Capteurs capacitifs de mesure d'humidité et procédé de fabrication de tels capteurs.
L'invention concerne une nouvelle technologie de réalisation de capteurs capacitifs, plus particulièrement destinés à la réalisation de mesures d'humidité relative. On verra que la technologie et des modes de réalisation décrits dans le cadre de la présente invention peuvent s'appliquer à la réalisation de capteurs pouvant être utilisés pour réaliser d'autres mesures.
On connaît plusieurs méthodes de réalisation de capteurs capacitifs et l'utilisation de tels capteurs pour la réalisation de mesures d'humidité.
La technologie utilisée consiste à réaliser deux électrodes planes, électrodes entre lesquelles on place un matériau dont les caractéristiques diélectriques sont modifiées par la présence (ou non) d'humidité dans l'air ambiant. La modification des caractéristiques du diélectrique provoque une variation de la capacité du condensateur ainsi réalisé, si bien que le signal de sortie donne une information sur la teneur en humidité de l'air. Le traitement de ce signal de sortie ne pose pas de problème particulier, il est réalisé par l'exemple à l'aide d'un circuit R-C ou R-L-C.
Selon une technique de l'art antérieur, une des électrodes est réalisée par dépôt d'une couche métallique sur un substrat isolant et l'autre par une fine couche métallique sur le diélectrique. Dans un mode de réalisation couramment utilisé, on procède à une métallisation sous vide ce qui donne une très faible épaisseur de métal. Pour qu'un capteur capacitif fonctionne comme un capteur d'humidité, il est en effet indispensable que l'air humide que l'on cherche à caractériser puisse pénétrer à l'intérieur du condensateur de façon à influencer le diélectrique. On comprend donc qu'il faille réaliser une électrode poreuse particulièrement fine. Si l'on réalise cette électrode en métal, compte tenu
de la structure atomique des métaux, la limite entre la continuité électrique et l'étanchéité est atteinte pour des épaisseurs de l'ordre de 1/100 microns, et ceci quel que soit le métal utilisé (en général, chrome, nickel ou or). Outre une relative fragilité du capteur, ce mode de réalisation implique de nombreux inconvénients ; ne particulier, la réalisation d'une connexion fiable entre cette électrode particulièrement fine et le circuit de mesure est extrêmement délicate. Par ailleurs, on constate que les capteurs capacitifs actuellement réalisés nécessitent une succession d'opérations minutieuses et délicates ; on dépose dans un premier temps du métal sur un substrat et ce sur deux zones distinctes, une zone servant de première électrode et l'autre étant utilisée comme contacteur pour la deuxième électrode. L'ensemble est alors recouvert par un film diélectrique, lequel est interrompu au niveau de la zone de contact ménagée pour la deuxième électrode. Enfin, on procède à la mise en lace de la deuxième électrode, c'est-à-dire au dépôt d'un film de métal sur une épaisseur de l'ordre du centième de micron. Bien entendu, il est indispensable d'ajuster la surface utile d'au moins une électrode de façon à obtenir la capacité désirée pour un taux d'humidité donné. Différentes méthodes ont été proposées pour réaliser cette calibration a posteriori ; on citera notamment le brevet français FR-2 687 834 (CORECI) qui prévoit une pluralité de ponts susceptibles d'être déconnectés et le brevet anglais GB-2 213 323 (VAISALA) qui préconise d'ajuster la surface utile d'une électrode en 1 ' isolant par procédé laser à travers le substrat sans modifier le diélectrique. Dans tous les cas, le procédé est le même ; on réalise un capteur capacitif selon le procédé décrit ci-dessus en prenant un maximum de précautions puis on mesure ses performances et l'on procède ensuite aux ajustements indispensables pour obtenir une réponse utilisable.
En tout état de cause, les capteurs capacitifs réalisés selon les procédés décrits ci-dessus, ont tendance à se comporter comme des "éponges", c'est-à-dire que leurs matériaux constitutifs s'imprègnent d'air humide (notamment à l'interface substrat/métal de la première électrode), si bien qu'ils présentent une certaine hystérésis et que leur réponse peut être erronées dans les minutes ou les heures qui suivent une exposition dans une atmosphère saturée d'humidité, voire une immersion dans un liquide. Le caractère imparfait et insatisfaisant des capteurs capacitifs de mesure d'humidité est donc particulièrement probant : les capteurs sont particulièrement fragiles, leur précision reste de l'ordre de 10 % sur la valeur mesurée, ils ne sont pas interchangeables, ils sont sujets à la saturation et leur procédé de fabrication est à la fois long, délicat et onéreux.
Un autre type de capteur capacitif de mesure d'humidité est décrit dans le document US-5 177 662. Ce capteur comprend deux électrodes poreuses réalisées sous la forme d'une couche polymère poreuse rendue conductrice par inclusion de particules conductives telles que des particules de carbone. La résistance efficace de ces électrodes est cependant de l'ordre de 15 000 Ω.
Le diélectrique utilisé est un film polymère absorbant d'environ 10 μm d'épaisseur, tel que du polyimide ou de l'acide polyparabanique.
