WO2011023916A1 - Capteur microsystème de mesure ou de détection d'encrassement - Google Patents

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WO2011023916A1
WO2011023916A1 PCT/FR2010/051790 FR2010051790W WO2011023916A1 WO 2011023916 A1 WO2011023916 A1 WO 2011023916A1 FR 2010051790 W FR2010051790 W FR 2010051790W WO 2011023916 A1 WO2011023916 A1 WO 2011023916A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
sensor
temperature measuring
thermal
temperature
Prior art date
Application number
PCT/FR2010/051790
Other languages
English (en)
Inventor
Jonathan Crattelet
Laurent Auret
Ali Boukabache
Daniel Esteve
Luc Fillaudeau
Original Assignee
Neosens
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Neosens filed Critical Neosens
Publication of WO2011023916A1 publication Critical patent/WO2011023916A1/fr

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/008—Monitoring fouling

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring or detecting the fouling of a reactor or a pipe containing a compressible or incompressible fluid in circulation.
  • These installations generally comprise a circulation of fluids (pump, agitation), conduits in which fluids circulate and may also include reactors (in the unitary operating sense as defined by the Industrial Process Engineering), for example parietal heat exchangers (conductive-convective transfer) either tubular or plate.
  • reactors in the unitary operating sense as defined by the Industrial Process Engineering
  • parietal heat exchangers conductive-convective transfer
  • the fouling of such installations can be detrimental insofar as it affects the performance of the unit operation and therefore of the entire process (for example, the drop in the global coefficient of heat exchange implies also a decrease in the energy efficiency of the process).
  • Fouling of equipment leads to a deterioration in the performance of unit operations in terms of heat transfer, material or momentum.
  • fouling when fouling is formed on the inner wall of a pipe or a reactor, it should be cleaned at the right time. Cleaning operations are either unavoidable to maintain the proper functioning of a process (eg chemical industries), or mandatory to ensure the quality and safety of products (eg: agro-food industries). However, this fouling must be continuously detectable by the operators or the maintenance staff of the installation in order to be able to assess, as part of preventive maintenance, the best time to carry out cleanings.
  • This de-clogging has a significant economic cost since it is appropriate to include in the cost of maintenance operations the cost of the temporary shutdown of the operation.
  • Legionella pneumophila is conceivable and statistically coupled to the drift in the thickness of the biofilm in the sense of the health risk assessment.
  • Hydraulic methods involve a measurement of the pressure drop generated along the process. The appearance of a deposit reduces the passage section and induces the increase of the pressure drop.
  • the thermal methods are based on the measurement of the overall exchange coefficient or, in the absence of a simple drift, of the logarithmic difference of the inlet and outlet temperatures of the primary and secondary fluids.
  • Document FR 2 885 694 discloses a method for locally and on-line measurement of fouling in a reactor or pipe that uses two temperature probes.
  • these two probes are introduced into a pipe respectively through two stitching points and one of these probes measures the temperature of the fluid, while the other probe measures the wall temperature of a heat generator.
  • this method it is made, first, to obtain a temperature difference between the wall temperature and the fluid temperature as close to zero as possible.
  • a heat generator emits a flow while the temperature difference between the wall temperature and that of the fluid is measured over time, the reactor fouling being determined from the measurement of this temperature difference.
  • the subject of the present invention is thus a measurement or fouling detection sensor produced according to microelectronic manufacturing technologies, comprising, arranged on one and the same face of a thermal conductive substrate:
  • At least one heating element which is able to generate, on command, a controlled homogeneous heat flow and to diffuse it into the substrate
  • At least one temperature measuring element which is subjected to the action of the thermal flux diffused by the substrate
  • the senor comprising, arranged on the opposite face of the substrate, at least one element or interface material,
  • the sensor further comprising at least one other temperature measuring element which is thermally insulated from the at least one heating element.
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are one and the same element. This element is therefore able both to generate a heat flux and to measure a temperature.
  • the microsystem sensor according to the invention may comprise a single temperature measuring element or two temperature measuring elements as described below.
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element are two different elements of the microsystem sensor according to the invention.
  • the sensor may comprise only one temperature measuring element or two temperature measuring elements as described below.
  • said at least one other temperature measuring element (Tb) is not disturbed by the heat flux generated by said at least one heating element since it is thermally insulated from the latter.
  • microelectronic technology makes it possible to manufacture on a single plate or "wafer” a large number of devices / sensors, for example, several thousand. Thus, the reproducibility is ensured from one device / sensor to another on the same plate, which avoids the problems of dispersion during manufacture.
  • the devices / sensors thus manufactured in series of several thousands at a time are therefore more reliable in their operation and less expensive to produce.
  • the micro-system sensor has reduced dimensions and therefore reduced thermal inertia, which makes it possible to reduce its response time;
  • the measurement element or elements are much more sensitive in the miniaturized sensor, which makes it possible to reduce the limit of detection and quantification;
  • the microsystem sensor has a greater sensitivity in measuring the thickness of a fouling layer in terms of detection limit (for example of the order of a few microns instead of a few hundred microns in the case of a deposit characterized by a thermal conductivity close to that of water), which makes it possible to improve its accuracy;
  • the microsystem sensor is able to provide a fouling thickness to a few ⁇ m in the case of a deposit characterized by a thermal conductivity close to that of water.
  • the thermal flux density diffused by the heating element (s) can be greatly reduced.
  • the senor according to the invention is capable of determining the fouling formed on the latter when it is placed in a fluid or, more generally, in contact with a fluid.
  • determination of the fouling is meant the calculation of a fouling layer thickness already formed or being formed on the sensor and / or the detection of a fouling layer being formed.
  • the sensor interface material (or physical element) is intended to be in contact with a fluid that will generate fouling on this material (and thus on the sensor).
  • This material or interface element is generally inert and forms a kind of coating on the surface of the sensor.
  • An additional interface material intended to be in contact with the fluid may optionally be present on the sensor interface material or element.
  • the invention is concerned with the use of a sensor for measuring or detecting the fouling generated by a fluid with which the sensor is in contact, said sensor being produced according to the manufacturing technologies of microelectronics and comprising, arranged on the same face of a thermal conductive substrate:
  • At least one heating element which is able to generate, on command, a controlled homogeneous heat flow and to diffuse it into the substrate
  • At least one temperature measuring element which is subjected to the action of the thermal flux diffused by the substrate
  • the senor comprising, arranged on the opposite face of the substrate, at least one element or interface material in contact with the fluid, the measurement or detection of fouling being carried out from Tw-Tb temperature differences noted by said at least one temperature measuring element.
  • the senor according to the invention is part of a system which is intended to measure and / or to detect fouling formed or being formed inside a container containing a fluid.
  • a container is, for example, a reactor or a pipe carrying a fluid.
  • the measurement and / or the detection of the level of fouling are carried out continuously and almost in real time, whatever the evolutions of the conditions of the measuring medium (for example the temperature of the uncontrolled fluid), in particular from the temperature measured by said at least one temperature measuring element.
  • the system of which the sensor is part includes means for supplying energy to the functional elements of the sensor and means for processing the data provided by these elements.
  • the system furthermore comprises, optionally, means for displaying the results (example: measuring curve of the measured temperature as a function of time, curve of the thickness of fouling as a function of the time %) and / or remote transmission means of information relating to the quantitative data (temperature, thickness, %) and / or qualitative (presence or absence of fouling ).
  • the measurements are reliable over time.
  • said at least one temperature measuring element (Tw) at least partially surrounds said at least one heating element. Alternatively, it can only be arranged next to it.
  • it may even be surrounded by the heating element.
  • the senor further comprises at least one other temperature measuring element (Tb) which is thermally insulated from the at least one heating element.
  • Tb temperature measuring element
  • said at least one other temperature measuring element (Tb) at least partially surrounds said at least one heating element.
  • said at least one other temperature measuring element (Tb) is arranged on one side of a second substrate which is thermally insulated from the first substrate on which said at least one heating element is arranged.
  • the second substrate at least partially surrounds the first substrate.
  • the thermal insulation is performed by a static gas blade, for example air, which is a very good thermal insulator.
  • the thermal insulation is made by a thermal insulation material disposed between said at least one other temperature measuring element (Tb) and the first substrate.
  • said at least one interface element which is arranged on the opposite faces of the two substrates takes the form of a bonding membrane which interconnects these substrates.
  • the membrane may consist of a SiO 2 and Si x Ny bilayer or, alternatively, a single layer made of SiO x Ny or of polymer.
  • the bonding membrane has a small thickness with low thermal resistance to the axial heat flux generated by said at least one heating element and a high thermal resistance to lateral heat losses from the first to the second substrate.
  • each of said at least one interface element arranged on the opposite face of each substrate is a thermal conductor to promote thermal conduction through the thickness of said at least one interface element considered.
  • each interface element is metallic.
  • one or more heating elements are made in microelectronic technology by optimizing the available surface area on the substrate.
  • the embodiment of said at least one temperature measuring element (Tw) and / or of said at least one other temperature measuring element (Tb), when it is present, and / or of said at least one heating element is performed by ion implantation, thermal diffusion or metal deposition.
  • thermo diffusion or metal deposition it is possible in the context of ion implantation, thermal diffusion or metal deposition to select the length and width of the constituent resistances of the aforementioned elements. It should be noted, however, that the temperature measuring elements may alternatively not be made in the form of resistors but, for example, diodes.
  • p is the resistivity of the material constituting the element
  • L is the length of the wire constituting the element
  • I is the width of the element and h its thickness.
  • the electrical resistivity it is possible to vary one and / or the other of the following parameters to adjust the electrical resistivity: the implantation dose, the implantation energy (this determines the depth the area in which implantation is performed) and the species or species implanted.
  • the electrical resistivity is adjusted by the choice of one or more implanted species, by the conditions of realization of the thermal diffusion (temperature, duration, etc.) and also by the choice of a drawing or geometry for the scattered area to modify the shape parameter already mentioned.
  • the metallic deposit in order to be able to adjust the electrical resistance, it is possible to select the most suitable metal and / or to act on the design or geometry of the implanted zone in order to modify the aforesaid shape parameter ( it is thus possible to vary the length and / or the surface of the deposit).
  • modifying the value of the resistance of the metal deposit which is particularly simple to achieve in microelectronic technology, one can very simply modify the heating power of the sensor to achieve the required flow density.
  • the metal deposit forming one of the aforementioned elements takes the form of one or more coils or lines clamped together so as to obtain a large length of metal tracks on a relatively small surface.
  • the temperature coefficient of the resistance or resistors is adjusted by the choice of the species to be implanted and / or the ion implantation dose.
  • the high resistivity of the implanted resistor or resistors makes it possible to obtain a more compact design and therefore a smaller sensor than with metal deposits.
  • the substrate is made of silicon.
