WO2003036252A2 - Ensemble de capteur fonctionnant a haute temperature et procede de montage - Google Patents

Abstract

L'invention concern les capteurs de grandeur physiques fonctionnant à haute température, tels que les capteurs qu'on peut utiliser pour mesurer la pression à l'intérieur de moteurs thermiques dans des véhicules, des aéronefs ou même des fusées. Le capteur (10) est un capteur micro-usiné comprenant au moins une plaquette (22) pourvue de plots de connexion électrique (18). Pour monter ce capteur d'une manière étanche dans une traversée de paroi susceptible d'être portée à une haute température d'environ 200°C ou plus, on raccorde le capteur à l'extrémité d'un câble (30) résistant à cette haute température, le câble comprenant plusieurs conducteurs électriques (36) noyés dans un isolant (34) maintenu dans une gaine (32), la gaine passant dans la traversée de paroi, les conducteurs électriques dépassant à l'extrémité de la gaine et étant soudés directement sur les plots de la plaquette (22). La gaine est montée de manière étanche dans la traversée de paroi.

Description

ENSEMBLE DE CAPTEUR FONCTIONNANT A HAUTE TEMPERATURE

ET PROCEDE DE MONTAGE

L'invention concerne les capteurs de grandeur physiques fonctionnant à haute température, tels que les capteurs qu'on peut utiliser pour mesurer la pression à l'intérieur de moteurs thermiques dans des véhicules, des aéronefs ou même des fusées. Les hautes températures concernées sont des températures de l'ordre de 200°C, ou même plusieurs centaines de degrés celsius.

En raison de l'environnement difficile dans lequel ces capteurs doivent travailler, on doit concevoir non seulement une structure de capteur bien adaptée à ces conditions, mais également un moyen de montage du capteur dans la zone où la grandeur physique doit être mesurée, et un moyen pour transmettre au dehors de cette zone les mesures effectuées.

On décrira l'invention à propos d'une application typique qui est la mesure de pression dans une chambre de combustion d'un moteur thermique, étant entendu que l'invention est applicable à d'autres capteurs et d'autres applications dans lesquelles les conditions d'environnement difficiles rendent l'invention avantageuse.

Pour mesurer la pression dans une chambre de combustion, la partie active du capteur doit être placée dans la chambre à haute température (par exemple environ 500°C) mais bien entendu on souhaite transmettre la mesure, sous forme d'un signal électrique représentant cette mesure, vers l'extérieur de la chambre. Des traversées dans la paroi qui délimite la chambre seront donc nécessaires pour faire passer de la chambre vers l'extérieur des conducteurs électriques transmettant le signal de mesure. D'autre part le capteur aura le plus souvent besoin, pour pouvoir fournir un signal de mesure électrique, d'une alimentation en énergie électrique. Des traversées dans la paroi sont nécessaires également pour faire passer de l'extérieur vers la chambre des conducteurs d'alimentation.

A l'extérieur de la paroi de la chambre, les conducteurs doivent être raccordés à un ou plusieurs câbles de transmission reliant le capteur d'une part à une source d'alimentation et d'autre part à un organe d'exploitation du signal de mesure (typiquement, cet organe est un calculateur capable de lire et d'interpréter le niveau de tension qui se présente sur les conducteurs de sortie du capteur).

Le problème qui se pose est alors la réalisation du montage du capteur sur la paroi avec sa partie active à l'intérieur de la chambre et des traversées pour les conducteurs d'alimentation et de sortie.

Le problème est particulièrement crucial lorsque la paroi de la chambre est mince et que, de ce fait, la température de la paroi à l'extérieur de la chambre reste très élevée.

Les solutions actuelles utilisent des boîtiers métalliques pourvus d'embases munies de traversées verre/métal ou céramique/métal faisant communiquer le capteur proprement dit d'un côté de l'embase et des broches de connexion de l'autre côté. Ces boîtiers sont chers et volumineux. Pour les parois minces citées ci-dessus, dépourvues de source froide à l'extérieur de la paroi (moteurs d'avion), les broches extérieures doivent être raccordées à un câble haute température. L'ensemble est coûteux et volumineux.