Ce capteur présente donc une structure entièrement poreuse .
L'invention propose de réaliser des capteurs qui pallient à l'ensemble des inconvénients exposés ci-dessus.
Un objectif de la présente invention est de réaliser un capteur capacitif de mesure d'humidité dont la fabrication est simplifiée, notamment au niveau de l'assemblage des électrodes et du diélectrique et la fixation des contacts de prise d'information.
Un autre objectif de l'invention est de permettre de proposer des capteurs capacitifs particulièrement robustes et fiables et notamment ne subissant pas de dégradation ou de modification de leurs caractéristiques à l'issue de cycles gel-dégel ou après immersion.
Un autre objectif de l'invention est de permettre de réaliser des éléments sensibles souples adaptables à des supports de forme gauche ou courbe.
Un objectif complémentaire de l'invention est de permettre la réalisation d'éléments sensibles indépendants directement connectables sur de circuits de mesure passifs ou actifs.
Un autre objectif de l'invention est de proposer des capteurs présentant des tolérances de fabrication des valeurs de base de l'ordre de 0,25% permettant
1 ' interchangeabilité sans réétalonnage avec une tolérance métrologique de 1 ' ordre de 1% .
Un objectif complémentaire de l'invention et de proposer des capteurs capacitifs qui présentent un maintien de leurs performances et une désaturation instantanée après une phase en saturation (100% Hr) maintenue à long terme.
L'objectif final de l'invention est de prévoir des capteurs d'humidité dont le rapport performances (précision, robustesse, reproductibilité, fiabilité) /prix soit très sensiblement amélioré par rapport à la technologie existante. Ceci devrait permettre d'accéder à des applications en grandes séries telles que l'électroménager, la climatisation, l'automobile ou la péri-informatique tout en conservant une performance métrologique et une fiabilité élevées.
L'ensemble de ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide d'un capteur capacitif de mesure d'humidité comportant deux électrodes séparées par un matériau diélectrique, caractérisé en ce qu'une des électrodes est "'réalisée au moyen d'une feuille de métal non poreuse.
Avantageusement, l'autre électrode est constituée par un matériau poreux autre que métallique disposé en couche épaisse et rendu conducteur par inclusion d'une pluralité de particules conductrices de l'électricité. On a vu ci-dessus en référence à l'art antérieur que si elles étaient réalisées en métal, ces électrodes devaient satisfaire à deux critères difficilement compatibles entre eux ; d'une part, elles doivent présenter la perte de charge la plus faible possible (porosité) afin de mettre la matière composant le diélectrique (polymère) en équilibre avec le gaz environnant ; d'autre part, elles doivent assurer une continuité électrique. Ces résultats ne sont obtenus qu'en déposant un métal sous vide sur une épaisseur assez importante pour assurer la continuité électrique et suffisamment faible pour éviter que l'électrode ne se comporte comme un film continu interdisant tout échange gazeux, ce qui interdirait l'usage du condensateur en tant que capteur d'humidité. Selon la présente invention, cette contradiction est résolue en ce que l'une des électrodes est constituée par une feuille de métal non poreuse et l'autre par un matériau poreux non métallique disposé en couche épaisse et rendu conducteur par inclusion d'une pluralité de particules conductrices de l'électricité. Le terme poreux est ici employé dans le sans de non totalement étanche à la vapeur d ' eau .
L'utilisation d'une électrode sous la forme d'une feuille de métal non poreuse offre plusieurs avantages : tout d'abord, le feuillard métallique qui est un métal massif, sert directement de substrat pour le dépôt du diélectrique, alors que dans l'art antérieur, le métal est déposé sous vide sur un substrat de verre par exemple, ce qui entraîne des hétérogénéités dans le dépôt, aussi bien au niveau de sa nature que de son niveau. En effet, lorsque le métal est déposé, il ne recouvre ni uniformément ni totalement la surface du substrat : il y a ' donc à des endroits des lacunes métalliques et à d'autres des
vaguelettes dues à une surépaisseur de dépôt. Tous ces inconvénients sont éliminés avec l'invention en utilisant un feuillard parfaitement laminé avec un fini poli miroir qui est donc un matériau unique et continu exempt de tout décalage de niveau. En outre, ce feuillard massif fait office de barrière de sorte que la vapeur d'eau reste piégée dans le diélectrique et non dans l'électrode.
De façon préférentielle, le matériau constituant l'électrode poreuse sera choisi parmi les polymères, ce qui permet d'obtenir une absence d ' étanchéité, y compris sur une épaisseur relativement importante (préférentiellement de l'ordre de 25 à 100 microns) . Ce matériau sera rendu conducteur par dopage, c'est-à-dire par inclusion dans la masse de particules conductrices de l'électricité, par exemple métalliques. Une résistivité d'environ 10 à 50 Ω sera par exemple appropriée. Un résultat identique pourra être obtenue en choisissant un quelconque matériau plastique dans une épaisseur telle qu'il ne soit pas totalement étanche, ledit matériau étant rendu conducteur de l'électricité par tout moyen approprié.