  • the senor comprises a thermal insulation element which limits the heat dissipations on the side of the face on which said at least one heating element and said at least one temperature measuring element (Tw) are arranged.
  • Tw temperature measuring element
  • the senor comprises, on the side of the face where said at least one element or interface material is arranged, a thermal conduction element and an additional interface material, said thermal conduction element being disposed between said element an interface element and the additional interface material.
  • said at least one element or interface material of the sensor is not in direct contact with the fluid.
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element (Tw) are one and the same element.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing a sensor for measuring or detecting fouling according to the technologies of manufacture of microelectronics. This method comprises the following steps performed from a thermal conductive substrate:
  • the integration of the temperature measuring element (Tw) and the heating element on the same side of the substrate (and for example in the same plane) makes it possible to simplify the manufacturing process of the sensor and also to simplify the process. establishing the electrical connections of these elements.
  • the arrangement of the other temperature measuring element (second temperature measuring element (Tb)) on the same side of the substrate as the first temperature measuring element and the heating element simplifies the manufacturing process of the sensor. and also to simplify the establishment of all the electrical connections of these three components.
  • the method comprises a step of producing a thermal insulation between, on the one hand, said at least one other temperature measuring element (Tb) and, on the other hand, said at least one heating element and said at least one temperature measuring element (Tw).
  • said at least one heating element and said at least one temperature measuring element (Tw) being formed in a first portion of the substrate, said at least one other temperature measuring element (Tb) being formed in a second portion of the substrate separated from the first portion by a third substrate portion, the method comprises a step of removing the third substrate portion.
  • This removal of material produced for example by chemical and / or physical etching makes it possible to achieve thermal insulation between the first and second portions.
  • thermal insulation is achieved by the presence of a static gas blade (for example air) in the space left free by the removal of the third substrate portion.
  • a static gas blade for example air
  • the method comprises a step of filling, by at least one thermal insulating material, the space left free by the removal of the third substrate portion.
  • This additional step makes it possible, in addition to the thermal insulation that it provides, to mechanically stiffen the overall structure of the sensor comprising the two substrate portions.
  • said at least one element or interface material extends over the entire opposite face of the substrate and forms a bonding membrane which interconnects the first and second substrate portions.
  • the method comprises a step of establishing connections between said at least one heating element, said at least one temperature measuring element (Tw), said at least one other temperature measuring element (Tb), when it is present, and a suitable electronics.
  • the invention further relates to a measurement or fouling detection system formed inside a container containing a fluid, characterized in that it comprises a sensor for measuring or detecting fouling. as briefly mentioned above and a container containing a fluid.
  • the system further comprises means for measuring or detecting fouling from temperature differences recorded by said at least one temperature measuring element (Tw).
  • Tw temperature measuring element
  • the senor is associated with a wall of the container in order to fulfill its function of measurement or detection of fouling.
  • said at least one sensor interface element or material is in direct contact with the fluid or in indirect contact via an additional interface material.
  • the presence of the additional interface material in contact with the fluid, in flow protects the sensor, at least mechanically, or even chemically, and makes it robust to external aggressions, in particular from the fluid.
  • said at least one element or interface material or the additional interface material is mounted flush with respect to the wall.
  • a fouling deposit composed of one or more types of bodies present in the fluid may be formed on said at least one interface element or on the interface material, in the same manner as if it were formed on the inner face of the container wall.
  • the senor can be manufactured in a very large series in its simplest structure comprising the element or elements. the temperature measuring element (s) and said at least one element or interface material and making only the additional interface material separately manufactured which will be in contact with the fluid.
  • FIG. 1a is a general schematic view of a sensor according to a first embodiment of the invention and associated means for its implementation;
  • FIG. 1b is a general schematic view of an alternative embodiment of the sensor of FIG. 1a;
  • Figure 2 is a general schematic view of a sensor according to a second embodiment of the invention and associated means for its implementation;
  • Figure 3 is a general schematic view of a sensor according to a third embodiment of the invention and associated means for its implementation;
  • FIG. 4 is a general schematic view of an alternative embodiment of the sensor of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a bottom view of the first substrate of the sensor of FIG. 4 showing the arrangement of the heating element and the first temperature measuring element;
  • FIG. 6 is a bottom view of the second substrate of the sensor of FIG. 4 showing only the arrangement of the second temperature measuring element
  • FIGS. 7 and 8 schematically illustrate respectively two different embodiments by ion implantation / thermal diffusion and by metal deposition of the measuring and heating elements of the sensor according to the invention
  • FIGS. 9a to 9k schematically illustrate the steps for manufacturing a sensor according to the invention.
  • Figure 10 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to the invention in a body mounted in a wall of a container;
  • Figure 11 is a schematic view showing the implantation of a sensor according to a variant of the invention in a body mounted in a wall of a container.
  • the object of the present invention is to propose, using microsystem technology, a small sensor capable of determining a fouling in a flowing fluid.
  • the subject of the invention is a microsystem intended to measure the thermal resistance and / or the thermal properties.
  • a sensor 10 As shown diagrammatically in FIG. 1a, a sensor 10 according to a first embodiment made in microsystem technology comprises several functional elements assembled on a thermal conductive substrate 12.
  • This substrate is, for example, silicon. However, it could alternatively be made of another material that promotes the diffusion of heat.
  • the senor comprises the following elements arranged on the same face 12a (lower face in FIG. Iia) of the substrate:
  • At least one heating element 14 which is able to generate, on command, a homogeneous controlled heat flow and to diffuse it in the substrate to a measuring medium which is here a fluid;
  • At least one temperature measuring element (Tw) 16 which is subjected to the action of the thermal flux diffused by the substrate. It is considered here that there is only one element of temperature measurement (Tw), but several elements are possible according to the applications and the configurations of sensor.
  • the temperature measuring element 16 is located in the immediate vicinity of the heating element 14 so as to benefit directly and without delay from the heat flow. Note that due to the small dimensions of the substrate and its good thermal conductivity, we can neglect the thermal gradients inside this substrate.
  • This temperature measuring element 16 may for example at least partially surround said at least one heating element, as shown in Figure 5 which will be described later.
  • the heating element 14 is supplied by electric power supply means 20 via connection means 22.
  • the heating element is ideally an electrical resistance whose thermo-dependence of the resistivity is known.
  • the dimensioning of the heating element is performed by determining the heat flow necessary to be able to detect a fouling on the surface of the sensor according to the intended application.
  • the injection of an electric current or a voltage (supply means 20) into the heating resistor generates an overheating thereof.
  • a heat flux is then generated and varies according to the power injected into the heating element.
  • the value of its resistance to rest is calculated according to the power of the heat flow to be generated. Note that the resulting voltage across the resistor is measured.
  • the temperature measuring element 16 placed in this heat flow, measures the temperature continuously or discontinuously (as a function of the command applied to the sensor) and transmits these measurements, via the connection means 24, to a control unit.
  • data processing 26 for example, a calculator.
  • the sensor also comprises, arranged on the opposite face 12b (upper face in Fig.ia) of the substrate, at least one element or interface material 18 which is a thermal conductor made for example in the form of a layer or d a bilayer deposited on the substrate 12.
  • the element or interface material 18 transmits the heat flux to the outside of the sensor, in the direction of the measuring medium (fluid) with which it is in contact, in order to dissipate this heat.
  • the data collected by the unit 26 are, after processing, displayed by the display means 28, for example in the form of curves representing the temporal evolution of the temperature and / or the thickness of the fouling layer formed on the surface of the sensor and which is determined from measured temperature differences (Tw - Tb).
  • the processed data and / or other information such as those indicating the presence or absence of fouling on the surface of the sensor can be transmitted remotely by transmission means 30.
  • An alarm signal intended to warn an operator in the event of detection of fouling may, for example, be transmitted to a remote monitoring center.
  • heating element 14 and the temperature measuring element 16 are arranged on the same side of the substrate 12, which facilitates, on the one hand, their implantation on the substrate and, on the other hand, the establishment of their electrical connections with the elements 20 and 26 above.
  • the measuring element comprises connection tracks or pads which make it possible to supply this element with the necessary electrical energy coming from the device 20 and to collect, at the computer 26, the temperature data.
  • the measurement made at the terminals of the element 16 can be carried out using, for example, the well-known technique of the two points which allows, knowing the voltage and the electrical intensity, to deduce in a direct way the value of the resistance. .
  • This measurement is used when the measurement or measurement noise is not too high.
  • the measurement across the element 16 can be implemented using for example the well-known technique of the four points.
  • this indirect measurement technique the value of the voltage imposed on the terminals is known, the value of the intensity is measured and the value of the resistance is deduced therefrom.
  • the realization of the temperature measuring element (Tw) and / or the heating element is performed on the face 12a of the substrate by ion implantation / thermal diffusion or by metal deposition.
  • the senor may comprise a thermal insulation element which limits the heat dissipations on the side of the face 12a on which the heating element is arranged. and the temperature measuring element (Tw).
  • Tw temperature measuring element
  • the senor may comprise, on the side of the opposite face 12b where is arranged said minus an element or interface material 18, a thermal conduction element and an interface material, said thermal conduction element being disposed between said at least one interface element and the interface material. The sensor is then in contact with the fluid via the interface material and not with the element 18 of FIG.
  • FIG. 2 The following description illustrates a more elaborate version of a microsystem sensor according to a second embodiment shown in FIG. 2.
  • FIGS. 1 a and 2 which are shown in FIG. 2 retain the same references and will not be described again here.
  • the sensor 40 differs from the sensor 10 of FIG. 1a in that it comprises at least one other temperature measuring element (Tb) denoted 42.
  • Tb temperature measuring element
  • This other temperature measuring element 42 (second element) is arranged on a face 44a of a second substrate 44 (for example made of silicon such as the first substrate 12) which is thermally insulated from the first substrate
  • the second measuring element 42 is not influenced by the dissipated heat flow.
  • the thermal insulation is here carried out by a static gas, for example air.
  • the function of this measuring element is to measure the temperature of the fluid, for example, continuously or discontinuously (depending on the control applied to the sensor).
  • the measurement element 42 transmits these measurements, via the connection means 48, to the data processing unit 26
  • the face on which the second measuring element 42 is arranged is on the same side as the face 12a, again to benefit from the same advantages as those described with reference to FIG. 1a.
  • the sensor also comprises, arranged on the opposite face 44b (upper face in FIG. 2) of the substrate, at least one element or interface material 46 made for example in the form of a layer or a bilayer deposited on the substrate 44.
  • the second substrate 44 is also a thermal conductive material so that the temperature of the fluid which is in contact with the element or interface material 46 can be measured by the second measuring element 42.
  • the other temperature measuring element (Tb) can surround at least partially the heating element.
  • the second substrate itself may at least partially surround the first substrate as illustrated in FIGS. 4 and 6 which will be described hereinafter.