C'est pourquoi la présente invention propose d'une part un ensemble d'un capteur de grandeur physique et d'un câble résistant à des hautes températures, et d'autre part un procédé de montage. L'ensemble d'un capteur de grandeur physique et d'un câble selon l'invention est caractérisé en ce que le câble comporte plusieurs conducteurs électriques noyés dans une matière isolante résistant aux hautes températures et une gaine métallique enfermant les conducteurs et la matière isolante, cette gaine résistant également aux hautes températures, les extrémités des conducteurs dépassant de la matière isolante à l'extrémité du câble et étant directement soudées sur des plots de contact d'alimentation et d'entrée/sortie d'une puce micro-usinée formant le capteur proprement dit.

Le prodédé de montage selon l'invention est un procédé pour monter un capteur de grandeur physique d'une manière étanche dans une traversée d'une paroi susceptible d'être portée à une haute température d'environ 200°C ou plus, le capteur étant un capteur micro-usiné comprenant au moins une plaquette pourvue de plots de connexion électrique, caractérisé en ce que :

- on raccorde le capteur à l'extrémité d'un câble résistant à cette haute température, le câble comprenant plusieurs conducteurs électriques noyés dans un isolant maintenu dans une gaine, la gaine passant dans la traversée de paroi, les conducteurs électriques dépassant à l'extrémité de la gaine et étant soudés directement sur les plots de la plaquette, - et on fait passer la gaine dans la traversée de paroi en assurant l'étanchéité de la chambre au niveau de la traversée.

L'invention consiste donc à souder les plots de contact d'un capteur micro-usiné directement sur les extrémités conductrices d'un câble de liaison multiconducteur (mesurant au moins plusieurs centimètres ou plusieurs dizaines de centimètres de long, la longueur étant dictée par l'application), et à mettre en place le capteur à l'endroit désiré, notamment dans une chambre à haute pression et/ou haute température, le câble de liaison passant alors à travers une paroi de la chambre.

La gaine métallique peut elle-même être localement entourée, à l'endroit qui correspondra à la traversée de la paroi d'une chambre dans laquelle on mesure la grandeur physique, par une autre gaine enserrant étroitement la première gaine. Cette deuxième gaine réalisera l'étanchéité de la traversée de la paroi.

Le capteur et une partie du câble résistant aux hautes températures seront placés à l'intérieur de la chambre ; une autre partie du câble sera dans la traversée de la paroi, et enfin le reste du câble sera à l'extérieur de la chambre et s'étendra au moins sur toute la distance sur laquelle un câble résistant aux hautes températures est nécessaire compte- tenu de la température de la paroi à l'extérieur de la chambre (par exemple plusieurs dizaines de centimètres).

Le matériau isolant constituant le câble est de préférence un matériau minéral ; ce peut être de la magnésie.

Le capteur est de préférence un capteur de pression micro-usiné en silicium dont la partie active est une membrane de silicium. La soudure des conducteurs électriques sur les plots du capteur est de préférence une soudure électrolytique, c'est-à-dire par dépôt de métal par trempage des plots et des extrémités de conducteurs dans une solution ionisée contenant ce métal, en présence ou non d'un courant électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquel :

- la figure 1 représente une coupe d'un ensemble d'un câble et d'un capteur selon l'invention ;

- les figures 2 à 4 représentent des exemples de montage du capteur dans une chambre, le câble traversant la paroi de la chambre.