Une autre caractéristique avantageuse des capteurs selon l'invention est qu'ils comportent un diélectrique constitué par un film polymère déposé sous forme d'une pluralité de couches d'épaisseur inégales ; ce procédé permet de mieux maîtriser l'épaisseur finale et la régularité du diélectrique, ce qui a des conséquences fastes sur la précision des condensateurs ainsi réalisés. Cette disposition contribue à l'obtention de condensateurs ayant une sensibilité (Delta C sur C) constante et donc facilement interchangeables entre eux. Il doit être noté qu'un tel film polymère diélectrique peut être utilisé et mis en oeuvre avec tous types d'électrodes, y compris celles de l'art antérieur réalisés par dépôt métallique.
Malgré ces précautions, on constate que l'on obtient pas toujours une précision optimale sur la valeur de" la capacité pour un taux d'humidité donné. Compte tenu du procédé de
fabrication, l'ajustement du condensateur peut être réalisé très facilement et très rapidement : il suffit en effet de réduire la surface utile de l'électrode poreuse jusqu'à obtention de la valeur recherchée ; cette opération peut se faire par simple grattage ou érosion du matériau constituant l'électrode poreuse.
On comprend que l'on obtient selon ce mode de fabrication des capteurs d'un prix de revient industriel particulièrement faible. Outre leurs qualités de précision et de reproductibilité, ces condensateurs se révéleront particulièrement solides et pourront résister sans dommages à d'importantes et différentes contraintes mécaniques et/ou thermiques. Ils présenteront une grande souplesse, ce qui permettra de les utiliser sur des surfaces autres que planes. Enfin, la prise d'informations se fera très simplement, préférentiellement par contacts directs sur l'une et l'autre des deux électrodes. Ceci permet de proposer des condensateurs souples, destinés à être placés par simple clipsage sur des circuits ou dans des ensembles existants. Incidemment, on remarquera que ce mode de prise d'informations était irréalisable avec les condensateurs réalisés selon l'art antérieur, la faible épaisseur et la fragilité de l'électrode métallique poreuse interdisant toute mise en place d'une liaison filaire sur ladite électrode.
Au-delà des condensateurs à usage de capteurs d'humidité, la présente invention porte sur le procédé de fabrication de ces capteurs. Ce procédé porte, pour le mode de réalisation préférentiel sur l'empilement successif d'une feuille métallique en tant que substrat de base, d'un film polymère diélectrique poreux et d'une couche de polymère poreux dopé. Les condensateurs élémentaire sont donc obtenus par découpage des empilements ci-dessus décrits. Il est possible d'ajuster la valeur de la capacité en jouant sur la surface utile de l'une au moins des électrodes .Enfin, la prise d'informations peut être réalisée par simple contacts
sur les faces externes des électrodes, si bien que les condensateurs selon l'invention n'ont pas besoin d'être munis de câbles de liaison.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention et d'une variante, donnés à simple titre indicatif, et des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe d'un capteur capacitif selon l'invention, selon le mode de réalisation préférentiel, et la figure 2 représente une vue en coupe d'un capteur capacitif selon une variante à deux électrodes poreuses.
On constate sur la figure 1 que les condensateurs selon l'invention sont réalisés par empilement d'une feuille de métal utilisée comme première électrode 3a, d'un film polymère 2 de faible épaisseur (environ 2 microns), ledit film étant préférentiellement réalisé par empilements de films d'épaisseurs inégales, et d'une deuxième électrode 1 réalisée en matériau autre que métallique (exemple, polymère) dopé, ladite deuxième électrode présentant une épaisseur d'environ 100 microns et une résistance efficace de l'ordre de 10 à 50 Ω. Les contacts de prises d'informations 4 et 5 sont réalisés directement respectivement sur les électrodes 1 et 3a.
Dans le procédé de fabrication, la feuille de métal sert directement de substrat de base pour le dépôt du diélectrique 2 et de 1 ' électrode poreuse 1. Dans le cadre d'une fabrication en séries industrielles, cette feuille sera choisie de grandes dimensions, et le complexe ainsi réalisé sera découpé aux dimensions exactes des condensateurs .
Dans une variante représentée sur la figure 2, on pourra choisir de réaliser des condensateurs munis par exemple de deux électrodes poreuses, séparées par un film polymère diélectrique multicouche réalisé par dépôt de couches
d'épaisseurs différentes. On réalisera donc l'empilement suivant : une couche de polymère rendu condensateur de l'électricité par dopage. - un film de polymère multicouche une couche de polymère rendu conducteur de l'électricité par dopage .
Là encore la prise d'information se fera par contacts directs sur les deux électrodes poreuses. de tels condensateurs constitueront des capteurs d'humidité particulièrement performants ; en particulier, ils seront en osmose pratiquement totale avec le milieu, d'où une sensibilité encore améliorées et des temps de réponse particulièrement courts. Bien entendu, la description ci-dessus est donnée à simple titre indicatif et l'on pourra choisir d'autres modes de réalisation des condensateurs et notamment différentes dimensions, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.