  • the heating element and the temperature measuring element are one and the same element 15 arranged on the face 12a of the substrate.
  • the element 15 is therefore, on the one hand, able to generate, on command, a homogeneous controlled heat flow in the substrate 12 and, on the other hand, to measure the temperature of the substrate thus heated.
  • connections 22 and 24 similar to those of FIG. 1a allow the power supply from the unit 20 and the delivery of measurement signals to the unit 26.
  • the sensor 11 thus designed is even easier to manufacture than that of Figure 1a. Thermal flow generation and temperature measurement can be performed in different, time-spaced and alternating phases.
  • the generation of heat flow and temperature measurement can be performed almost simultaneously but with a slight shift in time.
  • each of the respective interface elements or materials 18, 46 arranged on the opposite side of each substrate is a thermal conductor to promote thermal conduction through the thickness of the considered interface element.
  • Each element or interface material 18, 46 thus offers a very low thermal resistance.
  • the second measurement element 42 makes it possible to measure the temperature of the fluid more reactively. This also allows the flow generated by the heating element 14 to dissipate rapidly in the fluid.
  • Figure 3 illustrates a third embodiment of a microsystem sensor.
  • FIGS. 2 and 3 which are shown in FIG. 3 retain the same references and will not be described again here.
  • the sensor 50 differs from the sensor 40 of FIG. 2 in that the element or interface material which is arranged on the opposite faces of the two substrates 12b and 44b takes the form of a securing membrane 52. extends on each of said faces and extends between the substrates to mechanically connect them to one another.
  • the securing membrane constitutes a mechanical holding element of the monolith thus constituted.
  • This thin membrane has a low thermal resistance to the axial flow generated by the heating element 14 (first substrate 12) and a high thermal resistance to lateral heat losses (losses to the second substrate 44). It should be noted that the thermal resistance varies linearly with the thickness (thermal resistance proportional to the thickness) of the substrate towards the fluid (Axial direction) and inversely proportional to this thickness (heat resistance proportional to the inverse of the thickness) in a lateral direction.
  • the thermal resistance thereof, from the substrate towards the fluid tends to a zero value
  • the lateral thermal resistance that is to say from the central part towards the peripheral part, tends towards an infinite value and thus opposes the passage of the flow in this direction.
  • a thermal insulation is formed between the two substrates 12 and 44 by a static gas blade (for example air) which is a good insulator.
  • a static gas blade for example air
  • the thermal insulation is produced by a thermal insulation material disposed between the second substrate 44 where is implanted the second temperature measuring element (Tb) 42 and the first substrate 12.
  • Tb second temperature measuring element
  • the production of the first and second temperature measuring elements and the heating element is performed by ion implantation / thermal diffusion or by metal deposition.
  • FIG. 4 illustrates an alternative embodiment of the microsystem sensor of FIG. 3.
  • FIGS. 3 and 4 which are shown in FIG. 4 retain the same references and will not be described again here.
  • the sensor 60 differs from the sensor 50 of FIG. 3 by the arrangement of the two substrates 62 and 64 with respect to each other, as well as by the configuration of the two temperature measuring elements and the heating element. one against another.
  • the structure of the microsystem sensor 60 includes a central portion 62 forming the first substrate and a peripheral portion 64 forming the second substrate and completely surrounding the central portion as shown in Figures 4 and 6 (in Figure 6 the central portion n ' was not represented).
  • the temperature measuring element 68 takes for example the shape of a U which partially surrounds the heating element 66.
  • the measuring element 68 receives, in a relatively homogeneous manner, the flow of heat. generated by the heating element 66.
  • the temperature measuring element 68 can completely surround the heating element 66 to take advantage of even more homogeneous heat flow.
  • the peripheral portion 64 also made of silicon, supports, on its lower face 64a, a second temperature measuring element 70 intended to measure the temperature of the fluid.
  • a second temperature measuring element 70 intended to measure the temperature of the fluid.
  • the conduction properties of silicon are used to "capture" the temperature of the fluid.
  • the second temperature measuring element 70 partially surrounds the central portion 62 and, therefore, the first temperature measuring element 68 and the heating element 66.
  • the heating element and the two temperature measuring elements are made for example:
  • the two parts 62 and 64 are held together by the dielectric membrane 52 located on the faces opposite to those on which the temperature measuring elements are integrated.
  • This membrane is an electrical and thermal insulator (for example, ⁇ ⁇ 1, 5W / m / K) whose thickness does not exceed 10 ⁇ m.
  • This membrane may be in direct contact with the measuring medium (fluid), as shown in FIG. 4.
  • an additional interface material may be interposed between the membrane and the measuring medium, as shown in Figure 11 which will be described later.
  • the membrane 52 is known to have minimal mechanical stresses.
  • This membrane can be, for example, to choose:
  • the senor 60 shown in FIG. 4 is perfectly flat on the surface of the membrane 52, which is preferable when this membrane is in direct contact with the measuring medium, in order to disturb the latter as little as possible.
  • the flatness of the sensor is also sought when additional material must be arranged facing the membrane in order to obtain as intimate contact as possible between the elements and, therefore, in order to reduce the thermal resistances as much as possible.
  • the thermal insulation between the two parts 62 and 64 is obtained by the deep etching of the silicon around the central portion to provide a peripheral space 72.
  • the thermal insulation between the central portion and the peripheral portion is then provided by the simple presence of a static gas (for example air) between these two parts or, according to a variant not shown, in using an insulating material to increase the robustness of the microsystem.
  • a static gas for example air
  • the senor 60 has a generally square shape whose side does not exceed 5mm in length.
  • FIG. 7 illustrates an exemplary configuration for a microsystem sensor 80 in which the heating element 82 and the two temperature measuring elements 84 and 86 are made by ion implantation or thermal diffusion.
  • the first temperature measuring element 84 which for example has the general shape of the number "2" lying down is arranged next to the heating element 82, while in the peripheral part the second element The temperature measuring device 86 partially surrounds the first temperature measuring element and the heating element.
  • the zone 88 in the form of a square which surrounds the central part of the sensor represents the zone of thermal insulation (for example, it is a space left free and occupied by air) between the two parts of the sensor.
  • Connection pads 82a, 82b, 84a, 84b, 86a-d are provided for each measuring element and for the heating element in order to allow the establishment of electrical connections with the elements 20 and 26 shown in FIG. 4.
  • FIG. 8 illustrates an exemplary configuration for a microsystem sensor 90 in which the heating element 92 and the two temperature measuring elements 94 and 96 are made by metal deposition.
  • the first temperature measuring element 94 is strongly interwoven with the heating element 92.
  • the outer connection pads 94a, 94b of the measuring element and the inner ones 92a, 92b of the heating element are represented.
  • the second temperature measuring element 96 partially surrounds the first temperature measuring element 94 and the heating element 92.
  • Each of the heating elements 92 and first temperature measuring element 94 is made in the form of metal resistors which take the form of coils or lines arranged on the surface of the substrate in a very tight manner to obtain a very large length of metal deposition in a small footprint.
  • the drawings of the two elements are thus strongly intertwined, which allows, on the one hand, the two elements to occupy less surface and, on the other hand, to the element of measurement to be more intimately placed in the flow homogeneous thermal generated by the heating element.
  • the second temperature measuring element 96 also takes the form of coils or lines arranged very closely for the same reasons.
  • the general form of the measuring element 96 is for example that of a U.
  • Connection pads 96a-d are provided for the second measuring element to allow the establishment of the electrical connections with the elements 20 and 26 shown in FIG. 4.
  • FIGS. 9a to 9k An exemplary embodiment of a method for manufacturing a microsystem sensor according to the invention will now be described with reference to FIGS. 9a to 9k.
  • the sensor is made from a substrate 100, for example silicon, which is polished on its two opposite faces 100a, 100b and which can be initially doped with a known species and concentration (FIG. 9a). Doping is for example of the P type.
  • This doping is for example carried out with boron (10 15 atoms per cm 3 ).
  • the thickness of the substrate is conventionally between 300 and 500 micrometers and is for example equal to 400 micrometers.
  • thermal oxidation of the substrate is carried out at high temperature, for example on the two faces 100a and 100b in order to obtain an oxide layer 102, 104 respectively on each of the faces. 100a, 100b of the substrate.
  • the oxide layer is for example formed of SiO 2 with a thickness, for example equal to 800 nanometers. It will be noted that it is possible to be content with the single oxide layer 104 arranged on the upper face 100b instead of an oxide layer on both sides of the substrate.
  • FIG. 9c illustrates a third step of the manufacturing process during which a layer of Si x Ny is deposited on each of the oxide layers 102 and 104 and in order to obtain the layers 106 and 108.
  • the layers 106 and 108 are for example made by a known low pressure chemical deposition technique of the LPCVD type (acronym for Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • These deposits of a thickness for example equal to 600 nanometers are for example made at a temperature of 800 ° C for a period of 96 minutes.
  • FIG. 9d illustrates a first photolithography step which aims to prepare the locations where will be integrated the various functional components of the sensor (heating element and temperature measuring elements).
  • etching for example RIE type is performed to create openings in the lower double layer 102, 106.
  • a plurality of openings 110, 112 and 114 are thus created on the side of the lower face 100a of the substrate. leaving areas locally with the two superimposed layers 102 and 106.
  • microsystem structure is three-dimensional and that the two open zones marked by the arrow 110 constitute a single opening which constitutes a trench having the shape of the resistance to be integrated. It is the same for the areas marked by the arrow 112.
  • the following figure 9e corresponds to the first step of integrating the functional components of the sensor.
  • the various functional components heatating element and temperature measuring elements
  • an ion implantation is carried out, for example with phosphorus.
  • zones formed by portions of superimposed layers 102 and 106 situated on either side of the aforementioned openings have been voluntarily left as these zones make it possible to easily locate the implanted zones.
  • the ion implantation is more particularly carried out by N type doping (with a pentavalent material such as phosphorus, for example) or P type (with a trivalent material such as boron, for example), with an energy that can from 20keV to 200 keV which determines the depth of the implanted zone.
  • N type doping with a pentavalent material such as phosphorus, for example
  • P type with a trivalent material such as boron, for example
  • phosphorus N type doping can be retained with an implantation energy equal to 20keV.
  • doses of 10 13 , 14 or 15 atoms per cm 2 are used .
  • the step illustrated in the following figure 9f aims to reorganize the crystal lattice and to diffuse the dopants (redistribution) so that the silicon atoms and the implanted ions are reorganized in a regular network.
  • an oxidizing atmosphere such as an oxygen atmosphere, for example, for a period of 2 hours at a temperature of about 1050 ° C.
  • each implanted zone 120, 122 and 124 there is the formation of an oxide layer 130, 132 and 134 on the surface of each implanted zone 120, 122 and 124.