La coupe de la figure 1 représente l'ensemble selon l'invention. Le capteur proprement dit, capteur de pression 10 dans cet exemple, est réalisé par micro-usinage, et de préférence micro-usinage d'une puce de circuit- intégré, comportant à la fois des éléments mécaniques sensibles à la pression (membrane 12 fermant une cavité 14), des éléments électrique de détection (jauges de contrainte 16 sur la membrane, à l'extérieur ou à l'intérieur de la cavité), des conducteurs d'interconnexion déposés et gravés sur la puce, et des plots de contact d'alimentation et ou d'entrée/sortie 18 également déposés et gravés. Une isolation partielle des conducteurs par une ou plusieurs couches isolantes 20 (silice, nitrure, etc.) peut encore être prévue, ainsi que des couches de passivation finale également isolantes. Dans cet exemple, la puce est constituée par deux plaquettes 22 et 24 accolées, ce qui permet de réaliser en particulier la cavité et la membrane ; la plaquette 22 est en silicium, la plaquette 24 peut être en silicium ou en verre par exemple. D'autres configurations de puce sont possibles, par exemple à base de quartz ou de carbure de silicium. Pour un accéléromètre, il n'y aurait pas de cavité fermée par une membrane, mais plutôt une masse sismique reliée par des bras flexibles. Au lieu de jauges de contrainte, on peut avoir des capacités et des éléments résonants.

Le capteur proprement dit ainsi constitué par les plaquettes 22 et 24 et les éléments électriques déposés sur la plaquette 22, est fixé solidement à l'extrémité d'un câble haute température, la fixation incluant un raccordement électrique entre des conducteurs du câble et les plots de contact 18.

La fixation est pour cela réalisée par soudure directe des extrémités de conducteurs du câble et les plots 18. Le câble haute température 30 comprend essentiellement une gaine métalllique 32 (par exemple de l'inox) enfermant un isolant minéral 34 résistant aux hautes températures, notamment une poudre minérale compactée qui peut être de la magnésie. Dans cet isolant sont noyés des conducteurs électriques 36 qui débouchent hors de l'isolant à l'extrémité du câble. Les extrémités débouchantes des conducteurs 36 sont désignées par la référence 38. La gaine du câble peut être fermée par une couche isolante étanche 40 à travers laquelle passent les extrémités 38 des conducteurs. Cette couche doit résister aux hautes températures et peut être en verre ou vitro-céramique, mis en place par dépôt de poudre et refusion à haute température.

Typiquement, les conducteurs ont un diamètre de 0,3 mm, et la gaine 32 en acier inoxydable a un diamètre extérieur de 2 mm, ce qui montre le très faible encombrement de l'ensemble. Les extrémités des conducteurs sont soudées directement sur les plots 18 du capteur. La soudure est de préférence une soudure électrolytique. C'est un dépôt de métal ou de métaux (alliage de métaux ou dépôt de plusieurs métaux successifs) sur des zones conductrices, obtenu par migration d'ions métalliques en provenance d'une solution liquide dans laquelle on a trempé à la fois les plots 18 et les extrémités 38 des conducteurs alors que ces extrémités sont en contact électrique avec les plots. La migration peut être provoquée soit par le passage d'un courant électrique (bain électrolytique classique avec électrodes d'amenée de courant), soit par réaction chimique sans alimentation en courant (dépôt dit « electroless »).

La disposition spatiale des extrémités de conducteurs est telle que lorsqu'on rapproche le capteur de l'extrémité du câble 30, chaque extrémité 38 vient s'appuyer en contact direct (mécanique et électrique) respectivement avec un plot de contact 18 du capteur. On plonge les extrémités de conducteurs dans un bain électrolytique, en les maintenant en contact avec les plots également plongés dans le bain, pour qu'un dépôt métallique conducteur se forme, par migration électrolytique, à la fois sur les plots et sur les extémités de conducteurs. L'opération de dépôt électrolytique (avec ou sans courant électrique pour réaliser l'électrolyse) est poursuivie jusqu'à ce que l'épaisseur de métal déposé soit suffisante pour assurer une liaison mécanique rigide entre chacune des extrémités de conducteur et un plot correspondant du capteur.

