens de polarisation (6) des n éléments de mesure (SI, S2, S3), avantageusement en courant,

   -des moyens de mesure (8) de la résistance électrique de chacun des n éléments de mesure (SI, S2, S3), et

   - une unité de traitement (U) pour déterminer, à partir des valeurs de résistances électriques, des valeurs de conductivité thermique du gaz afin de calculer un paramètre (S) contenant le diamètre moyen de molécule d, et d'en déduire au moins la composition du gaz
2. 2. Dispositif d'analyse selon la revendication 1, dans lequel le gaz comportant deux espèces, l'unité de traitement (U) permet de déterminer en outre la pression du gaz.
3. 3. Dispositif d'analyse selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'unité de traitement calcule la conductivité thermique en régime continu (K_P^_œ) du gaz en même temps que le paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d.
4. 4. Dispositif d'analyse selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel n est supérieur ou égal à 3.
5. 5. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les n éléments suspendus sont des fils.
6. 6. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les n éléments suspendus sont des membranes.
7. 7. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 6, comportant au moins un canal (4) formé dans le support (1) et dans lequel les n éléments de mesure (SI, S2, S3) sont suspendus les uns à la suite des autres dans la direction du canal, le gaz étant destiné à s'écouler dans le canal.
8. 8. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 7, comportant n canaux formés dans le support, chaque élément suspendu étant suspendu dans un canal et les canaux étant tels qu'ils sont destinés à être alimentés par le gaz.
9. 9. Dispositif d'analyse selon les revendications 7 ou 8, comportant au moins un élément de mesure de référence suspendu dans un canal de référence contenant un gaz de référence, différent du gaz et connectés à l'unité de traitement de sorte à réaliser une mesure différentielle avec au moins un autre élément suspendu dans un canal autre que celui de référence .
10. 10. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 9, dans les moyens de chauffage comportent une piste conductrice électrique en contact avec chacun des n éléments de mesure et assurent le chauffage individuellement de chaque élément de mesure par effet Joule.
11. 11. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 10, comportant un capot (14) solidaire du support (1), avantageusement le capot (14) étant tel qu'une distance minimale (Gl) entre le fond du capot et les n éléments de mesure (SI) est supérieure à une plus grande distance séparant les n éléments de mesure du support.
12. 12. Dispositif d'analyse selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel les n éléments de mesure sont en Si ou en SiN + Pt.
13. 13. Procédé d'analyse de gaz, ledit gaz comprenant des molécules ayant un diamètre moyen d, à partir des mesures des résistances électriques de n élément suspendus par rapport à un support formant un thermostat à température constante, les distances séparant au moins deux éléments suspendus du support étant différentes,

    - chauffage des n éléments de mesure,

    - polarisation des n élément de mesure,

    - mise en contact des n éléments de mesure avec le gaz à analyser,

    -mesure de la résistance électrique de chacun des n éléments de mesure,

    - détermination de la conductivité thermique du gaz à partir des valeurs de résistances électriques,

    - détermination d'un paramètre contenant le diamètre moyen de molécule,

    - détermination de la composition du gaz et éventuellement de sa pression.
14. 14. Procédé d'analyse selon la revendication 13, dans lequel une conductivité thermique en régime continu (Kp^œjdu gaz est déterminée en même temps que le paramètre contenant le diamètre moyen de molécule d.
15. 15. Procédé d'analyse selon la revendication 13 ou 14, dans lequel le gaz est un mélange d'une première espèce et d'une deuxième espèce ayant pour diamètre moyen de molécule respectivement dA et de respectivement, dans lequel le paramètre (S) est égal à d²xP, P étant la pression du gaz et d = XAdA + xede, et dans lequel les concentrations des deux espèces et de la pression du gaz sont déterminées.
16. 16. Procédé d'analyse selon la revendication 13 ou 14, dans lequel le gaz a une pression connue et est un mélange d'une première espèce, d'une deuxième espèce et d'une troisième espèce ayant pour diamètre moyen de molécule respectivement dA, de et de respectivement, dans lequel le paramètre (S) est égal à d²xP et

    5 d = XAdA + xede + xede et dans lequel les concentrations des trois espèces sont déterminées.
17. 17. Procédé d'analyse selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel les espèces du gaz présentent des diamètres moyens de molécules suffisamment

    10 différents, les espèces étant choisies par exemple au moins parmi l'azote et l'hydrogène ou parmi l'azote et l'hélium.

    S.61148

    1/7

    1 FIG.1

    D2

    S1 λ S2 F 4’

    S3

    X