  • the local oxide layer thus prevents the implanted ions from re-diffusing into the atmosphere (exodiffusion phenomenon).
  • the next step illustrated in FIG. 9g is a second photolithography step.
  • the oxide formed on the local portions 130, 132 and 134 of FIG. 9f is locally removed in order to create openings in which metallic contacts will subsequently be formed. These contacts will make it possible to establish the connections of the functional components of the sensor with the electronics for supplying and analyzing measurement signals of the sensor.
  • apertures 140, 141, 142, 143, 144 and 145 are formed in the oxide layer portions 130 to 132, 134.
  • openings are formed, for example, by a conventional photolithography technique using a resin mask, and then by a chemical etching of the oxide with hydrofluoric acid.
  • a metallization operation is carried out on the entire lower face of the substrate shown in FIG. 9g (full plate metallization).
  • This step is intended to achieve the metal contacts / connection pads that will allow the establishment of electrical connections of the functional components of the sensor with the power electronics and analysis of the measurement signals.
  • a metal deposit 152 is formed on the entire surface in relief of the underside of the substrate illustrated in FIG. 9g.
  • This metallization step is for example carried out using aluminum and a thickness of 500 nanometers and is thus deposited at each location of the surface (full plate).
  • metals such as, for example, titanium and / or gold.
  • the next step illustrated in FIG. 9i is a third photolithography step. During this step etching or chemical etching of the metallization carried out in the previous step is carried out, in order to leave the metal areas at the appropriate places so that they thus form the connection pads mentioned above.
  • This step is followed by an activation annealing operation which aims to interpenetrate the metal atoms deposited in the ionically implanted resistors and to order the metal atoms.
  • This annealing is a metal annealing performed for example at a temperature of 450 ° C for 20 minutes.
  • the remaining metal areas are areas 154, 156, 158, 160, 162 and 164 as shown in FIG. 9i.
  • the step illustrated in FIG. 9j is then followed at a fourth photolithography step.
  • This step is intended to prepare a next step of deep etching in the substrate 100 in order to achieve thermal insulation between two portions of this substrate.
  • a deposit of a protective resin on the rear face of the substrate is carried out on the areas to be protected and which are those comprising the functional components and the metal contacts, as well as certain zones coated with the two layers 102. 106.
  • the resin is thus deposited on the entire rear face and, by photolithography, the resin is left on a central zone 192 of the central part of the substrate and on a peripheral zone 194 surrounding the central zone.
  • the next step illustrated in FIG. 9k comprises two RIE etching steps.
  • a first step consists in etching the bilayer 102, 106.
  • the second step is a step of etching DRIE, (acronym meaning "Deep Reactive Ion Etching") and which is carried out up to the layer 104, in order to physically separate a first portion central substrate 100c of a second peripheral portion of the substrate 100d.
  • This deep etching makes it possible to remove a third portion of substrate situated between the first and second portions and denoted 100e in FIG. 9j.
  • This third portion is a trench-shaped portion of square section that surrounds the first portion 100c.
  • first and second portions are thermally insulated from each other by the space 196 surrounding the first portion
  • the step illustrated in Figure 9k can be performed by chemical etching.
  • this free space 196 can be filled with a thermally insulating material between the first and second substrate portions.
  • the microsystem structure obtained in FIG. 9k thus comprises, arranged on a face 100a of the substrate, in the central part, functional components 122 and 124 and in the peripheral part of the functional component 120.
  • the component 122 takes the form of a resistance obtained by implantation and which partially surrounds a central resistance 124 obtained by implantation.
  • the central resistor 124 plays the role of the heating element 66 of FIG. 5, while the resistor 122 plays the role of the first temperature measuring element 68 of FIG.
  • the functional component 120 of the second peripheral portion 100d is a resistance obtained by implantation and which plays the role of the second temperature measuring element 70 of FIG.
  • the double layer 104, 108 described in connection with FIGS. 9a to 9c plays the role of the securing membrane 52 illustrated in FIG. 4. It thus connects together the first substrate portion 100c and the second substrate portion 100d.
  • the senor is manufactured from a single block or substrate, for example silicon, which is micro-machined to differentiate two heat exchange surfaces with the fluid, isolated from each other by micromachining.
  • the temperature measuring element has a very high temperature sensitivity which is, for example, less than 0.05 ° C.
  • microsystem technology allows the design of a sensor with the following characteristics and advantages:
  • the securing membrane acts as an interface element and can be in direct contact with the fluid as shown in FIG. 10 or in indirect contact via additional elements (FIG. 11). .
  • the functional components of the microsystem sensor according to the invention can be produced by metal deposition and non-ion implantation or thermal diffusion.
  • a structure similar to that of FIG. 9c described above but without a bilayer is produced on the lower face of the substrate 100.
  • one starts from the structure obtained in FIG. 9c and one removes the double layer 102, 106 from the lower face, or one forms a double layer only on the upper face of the substrate.
  • a metal deposit for example nickel, is made on the lower face 100a of the substrate.
  • connection pads are formed by the aforementioned technique of "lift-off" using for example aluminum as metal.
  • This step is followed by a metallization annealing.
  • a deep etching of the substrate is then carried out, as indicated above with reference to FIGS. 9j and 9k, in order to obtain the microsystem structure already described above.
  • FIG. 10 illustrates an exemplary embodiment in which the microsystem sensor 200 of FIG. 9k (which is also that of FIG. 4) is associated with a wall 202 of a container 204 (for example a chemical reactor or a vessel) wherein a flowing fluid symbolized by the arrow F is present.
  • a container 204 for example a chemical reactor or a vessel
  • the container 204 containing the fluid may be of another type such as a pipe or pipe of an industrial installation, ....
  • fluid in the container is not necessarily at rest but may be in flow.
  • the microsystem sensor 200 is mounted in one of the walls of the container as shown in Figure 10 through a body 206 in which the microsystem is integrated.
  • the senor 200 is arranged in a hollow cylindrical envelope 208 provided at one of its longitudinal ends 208a of a plate 210 forming a shoulder and which has for example a disc or pellet shape.
  • This plate is for example welded to the cylindrical envelope 208.
  • the opposite end 208b is, for its part, open on the outside. It will be noted that other body shapes can be envisaged without calling into question the operation of the sensor.
  • the plate 210 forming a shoulder is intended to be inserted in a corresponding arrangement provided in the wall 202 of the container to be mounted flush with respect thereto.
  • This plate 210 is open in its central part, in order to receive the sensor. The latter is in contact with the fluid F by the outer face of the bilayer 104, 108 (bonding membrane).
  • outer face of the sensor, the outer face 210a of the shoulder and the surface 202a of the wall are arranged on the same side so as not to introduce a disturbance in the flow.
  • the microsystem sensor is mounted on a support 212 such as a printed circuit board whose role is to create the necessary electrical contacts between this microsystem sensor and the part of the associated system which ensures power supply and information processing of this sensor.
  • a support 212 such as a printed circuit board whose role is to create the necessary electrical contacts between this microsystem sensor and the part of the associated system which ensures power supply and information processing of this sensor.
  • These electrical contacts cooperate with the tracks or pads illustrated for example in Figures 7, 8 and 9k and briefly described above via connecting son 211a and 211b ( Figure 10).
  • a thermal insulation element 214 is introduced into the body 206 by the rear end.
  • This element 214 such as a paste with a low coefficient of thermal conductivity, is placed against the rear face of the support 212 in order to forming a heat shield at the rear of the body and thus channel the thermal flow forward of said body.
  • the membrane plate 104, 108 acting as an interface with the fluid is adapted so that its outer face 108a is representative of the surface state of the wall 202 of the container so that the deposition of a fouling layer on the face 108a is made almost identically to the deposition of a fouling layer on the inner face 210a of the wall of the container.
  • the determination of fouling formed on the face 108a determination which corresponds either to a fouling measurement or to a detection of fouling, will be particularly reliable given the nature of this external face.
  • the outer face 108a is representative of the surface condition of the wall of the container, it is preferable that this face is in the same material and has a roughness equivalent to that of the wall.
  • the wall 202 may be made of stainless steel and the face 108a of the sensor will have the same roughness, as the face 202a of the wall.
  • the outer face 108a is made of a material of the same nature as that of the wall of the container. If this material is not identical, it must at least be of a nature compatible with that of the material constituting the wall, the operation of the process and the fluid.
  • FIG. 11 schematically illustrates another possible installation of a microsystem sensor such as that of FIG. 4 in the wall 202 of the container 204.
  • the senor 200 is in contact with the fluid F via the external face 220a of an additional interface material 220.
  • This interface material may be a separate element of the body 206 or may be a thinned central region of the plate 210.
  • the interface material 220 is for example made of a material identical to that of the wall of the container.
  • the plate 210, as the cylindrical casing 208 are made of stainless steel, material that is the one used for the wall 202 and in particular its inner surface 202a.
  • thermo-physical properties of the interface material in particular its thickness E [m] between the temperature measuring element and the measuring medium, its thermal conductivity ⁇ [W. m “1 K “ 1 ], its specific heat Cp [J. kg “1 K “ 1 ] and its density p [kg / m 3 ] are well known.
  • T p the precise temperature T p at the surface of the interface material or materials that is in contact with the fluid and therefore offered to a user. fouling.
  • a heat transfer element 222 such as a thermal paste with a high coefficient of thermal conductivity, is placed at contact of the microsystem and the internal face 220b.
  • the temperature difference T p -T b is preferably followed.
  • the sensor which has just been described with reference to FIGS. 1 to 11 may be used in steady state or periodic thermal mode under stationary or unsteady conditions for measuring and / or detecting the fouling formed on the outer face 108a of FIG. 10 or on the outer face 220a of the additional interface material of FIG. 11.
  • fouling any deposit forming on the outer face of the element considered from bodies that are present in the fluid temporarily or permanently.
  • the sensor illustrated in FIG. 1a may, for example, be used by alternating heating phases (control of the diffusion of a thermal flux by the heating element 14) and of non-heating (non-diffusion of a heat flux) on a given duration.
  • the measuring element 16 continuously measures the temperature.
  • the heat flux produced by the heating element is transferred to the measuring element and the interface element (or, as the case may be, to the material of the interface as in Figure 11), and then broadcast in the measuring medium (fluid).
  • the temperature measured by the measuring element then remains substantially constant and close to the temperature of the medium.
  • the fouling layer that is formed acts as a thermal insulator that reduces the heat exchange with the measuring medium and thus the dissipation of the flow.
  • This temperature difference is representative of the fouling formed at the instant corresponding to the measurements made.
  • This temperature difference is more particularly representative of the thickness of the fouling layer.
  • This thickness is obtained by formulas well known to those skilled in the art and which depend on the geometric configuration of the sensor, namely a planar geometry for the sensors of Figures 1 to 11 and the thermal regime retained.