Le métal ne se dépose pas sur les parties non conductrices, et c'est d'ailleurs pourquoi il est souhaitable que seules les plots du capteur soient dénudés, le reste de la puce étant de préférence recouvert d'une couche de passivation. Le métal déposé par électrolyse peut être notamment du cuivre ou de l'or, ou du nickel, mais d'autres métaux sont possibles. Plusieurs métaux peuvent être déposés. Un alliage de métaux ou un co-dépôt de deux ou plusieurs métaux peut aussi être envisagé. Les plots de connexion peuvent être en or ou aluminium ou en d'autres métaux ou combinaison de métaux (plusieurs couches métalliques superposées parfois). Si le dépôt est fait par électrolyse classique avec passage de courant dans une solution contenant des ions métalliques, on s'arrange pour connecter toutes les extrémités de conducteurs 38 ensemble pendant le temps de l'électrolyse (de préférence par l'autre extrémité du câble, c'est-à-dire par une partie qui ne plonge pas dans le bain électrolytique). Une différence de potentiel d'électrolyse appropriée est appliquée entre ces conducteurs et une autre électrode plongeant dans le bain.

Un dépôt electroless est également possible ; dans ce cas l'électrolyse se produit par simple réaction chimique entre les conducteurs ou plots de contact et la solution ionique du bain électrolytique, sans application de différences de potentiel externes.

L'épaisseur de dépôt de métal sur les broches peut-être de quelques dizaines de micromètres ou plus pour assurer une soudure mécanique rigide entre les conducteurs et la surface du capteur. Le métal déposé, recouvrant les extrémités de conducteur qui ont plongé dans le bain est désigné par la référence 42.

Après électrolyse, il est souhaitable de recouvrir le métal déposé d'une couche de passivation (non représentée) en un matériau résistant aux hautes températures. La solution préférée est une oxydation ou une nitruration superficielle du métal. Dans un exemple particulier, le métal déposé électrolytiquement est successivement du cuivre puis du tantale et la couche isolante superficielle est de l'oxyde de tantale, particulièrement résistant à la pénétration d'humidité, à la salinité de l'air, et aux agents corrosifs, même à haute température. On peut également utiliser du verre fusible comme couche de passivation.

Comme on le verra plus loin, il est préférable de prévoir qu'une deuxième gaine métallique 44 enserre très étroitement la première gaine 32, la deuxième gaine servant à assurer l'étanchéité lorsque le câble est inséré dans la traversée d'une paroi de chambre à haute température. La deuxième gaine 44 est dans cet exemple également en inox.

Elle est soudée ou brasée à la première gaine à la périphérie de cette dernière (soudure 46). La deuxième gaine peut comprendre une collerette 48 permettant d'appuyer le câble contre la paroi de la chambre dans laquelle doit pénétrer le capteur. La deuxième gaine peut être filetée, ou pourvue de tout moyen désiré pour la fixation à la paroi de la chambre.

Sur la figure 2, on a représenté un premier exemple de montage de l'ensemble selon l'invention pour mesurer une grandeur physique (notamment la pression) à l'intérieur d'une chambre à haute température 50. La chambre est fermée par une paroi 52 munie d'une traversée 54 à travers laquelle peut passer le câble 30 à l'extrémité duquel est soudée la puce de capteur 10. Le capteur est situé dans la chambre 50.

Dans cet exemple, la traversée 54 est filetée. La gaine métallique 32 du câble est enserrée par une deuxième gaine métallique 44 (comme à la figure 1) mais cette deuxième gaine comporte un filetage extérieur adapté au filetage de la traversée. La deuxième gaine est soudée à la première, assurant l'étanchéité entre les gaines. La mise en place de l'ensemble câble+capteur se fait en intoduisant le capteur dans la traversée et en vissant le câble dans la traversée. Le filetage assure l'étanchéité de la chambre. La collerette 48 (lorsqu'elle existe) peut participer à cette étanchéité, et un joint annulaire peut être inséré entre la collerette et la paroi de la chambre pour renforcer l'étanchéité.