  • the operating mode of the sensor makes it possible to impose a given temperature difference set point, for example of the order of 1 ° C., and to regulate the supply power of the heating element as a function of this setpoint.
  • the heating element is provided with electrical energy so that the generated heat flow produces a desired temperature increase.
  • This mode of operation provides a very good signal / noise ratio and therefore contributes to a reliable and high quality measurement.
  • the temperature difference mentioned above is determined using linear and / or non-linear regression algorithms between two non-heating phases that frame a heating phase.
  • Such information may, for example, give rise to the sending of an alarm signal by the means 30 illustrated in FIG. 1a in order to warn an operator or maintenance personnel of the installation.
  • This detection function can of course be coupled to the fouling measurement function in order to also be able to provide quantitative information on the thickness of the deposit thus formed.
  • the operating mode of the sensor illustrated in FIGS. 2 to 4 is different insofar as this sensor comprises a second temperature measuring element which provides a measurement of the temperature of the fluid.
  • This sensor thus makes it possible to overcome variations in the temperature of the fluid.
  • the sensor illustrated in one or the other of the figures provides, continuously and in real time, a temperature difference to determine the fouling formed on the surface of the interface element of this sensor or, according to the case of additional interface material as illustrated in Figure 11.
  • the sensor comprising two temperature measuring elements as illustrated in FIGS. 2 to 4, 10 and 11 may operate as taught in document FR 2 885 694.
  • a sensor incorporating two separate temperature measuring elements can also be used alternately heating and non-heating phases.
  • the temperatures measured by the two measuring elements must normally provide the same temperature measurement.
  • a measurement gap observed between these two elements, during a non-heating phase, reflects a drift of the properties of one measuring element relative to the other.
  • the monitoring of the temperatures measured by the two measuring elements during a non-heating phase of the sensor constitutes a step of controlling the proper functioning of these elements.

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Abstract

La présente invention vise un capteur de mesure ou de détection d'encrassement réalisé selon les technologies de fabrication de la microélectronique, comprenant, agencés sur une même face (12a; 62a) d'un substrat conducteur thermique (12; 62): au moins un élément chauffant (14; 15; 66) qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat; au moins un élément (16; 15; 68) de mesure de température (Tw) qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat, le capteur comprenant, agencé sur la face opposée du substrat (12b; 44b), au moins un élément ou matériau d'interface (18; 46; 52), le capteur comprenant en outre au moins un autre élément (42; 70) de mesure de température (Tb) qui est isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant.

Description

"Capteur microsystème de mesure ou de détection d'encrassement"
L'invention concerne un capteur de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur ou d'une conduite contenant un fluide compressible ou incompressible en circulation.
Dans les procédés industriels, on trouve différents types d'installations (tube, échangeur de chaleur, procédés de séparation par membrane, cuve d'agitation mélange, etc) dans lesquelles des fluides de natures diverses (fluides Newtonien et non-Newtonien, fluides chargés en particules) sont mis en mouvement.
Ces installations comprennent généralement une mise en circulation des fluides (pompe, agitation), des conduites dans lesquelles circulent des fluides et peuvent comprendre également des réacteurs (au sens d'opération unitaire tel que définit par le Génie des Procédés Industriels) comme par exemple des échangeurs thermiques pariétaux (transfert conductif-convectif) soit tubulaires, soit à plaques.
Dans ce cas précis, l'encrassement de telles installations peut s'avérer préjudiciable dans la mesure où il affecte les performances de l'opération unitaire et donc de l'ensemble du procédé (par exemple la chute du coefficient global d'échange thermique implique aussi une diminution de l'efficacité énergétique du procédé). L'encrassement des équipements entraine une dégradation des performances des opérations unitaires en terme de transfert de chaleur, de matière ou de quantité de mouvement.
En outre, lorsqu'un encrassement se forme sur la paroi interne d'une conduite ou d'un réacteur, il convient de procéder à son nettoyage au bon moment. Les opérations de nettoyage sont soit inévitables pour maintenir le bon fonctionnement d'un procédé (exemple : industries chimiques), soit obligatoires pour assurer la qualité et la sécurité des produits (exemple : industries agroalimentaires). II faut toutefois que cet encrassement soit décelable en continu par les opérateurs ou le personnel de maintenance de l'installation afin de pouvoir apprécier, dans le cadre d'une maintenance préventive, le meilleur moment pour réaliser les nettoyages.
En tout état de cause, les encrassements provoquent irrégulièrement l'arrêt de l'installation et ce, pendant une durée parfois indéterminée, ce qui pénalise fortement le déroulement du processus industriel.
Ces interventions peuvent représenter des tâches pénibles pour le personnel, d'autant plus si l'encrassement n'a été détecté que tardivement et si son épaisseur est trop importante.
La fréquence et la durée des opérations de nettoyage, la consommation de formulations chimiques spécifiques et la production d'effluent lors de ces opérations ont des répercussions économiques, énergétiques, humaines et environnementales.
Ce désencrassement présente un coût économique non négligeable puisqu'il convient d'intégrer au coût des opérations de maintenance le coût induit par l'arrêt temporaire de l'exploitation.
On notera également qu'au fur et à mesure que les échangeurs thermiques s'encrassent, il s'ensuit une perte d'efficacité progressive (diminution du coefficient global d'échange, augmentation des pertes de charges linéiques), avant un arrêt de fonctionnement potentiel de l'installation ou de la partie de l'installation comprenant ces échangeurs.
Par ailleurs, dans les réseaux d'eau chaude sanitaire et dans les tours aéroréfrigérées industrielles ouvertes, des bactéries peuvent se développer à l'intérieur du réseau et du circuit de refroidissement. Ce développement bactérien se présente communément sous la forme d'un dépôt microbiologique dénommé biofilm ou biofouling. De même, un risque de contamination par les légionelles
(legionella pneumophila) est envisageable et statistiquement couplé à la dérive de l'épaisseur du biofilm au sens de l'évaluation du risque sanitaire.
Actuellement, il convient de procéder à un contrôle régulier des installations en prévoyant des points de piquage dans les conduites ou dans les réacteurs où circulent les fluides qui sont susceptibles de provoquer un encrassement.
Ces points de piquage permettent également de prélever des échantillons, puis de les analyser en laboratoire afin d'obtenir soit une mesure de l'encrassement soit une analyse du type d'encrassement formé (nature, composition...).
Sur certaines lignes industrielles on utilise des approches globales thermiques ou hydrauliques, pour estimer l'épaisseur de la couche d'encrassement formée à l'intérieur des parois d'une conduite ou d'un réacteur. Les méthodes hydrauliques font intervenir une mesure de la perte de charge générée le long du procédé. L'apparition d'un dépôt réduit la section de passage et induit l'augmentation de la perte de charge. Les méthodes thermiques reposent sur la mesure du coefficient global d'échange ou à défaut de la simple dérive de la différence logarithmique des températures d'entrée et de sortie des fluides primaire et secondaire.
Ces dernières mesures présentent toutefois de réels inconvénients dans la mesure où :
- elles ne permettent pas d'obtenir une information locale,
- elles reposent sur de multiples mesures de températures ou de perte de charge et de débits,
- elles ne sont pas répétables même pour des conditions opératoires identiques (exemple: évolution de la perte de charge en fonction du temps).
On connaît d'après le document FR 2 885 694 une méthode de mesure locale et en ligne de l'encrassement dans un réacteur ou une conduite qui utilise deux sondes de température.
Plus particulièrement, ces deux sondes sont introduites dans une conduite respectivement grâce à deux points de piquage et l'une de ces sondes mesure la température du fluide, tandis que l'autre sonde mesure la température en paroi d'un générateur de chaleur.
Selon cette méthode, on fait en sorte, en premier lieu, d'obtenir une différence de température entre la température de paroi et la température du fluide aussi proche de zéro que possible. Un générateur de chaleur émet un flux thermique tandis que l'on mesure au cours du temps l'écart de température entre la température de paroi et celle du fluide, l'état d'encrassement du réacteur étant déterminé à partir de la mesure de cet écart de température.
Cette méthode et le système associé présentent toutefois certains inconvénients limitant leur utilisation en milieu industriel.
En effet, en raison de l'inertie thermique du système les temps de réponse peuvent se révéler être trop longs pour certaines applications ou induire un déphasage entre les mesures des températures du fluide et pariétale.
Par ailleurs, avec ce système il est difficile de détecter les premières phases de début de formation d'un dépôt d'encrassement (limites de détection et de quantification).
Enfin, pour le suivi d'encrassement générant de faibles résistances thermiques, il serait souhaitable d'accroître la sensibilité et la précision des mesures.
Au vu de ce qui précède, il serait donc intéressant de pouvoir disposer d'un nouveau capteur de détermination de l'encrassement d'un réacteur de conception simplifiée et qui fournisse des mesures fiables dans le temps.
La présente invention a ainsi pour objet un capteur de mesure ou de détection d'encrassement réalisé selon les technologies de fabrication de la microélectronique, comprenant, agencés sur une même face d'un substrat conducteur thermique :
- au moins un élément chauffant qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat,
- au moins un élément de mesure de température qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat,
le capteur comprenant, agencé sur la face opposée du substrat, au moins un élément ou matériau d'interface,
le capteur comprenant en outre au moins un autre élément de mesure de température qui est isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant. Dans une première configuration du capteur microsystème selon l'invention, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température sont un seul et même élément. Cet élément est donc apte à la fois à générer un flux thermique et à mesurer une température.
Dans cette première configuration, le capteur microsystème selon l'invention peut comprendre un seul élément de mesure de température ou deux éléments de mesure de température comme décrit plus loin.
Dans une deuxième configuration, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température sont deux éléments différents du capteur microsystème selon l'invention.
Dans cette configuration le capteur peut ne comprendre qu'un seul élément de mesure de température ou bien deux éléments de mesure de température comme décrit plus loin.
Il est ainsi possible de mesurer la température du fluide grâce au même capteur, soit dans sa première configuration, soit dans sa seconde configuration.
On notera que ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) n'est pas perturbé par le flux thermique généré par ledit au moins un élément chauffant puisqu'il est isolé thermiquement de ce dernier.
L'utilisation de la technologie microélectronique permet de fabriquer sur une même plaque ou « wafer » un grand nombre de dispositifs/capteurs, par exemple, plusieurs milliers. Ainsi, la reproductibilité est assurée d'un dispositif/capteur à l'autre sur une même plaque, ce qui évite les problèmes de dispersion lors de la fabrication.
Les dispositifs/capteurs ainsi fabriqués en série de plusieurs milliers à la fois sont donc plus fiables dans leur fonctionnement et moins onéreux à produire.
En outre, les dimensions réduites d'un tel capteur par rapport au capteur de l'art antérieur discuté ci-dessus ont pour conséquence une réduction de la consommation énergétique de ce capteur. Par comparaison avec une structure de capteur reprenant les mêmes éléments fonctionnels mais qui ne serait pas réalisée en technologie microélectronique :
- le capteur microsystème présente des dimensions réduites et donc une inertie thermique réduite, ce qui permet de diminuer son temps de réponse;
- le ou les éléments de mesure sont bien plus sensibles dans le capteur miniaturisé, ce qui permet de réduire la limite de détection et de quantification;
- le capteur microsystème présente une plus grande sensibilité à la mesure de l'épaisseur d'une couche d'encrassement en termes de limite de détection (par exemple de l'ordre de quelques μm au lieu de quelques centaines de μm dans le cas d'un dépôt caractérisé par une conductivité thermique proche de celle de l'eau), ce qui permet d'améliorer sa précision ;
- en termes de limite de quantification, le capteur microsystème est capable de fournir une épaisseur d'encrassement à quelques μm près dans le cas d'un dépôt caractérisé par une conductivité thermique proche de celle de l'eau.
Par ailleurs, dans la mesure où le capteur est très sensible, la densité de flux thermique diffusé par le ou les éléments chauffants peut être fortement réduite.
On notera que le capteur selon l'invention est capable de déterminer l'encrassement formé sur ce dernier lorsqu'il est placé dans un fluide ou, de façon plus générale, en contact avec un fluide.
Par « détermination » de l'encrassement, on entend le calcul d'une épaisseur de couche d'encrassement déjà formée ou en cours de formation sur le capteur et/ou la détection d'une couche d'encrassement en cours de formation.
Le matériau (ou élément physique) d'interface du capteur est destiné à être en contact avec un fluide qui va générer sur ce matériau (et donc sur le capteur) un encrassement. Ce matériau ou élément d'interface est généralement inerte et forme une sorte de revêtement à la surface du capteur. Un matériau d'interface additionnel destiné à être en contact avec le fluide peut éventuellement être présent sur le matériau ou élément d'interface du capteur. A cet égard, l'invention s'intéresse à l'utilisation d'un capteur pour la mesure ou la détection de l'encrassement généré par un fluide avec lequel le capteur est en contact, ledit capteur étant réalisé selon les technologies de fabrication de la microélectronique et comprenant, agencés sur une même face d'un substrat conducteur thermique :
- au moins un élément chauffant qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat,
- au moins un élément de mesure de température qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat,
le capteur comprenant, agencé sur la face opposée du substrat, au moins un élément ou matériau d'interface en contact avec le fluide, la mesure ou la détection d'encrassement étant effectuées à partir d'écarts de température Tw- Tb relevés par ledit au moins un élément de mesure de température.
Selon une caractéristique, le capteur selon l'invention fait partie d'un système qui est destiné à mesurer et/ou à détecter l'encrassement formé ou en cours de formation à l'intérieur d'un contenant renfermant un fluide. Un tel contenant est, par exemple, un réacteur ou une conduite véhiculant un fluide.
On notera que la mesure et/ou la détection du niveau d'encrassement sont effectuées de façon continue et quasiment en temps réel, quelles que soient les évolutions des conditions du milieu de mesure (par exemple température du fluide non maîtrisée), notamment à partir de la température mesurée par ledit au moins un élément de mesure de température.
Pour réaliser la mesure et/ou la détection du niveau d'encrassement, le système dont fait partie le capteur comprend des moyens de fourniture d'énergie aux éléments fonctionnels du capteur et des moyens de traitement des données fournies par ces éléments.
Ces moyens sont déportés par rapport au capteur ou intégrés à ce dernier.
On notera que le système comprend, en outre, éventuellement des moyens d'affichage des résultats (exemple : courbe de mesure de la température mesurée en fonction du temps, courbe d'épaisseur d'encrassement en fonction du temps...) et/ou des moyens de transmission à distance d'informations relatives aux données quantitatives (température, épaisseur, ...) et/ou qualitatives (présence ou absence d'encrassement...).
Grâce au capteur selon l'invention les mesures sont fiables dans le temps.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) entoure au moins partiellement ledit au moins un élément chauffant. Alternativement, il peut être seulement agencé à côté de celui-ci.
Dans une autre configuration, il peut même être entouré par l'élément chauffant.
Selon une caractéristique, le capteur comprend en outre au moins un autre élément de mesure de température (Tb) qui est isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant.
Selon une caractéristique, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) entoure au moins partiellement ledit au moins un élément chauffant.
Selon une caractéristique, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) est agencé sur une face d'un second substrat qui est isolé thermiquement du premier substrat sur lequel est agencé ledit au moins un élément chauffant.
Selon une caractéristique, le second substrat entoure au moins partiellement le premier substrat.
Selon une caractéristique, l'isolation thermique est réalisée par une lame de gaz statique, par exemple de l'air, qui constitue un très bon isolant thermique.
Selon une caractéristique, l'isolation thermique est réalisée par un matériau d'isolation thermique disposé entre ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) et le premier substrat.
La présence de ce matériau procure l'avantage de rigidifier la structure d'ensemble du capteur et, donc, d'accroître sa robustesse. Selon une caractéristique, ledit au moins un élément d'interface qui est agencé sur les faces opposées des deux substrats prend la forme d'une membrane de solidarisation qui relie entre eux ces substrats.
On notera que la membrane peut être constituée d'une bicouche en SiÛ2 et SixNy ou, alternativement, en une seule et même couche réalisée en SiOxNy ou en polymère.
Selon une caractéristique, la membrane de solidarisation présente une faible épaisseur offrant une faible résistance thermique au flux thermique axial généré par ledit au moins un élément chauffant et une résistance thermique élevée aux déperditions thermiques latérales du premier vers le second substrat.
Lorsque les deux substrats sont indépendants l'un de l'autre, chacun desdits au moins un élément d'interface agencés sur la face opposée de chaque substrat est un conducteur thermique afin de favoriser la conduction thermique à travers l'épaisseur dudit au moins un élément d'interface considéré. Par exemple, chaque élément d'interface est métallique.
Dans chacun de ces différents agencements un ou plusieurs éléments chauffants sont réalisés en technologie microélectronique en optimisant la surface disponible sur le substrat.
Selon une caractéristique, la réalisation dudit au moins un élément de mesure de température (Tw) et/ou dudit au moins un autre élément de mesure de température (Tb), lorsqu'il est présent, et/ou dudit au moins un élément chauffant est effectuée par implantation ionique, par diffusion thermique ou par dépôt métallique.
II est possible dans le cadre de l'implantation ionique, de la diffusion thermique ou du dépôt métallique de sélectionner la longueur et la largeur des résistances constitutives des éléments précités. On notera toutefois que les éléments de mesure de température peuvent alternativement ne pas être réalisés sous la forme de résistances mais, par exemple, de diodes.
De façon générale, on cherche à augmenter la valeur de la résistance électrique afin d'accroître la sensibilité du capteur. Pour ce faire, il est possible d'agir sur deux paramètres, à savoir la résistivité électrique (p) et un paramètre de forme (L/S).
La résistance d'un élément est donnée par la formule suivante :
R = p.(L/S)
où ,
p est la résistivité du matériau constituant l'élément,
L est la longueur du fil constituant l'élément,
S est la surface de l'élément définie par la formule suivante,
S = h*l
où I est la largeur de l'élément et h son épaisseur.
On notera que la résistivité dépend de la température et la relation de thermodépendance est du type p = po*(1 +αT+βT2) où α et β sont des coefficients de température du premier et du second ordre.
Dans le cadre de l'implantation ionique, il est possible de faire varier l'un et/ou l'autre des paramètres suivants pour ajuster la résistivité électrique : la dose d'implantation, l'énergie d'implantation (cela détermine la profondeur de la zone dans laquelle est effectuée l'implantation) et l'espèce ou les espèces implantées.
Il est également possible d'agir sur le dessin ou la géométrie de la zone implantée afin de modifier le paramètre de forme précité. On peut ainsi faire varier la longueur et/ou la surface de la zone.
Dans le cadre de la diffusion thermique, on ajuste la résistivité électrique par le choix d'une ou de plusieurs espèces implantées, par les conditions de réalisation de la diffusion thermique (température, durée, etc.) et également par le choix d'un dessin ou d'une géométrie pour la zone diffusée afin de modifier le paramètre de forme déjà évoqué.
En ce qui concerne le dépôt métallique, pour pouvoir ajuster la résistance électrique, il est possible de sélectionner le métal le plus adapté et/ou d'agir sur le dessin ou la géométrie de la zone implantée afin de modifier le paramètre de forme précité (on peut ainsi faire varier la longueur et/ou la surface du dépôt). En modifiant la valeur de la résistance du dépôt métallique, ce qui est particulièrement simple à réaliser en technologie microélectronique, on peut modifier très simplement la puissance de chauffe du capteur pour atteindre la densité de flux requise.
Selon une caractéristique, le dépôt métallique formant l'un des éléments précités prend la forme d'un ou de plusieurs serpentins ou lignes serrées entre elles de façon à obtenir une grande longueur de pistes métalliques sur une surface relativement réduite.
Selon une caractéristique, en cas d'implantation ionique le coefficient de température de la ou des résistances est ajusté par le choix de l'espèce à implanter et/ou la dose d'implantation ionique.
Selon une caractéristique, en cas d'implantation ionique la résistivité élevée de la ou des résistances implantées permet d'obtenir un dessin plus compact et donc un capteur plus petit qu'avec des dépôts métalliques.
Selon une caractéristique, le substrat est en silicium.
Selon une caractéristique, le capteur comprend un élément d'isolation thermique qui limite les dissipations thermiques du côté de la face sur laquelle sont agencés ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw). Ainsi, la propagation du flux thermique vers la face opposée du substrat est favorisée.
Selon une caractéristique, le capteur comprend, du côté de la face où est agencé ledit au moins un élément ou matériau d'interface, un élément de conduction thermique et un matériau d'interface additionnel, ledit élément de conduction thermique étant disposé entre ledit moins un élément d'interface et le matériau d'interface additionnel. Dans cette variante, ledit au moins un élément ou matériau d'interface du capteur n'est pas en contact direct avec le fluide.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) sont un seul et même élément.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un capteur de mesure ou de détection d'encrassement selon les technologies de fabrication de la microélectronique. Ce procédé comprend les étapes suivantes effectuées à partir d'un substrat conducteur thermique :
- formation sur une même face du substrat, d'une part, d'au moins un élément chauffant et, d'autre part, d'au moins un élément de mesure de température (Tw),
- formation d'au moins un autre élément de mesure de température (Tb) sur la face du substrat qui porte ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw),
- formation sur la face opposée du substrat d'au moins un élément ou matériau d'interface.