Dans l'exemple de la figure 3, le montage se fait exactement de la même manière. Mais, alors que sur la figure 2 la gaine extérieure 44 est soudée à la gaine intérieure 32 du côté intérieur à la chambre, au contraire sur la figure 3 la gaine extérieure est soudée à la gaine intérieure du côté extérieur à la chambre ; à l'intérieur de la chambre, la gaine intérieure est relativement libre par rapport à la gaine extérieure du côté tourné vers l'intérieur de la chambre, ce qui permet de réaliser un meilleur découplage mécanique entre le capteur et les points de fixation du câble sur la paroi. Pour améliorer le découplage, on peut également prévoir que les extrémités de conducteur du câble sont suffisamment longues (4 millimètres par exemple) et même de formes non droites (formant un peu ressort), de manière à augmenter leur souplesse vis-à-vis de mouvements du capteur, évitant ainsi de transmettre à la partie active du capteur des efforts excessifs ou des vibrations indésirables, alors que la partie active, par sa nature même est particulièrement sensible aux contraintes mécaniques (en particulier dans le cas d'un capteur de pression).

La figure 4 représente une variante de montage, dans laquelle on ne visse pas le câble dans la paroi, mais on visse sur la paroi 52 (par exemple sur une saillie filetée 60 de la paroi) un écrou 62 qui vient serrer le câble en place dans la traversée 54. L'écrou peut plaquer la collerette 44, si elle existe, contre la paroi ou contre la saillie, par l'intermédiaire d'un joint 64 assurant l'étanchéité. L'avantage est que le câble ne tourne pas lors du vissage, alors qu'il tourne dans les exemples des figures 2 et 3. L'invention est applicable non seulement aux capteurs de pression, mais à d'autres types de capteur pouvant fonctionner en environnement à haute température (magnétomètres, gyromètres, accéléromètres, détecteurs de gaz, etc.).

Dans ce qui précède on a considéré que le capteur était placé dans une chambre fermée séparée d'un milieu extérieur ouvert. Il est entendu que la chambre pourrait être ouverte, le milieu extérieur étant fermé. Par exemple dans le cas d'une application de forage pétrolier à grande profondeur, la chambre serait le milieu environnant à haute température et haute pression, le milieu extérieur vers lequel on envoie des signaux de mesure par le câble étant une boîte fermée contenant une électronique de traitement.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour monter un capteur de grandeur physique d'une manière étanche dans une traversée de paroi susceptible d'être portée à une haute température d'environ 200°C ou plus, le capteur (10) étant un capteur micro-usiné comprenant au moins une plaquette (22) pourvue de plots de connexion électrique (18), caractérisé en ce qu'on raccorde le capteur à l'extrémité d'un câble (30) résistant à cette haute température, le câble comprenant plusieurs conducteurs électriques (36) noyés dans un isolant (34) maintenu dans une gaine (32), la gaine passant dans la traversée de paroi, les conducteurs électriques dépassant à l'extrémité de la gaine et étant soudés directement sur les plots de la plaquette, la gaine étant montée de manière étanche dans la traversée de paroi.

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la gaine (32) est une gaine métallique et l'isolant est un isolant minéral.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gaine (32) est en inox.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'isolant est une poudre d'oxyde compactée, notamment de la poudre de magnésie.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conducteurs sont soudés aux plots par soudure électrolytique.

6. Ensemble d'un capteur de grandeur physique et d'un câble de connexion, caractérisé en ce que le câble comporte plusieurs conducteurs électriques (36) noyés dans une matière isolante (34) résistant aux hautes températures et une gaine métallique (32) enfermant les conducteurs et la matière isolante, cette gaine résistant également aux hautes températures, les extrémités (38) des conducteurs dépassant de la matière isolante à l'extrémité du câble et étant directement soudées sur des plots (18) de contact d'alimentation et d'entrée/sortie d'une puce micro-usiπée formant le capteur proprement dit.

7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la gaine métallique (32) est elle-même entourée, à l'endroit qui correspondra à la traversée de la paroi d'une chambre dans laquelle on mesure la grandeur physique, par une autre gaine (44) enserrant étroitement la première gaine, la deuxième gaine assurant un montage étanche du câble dans la traversée de la paroi.