L'intégration de l'élément de mesure de température (Tw), et de l'élément chauffant du même côté du substrat (et par exemple dans un même plan) permet de simplifier le procédé de fabrication du capteur et également de simplifier l'établissement des connexions électriques de ces éléments.
L'agencement de l'autre élément de mesure de température (second élément de mesure de température (Tb)) du même côté du substrat que le premier élément de mesure de température et l'élément chauffant permet de simplifier le procédé de fabrication du capteur et également de simplifier l'établissement de l'ensemble des connexions électriques de ces trois composants.
Selon une caractéristique, le procédé comprend une étape de réalisation d'une isolation thermique entre, d'une part, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) et, d'autre part, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw).
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) étant formés dans une première portion du substrat, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) étant formé dans une seconde portion du substrat séparée de la première portion par une troisième portion de substrat, le procédé comporte une étape de suppression de la troisième portion de substrat. Cet enlèvement de matière réalisé par exemple par gravure chimique et/ou physique permet de réaliser une isolation thermique entre les première et seconde portions.
Selon une caractéristique, une isolation thermique est réalisée par la présence d'une lame de gaz statique (par exemple de l'air) dans l'espace laissé libre par la suppression de la troisième portion de substrat. Cette manière de réaliser l'isolation thermique est particulièrement simple et l'isolation résultante est particulièrement efficace.
Selon une caractéristique alternative, le procédé comporte une étape de remplissage, par au moins un matériau isolant thermique, de l'espace laissé libre par la suppression de la troisième portion de substrat.
Cette étape supplémentaire permet, outre l'isolation thermique qu'elle procure, de rigidifier mécaniquement la structure d'ensemble du capteur comprenant les deux portions de substrat.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément ou matériau d'interface s'étend sur la totalité de la face opposée du substrat et forme une membrane de solidarisation qui relie entre elles les première et seconde portions de substrat.
Selon une caractéristique, le procédé comprend une étape d'établissement des connexions entre ledit au moins un élément chauffant, ledit au moins un élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb), lorsqu'il est présent, et une électronique adaptée.
L'invention a en outre pour objet un système de mesure ou de détection de l'encrassement formé à l'intérieur d'un contenant renfermant un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de mesure ou de détection de l'encrassement tel que brièvement mentionné ci-dessus et un contenant renfermant un fluide.
Le système comprend en outre des moyens de mesure ou de détection d'encrassement à partir d'écarts de température relevés par ledit au moins un élément de mesure de température (Tw). Les caractéristiques et avantages déjà décrits en relation avec le capteur s'appliquent également au système et ne seront pas rappelés ici.
Selon une caractéristique, le capteur est associé à une paroi du contenant afin de pouvoir remplir sa fonction de mesure ou de détection de l'encrassement.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément ou matériau d'interface du capteur est en contact direct avec le fluide ou en contact indirect par l'intermédiaire d'un matériau d'interface additionnel.
On notera que le contact direct avec le fluide offre une plus grande sensibilité de mesure et/ou de détection et donc de meilleures performances du capteur.
En outre, la présence du matériau d'interface additionnel en contact avec le fluide, en écoulement, protège le capteur, au moins mécaniquement, voire également chimiquement, et le rend robuste aux agressions extérieures, notamment venant du fluide.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément ou matériau d'interface ou le matériau d'interface additionnel est monté affleurant par rapport à la paroi. Ainsi, Le fluide n'est pas perturbé par la présence du capteur. Un dépôt d'encrassement composé d'un ou de plusieurs types de corps présents dans le fluide peut se former sur ledit au moins un élément d'interface ou sur le matériau d'interface, de la même manière que s'il se formait sur la face interne de la paroi du contenant.
Dans le cas où l'on fait appel à un matériau d'interface additionnel en plus dudit au moins un élément ou matériau d'interface, on peut ainsi fabriquer en très grande série le capteur dans sa structure la plus simple comprenant le ou les éléments chauffants, le ou les éléments de mesure de température et ledit au moins un élément ou matériau d'interface et en rendant uniquement spécifique le matériau d'interface supplémentaire, fabriqué séparément, qui va être en contact avec le fluide.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 a est une vue schématique générale d'un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention et de moyens associés permettant sa mise en œuvre ;
- la figure 1 b est une vue schématique générale d'une variante de réalisation du capteur de la figure 1 a ;
la figure 2 est une vue schématique générale d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention et de moyens associés permettant sa mise en œuvre ;
la figure 3 est une vue schématique générale d'un capteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention et de moyens associés permettant sa mise en œuvre ;
- la figure 4 est une vue schématique générale d'une variante de réalisation du capteur de la figure 3;
- la figure 5 est une vue de dessous du premier substrat du capteur de la figure 4 montrant l'agencement de l'élément chauffant et du premier élément de mesure de température;
- la figure 6 est une vue de dessous du second substrat du capteur de la figure 4 montrant uniquement l'agencement du deuxième élément de mesure de température ;
- les figures 7 et 8 illustrent de façon schématique respectivement deux formes de réalisation différentes par implantation ionique/diffusion thermique et par dépôt métallique des éléments de mesure et de chauffe du capteur selon l'invention;
- les figures 9a à 9k illustrent de façon schématique les étapes de fabrication d'un capteur selon l'invention ;
la figure 10 est une vue schématique montrant l'implantation d'un capteur selon l'invention dans un corps monté dans une paroi d'un contenant ;
la figure 11 est une vue schématique montrant l'implantation d'un capteur selon une variante de l'invention dans un corps monté dans une paroi d'un contenant. La présente invention a pour but de proposer, grâce à la technologie microsystème, un capteur de petites dimensions capable de déterminer un encrassement dans un fluide en écoulement.
Plus particulièrement, l'invention a pour objet un microsystème destiné à mesurer la résistance thermique et/ou les propriétés thermiques
(conductivité thermique, capacité calorifique) d'un encrassement au sein d'un réacteur (au sens du Génie des Procédés) dont la nature et l'intensité peuvent être très variées et/ou connues.
Comme représenté schématiquement sur la figure 1a, un capteur 10 selon un premier mode de réalisation réalisé en technologie microsystème comprend plusieurs éléments fonctionnels assemblés sur un substrat 12 conducteur thermique.
Ce substrat est, par exemple, en silicium. Toutefois, il pourrait alternativement être réalisé dans un autre matériau favorisant la diffusion de la chaleur.
Plus particulièrement, le capteur comprend les éléments suivants agencés sur une même face 12a (face inférieure sur la fig.ia) du substrat:
- au moins un élément chauffant 14, qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat vers un milieu de mesure qui est ici un fluide ;
- au moins un élément de mesure de température (Tw) 16, qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat. On considère ici qu'il n'y a qu'un élément de mesure de température (Tw), mais plusieurs éléments sont envisageables selon les applications et les configurations de capteur. L'élément de mesure de température 16 est situé à proximité immédiate de l'élément chauffant 14 afin de bénéficier directement et sans retard du flux thermique. On notera qu'en raison des faibles dimensions du substrat et de sa bonne conductivité thermique, on peut négliger les gradients thermiques à l'intérieur de ce substrat.
Cet élément de mesure de température 16 peut par exemple entourer au moins partiellement ledit au moins un élément chauffant, ainsi que représenté sur la figure 5 qui sera décrite ultérieurement. L'élément chauffant 14 est alimenté par des moyens d'alimentation en énergie électrique 20 via des moyens de connexion 22.
L'élément chauffant est idéalement une résistance électrique dont la thermo-dépendance de la résistivité est connue.
Le dimensionnement de l'élément chauffant est réalisé en déterminant le flux de chaleur nécessaire pour pouvoir déceler un encrassement à la surface du capteur en fonction de l'application visée.
L'injection d'un courant électrique ou d'une tension (moyens d'alimentation 20) dans la résistance de chauffe génère une surchauffe de celle- ci. Un flux de chaleur est alors généré et varie en fonction de la puissance injectée dans l'élément chauffant. La valeur de sa résistance au repos est calculée en fonction de la puissance du flux de chaleur à générer. On notera que la tension résultante aux bornes de la résistance est mesurée.
L'élément de mesure de température 16, placé dans ce flux thermique, mesure la température en continu ou de façon discontinue (en fonction de la commande appliquée au capteur) et transmet ces mesures, via les moyens de connexion 24, à une unité de traitement de données 26 (par exemple, un calculateur).
Le capteur comprend également, agencé sur la face opposée 12b (face supérieure sur la fig.i a) du substrat, au moins un élément ou matériau d'interface 18 qui est un conducteur thermique réalisé par exemple sous la forme d'une couche ou d'une bicouche déposée sur le substrat 12.
L'élément ou matériau d'interface 18 transmet le flux thermique vers l'extérieur du capteur, en direction du milieu de mesure (fluide) avec lequel il est en contact, afin de dissiper cette chaleur.
Les données recueillies par l'unité 26 sont, après traitement, affichées par les moyens d'affichage 28, par exemple sous la forme de courbes représentant l'évolution temporelle de la température et/ou de l'épaisseur de la couche d'encrassement formée à la surface du capteur et qui est déterminée à partir d'écarts de température mesurés (Tw - Tb). Les données traitées et/ou d'autres informations telles que celles indiquant la présence ou l'absence d'encrassement à la surface du capteur peuvent être transmises à distance par des moyens de transmission 30.
Un signal d'alarme destiné à prévenir un opérateur en cas de détection d'encrassement peut, par exemple, être transmis à un centre de surveillance distant.
On notera que l'élément chauffant 14 et l'élément de mesure de température16 sont disposés du même côté du substrat 12, ce qui facilite, d'une part, leur implantation sur le substrat et, d'autre part, l'établissement de leurs connexions électriques avec les éléments 20 et 26 précités.
On notera que l'élément de mesure comporte des pistes ou plots de connexion qui permettent de fournir à cet élément l'énergie électrique nécessaire en provenance du dispositif 20 et de recueillir, au niveau du calculateur 26, les données de température.
La mesure effectuée aux bornes de l'élément 16 peut être réalisée en utilisant, par exemple, la technique bien connue des deux pointes qui permet, connaissant la tension et l'intensité électriques, d'en déduire de façon directe la valeur de la résistance.
Cette mesure est utilisée lorsque le bruit de mesure ou associé à la mesure n'est pas trop élevé.
Lorsque le bruit est trop élevé la mesure aux bornes de l'élément 16 peut être mise en œuvre en utilisant par exemple la technique bien connue des quatre pointes. Selon cette technique de mesure indirecte, on connaît la valeur de la tension imposée aux bornes, on mesure la valeur de l'intensité et l'on en déduit la valeur de la résistance.
La réalisation de l'élément de mesure de température (Tw) et/ou de l'élément chauffant est effectuée sur la face 12a du substrat par implantation ionique/diffusion thermique ou par dépôt métallique.
De façon non représentée sur la figure 1 a, le capteur peut comprendre un élément d'isolation thermique qui limite les dissipations thermiques du côté de la face 12a sur laquelle sont agencés l'élément chauffant et l'élément de mesure de température (Tw). Un tel élément est représenté sur les figures 10 et 11.
Selon une variante non représentée ici, le capteur peut comprendre, du côté de la face opposée 12b où est agencé ledit moins un élément ou matériau d'interface 18, un élément de conduction thermique et un matériau d'interface, ledit élément de conduction thermique étant disposé entre ledit moins un élément d'interface et le matériau d'interface. Le capteur est alors en contact avec le fluide par l'intermédiaire du matériau d'interface et non de l'élément 18 de la figure 1.
Une telle variante est illustrée sur la figure 11 qui sera décrite ultérieurement.
La description qui suit illustre une version plus élaborée d'un capteur microsystème selon un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 2.
Les éléments communs aux figures 1 a et 2 qui sont repris sur la figure 2 conservent les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau ici.
Le capteur 40 diffère du capteur 10 de la figure 1 a en ce qu'il comprend au moins un autre élément de mesure de température (Tb) noté 42.
Cet autre élément de mesure de température 42 (deuxième élément) est agencé sur une face 44a d'un second substrat 44 (par exemple en silicium comme le premier substrat 12) qui est isolé thermiquement du premier substrat
12 sur lequel sont agencés l'élément chauffant 14 et le premier élément de mesure de température 16.
En effet, il est important que le deuxième élément de mesure 42 ne soit pas influencé par le flux de chaleur dissipé.
L'isolation thermique est ici réalisée par un gaz statique, par exemple de l'air.
Toutefois, un autre matériau d'isolation pourrait être interposé entre les deux substrats.
La fonction de cet élément de mesure est de mesurer la température du fluide, par exemple, de manière continue ou discontinue (en fonction de la commande appliquée au capteur). L'élément de mesure 42 transmet ces mesures, via les moyens de connexion 48, à l'unité de traitement de données 26
La face sur laquelle est disposé le deuxième élément de mesure 42 est du même côté que la face 12a afin, là également, de bénéficier des mêmes avantages que ceux décrits en relation avec la figure 1 a.
Le capteur comprend également, agencé sur la face opposée 44b (face supérieure sur la fig.2) du substrat, au moins un élément ou matériau d'interface 46 réalisé par exemple sous la forme d'une couche ou d'une bicouche déposée sur le substrat 44.
Le second substrat 44 est lui aussi un matériau conducteur thermique afin que la température du fluide qui est en contact avec l'élément ou matériau d'interface 46 puisse être mesurée par le deuxième élément de mesure 42.
On notera que selon, une variante non représentée, l'autre élément de mesure de température (Tb) peut entourer au moins partiellement l'élément chauffant.
Plus particulièrement, le second substrat lui-même peut entourer au moins partiellement le premier substrat comme illustré aux figures 4 et 6 qui seront décrites ci-après.
Selon une variante illustrée à la figure 1 b, l'élément chauffant et l'élément de mesure de température sont un seul et même élément 15 agencé sur la face 12a du substrat.
On notera que cette variante peut également s'appliquer aux configurations des figures 2 à 4 décrites ci-après.
L'élément 15 est donc, d'une part, apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé dans le substrat 12 et, d'autre part, à mesurer la température du substrat ainsi chauffé.
Les connexions 22 et 24 analogues à celles de la figure 1 a permettent l'alimentation électrique en provenance de l'unité 20 et la délivrance de signaux de mesure à l'unité 26.
Le capteur 11 ainsi conçu est encore plus simple à fabriquer que celui de la figure 1 a. La génération du flux thermique et la mesure de température peuvent être effectuées au cours de phases différentes espacées dans le temps et alternées.
Alternativement, la génération du flux thermique et la mesure de température peuvent être effectuées de façon quasi-simultanée mais avec un léger décalage dans le temps.
Comme représenté sur la figure 2, les deux substrats 12 et 44 sont indépendants l'un de l'autre. Chacun des éléments ou matériaux d'interface respectifs 18, 46 agencés sur la face opposée de chaque substrat est un conducteur thermique afin de favoriser la conduction thermique à travers l'épaisseur de l'élément d'interface considéré. Chaque élément ou matériau d'interface 18, 46 offre donc une très faible résistance thermique. Ainsi, cela permet de favoriser l'échange thermique entre le fluide et le substrat et, donc, le deuxième élément de mesure 42 permet de mesurer de façon plus réactive la température du fluide. Cela permet également au flux généré par l'élément chauffant 14 de se dissiper rapidement dans le fluide.
La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation d'un capteur microsystème.
Les éléments communs aux figures 2 et 3 qui sont repris sur la figure 3 conservent les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau ici.
Le capteur 50 diffère du capteur 40 de la figure 2 en ce que l'élément ou matériau d'interface qui est agencé sur les faces opposées des deux substrats 12b et 44b prend la forme d'une membrane de solidarisation 52. Cette membrane s'étend sur chacune desdites faces et se prolonge entre les substrats afin de les relier mécaniquement l'un à l'autre.
La membrane de solidarisation constitue un élément de maintien mécanique du monolithe ainsi constitué. Cette membrane de faible épaisseur offre une faible résistance thermique au flux axial généré par l'élément chauffant 14 (premier substrat 12) et une résistance thermique élevée aux déperditions thermiques latérales (déperditions vers le deuxième substrat 44). On notera que la résistance thermique varie de façon linéaire avec l'épaisseur (résistance thermique proportionnelle à l'épaisseur) du substrat vers le fluide (direction axiale) et de façon inversement proportionnelle à cette épaisseur (résistance thermique proportionnelle à l'inverse de l'épaisseur) suivant une direction latérale. Ainsi, en diminuant l'épaisseur de la membrane, la résistance thermique de celle-ci, du substrat vers le fluide, tend vers une valeur nulle, alors que la résistance thermique latérale, c'est-à-dire de la partie centrale vers la partie périphérique, tend vers une valeur infinie et s'oppose donc au passage du flux dans cette direction.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 3, une isolation thermique est réalisée entre les deux substrats 12 et 44 par une lame de gaz statique (par exemple de l'air) qui est un bon isolant.
Selon une variante non représentée, l'isolation thermique est réalisée par un matériau d'isolation thermique disposé entre le deuxième substrat 44 où est implanté le deuxième élément de mesure de température (Tb) 42 et le premier substrat 12. Un tel agencement permet d'augmenter la robustesse de la structure du capteur microsystème.
Comme pour les modes de réalisation précédents, la réalisation des premier et deuxième éléments de mesure de température et de l'élément chauffant est effectuée par implantation ionique/diffusion thermique ou par dépôt métallique.
La figure 4 illustre une variante de réalisation du capteur microsystème de la figure 3.
Les éléments communs aux figures 3 et 4 qui sont repris sur la figure 4 conservent les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau ici.
Le capteur 60 diffère du capteur 50 de la figure 3 par l'agencement des deux substrats 62 et 64 l'un par rapport à l'autre, ainsi que par la configuration des deux éléments de mesure de température et de l'élément chauffant les uns par rapport aux autres.
Ainsi, la structure du capteur microsystème 60 comporte une partie centrale 62 formant le premier substrat et une partie périphérique 64 formant le deuxième substrat et entourant complètement la partie centrale comme illustré sur les figures 4 et 6 (sur la figure 6 la partie centrale n'a pas été représentée). La partie centrale 62 est par exemple formée par un bloc monolithique de silicium dont l'épaisseur est définie par les dimensions de la plaque utilisée pour la réalisation technologique du capteur, typiquement de l'ordre de 300 à 500μm. Ce bloc central de silicium possède des dimensions minimales de 1 mm de côté. C'est sur la face inférieure 62a de ce bloc de silicium que sont intégrés l'élément chauffant 66 et le premier élément de mesure de la température pariétale (Tw) 68. Le flux de chaleur généré par l'élément chauffant est transmis vers le fluide grâce aux propriétés de conduction du silicium (λ=150W/m/K à température ambiante).
Comme représenté sur la figure 5, l'élément de mesure de température 68 prend par exemple la forme d'un U qui entoure partiellement l'élément chauffant 66. Ainsi, l'élément de mesure 68 reçoit de façon relativement homogène le flux de chaleur généré par l'élément chauffant 66.
On notera que, dans une variante non représentée, l'élément de mesure de température 68 peut entourer complètement l'élément chauffant 66 afin de profiter de façon encore plus homogène du flux de chaleur.
La partie périphérique 64, elle aussi en silicium, supporte, sur sa face inférieure 64a, un deuxième élément de mesure de température 70 destiné à mesurer la température du fluide. On utilise là aussi les propriétés de conduction du silicium pour « capter» la température du fluide.
Comme représenté sur les figures 4 et 6, le deuxième élément de mesure de température 70 entoure partiellement la partie centrale 62 et, donc, le premier élément de mesure de température 68 et l'élément chauffant 66.
Comme pour les modes de réalisation précédents, l'élément chauffant et les deux éléments de mesure de température sont réalisés par exemple :
- soit par implantation ionique/diffusion thermique ; il s'agit d'une technique qui présente les avantages d'offrir un encombrement minimal du dispositif réalisé, un choix de la résistivité de la résistance et du coefficient de température dans une gamme allant, par exemple, de 0 à 7000ppm/°C ;
- soit par un dépôt métallique, par exemple, de platine ou de nickel. Tous les composants intégrés sur le capteur sont accessibles du même côté du substrat conduisant à une schématique électrique simple comportant au minimum six plots de connexion dans cette configuration.
Les deux parties 62 et 64 sont maintenues ensemble par la membrane diélectrique 52 située sur les faces opposées à celles sur lesquelles sont intégrés les éléments de mesure de température. Cette membrane est un isolant électrique et thermique (par exemple, λ<1 ,5W/m/K) dont l'épaisseur ne dépasse pas 10μm. Cette membrane peut être en contact direct avec le milieu de mesure (fluide), comme représenté sur la figure 4.
Alternativement, un matériau d'interface additionnel peut être interposé entre la membrane et le milieu de mesure, comme illustré sur la figure 11 qui sera décrite ultérieurement.
La membrane 52 est connue pour avoir des contraintes mécaniques minimales.
Cette membrane peut être, par exemple, au choix:
- une bicouche composée d'oxyde de silicium SiO2 (800nm) et de nitrure de silicium non stœchiométrique SixNy (600nm) ;
- un oxynitrure de silicium SiOxNy (1 à 10μm) ;
- un polymère ou une résine (plusieurs micromètres d'épaisseur). On notera que le capteur 60 représenté sur la figure 4 est parfaitement plat en surface du côté de la membrane 52, ce qui est préférable lorsque cette membrane est en contact direct avec le milieu de mesure, afin de perturber ce dernier aussi peu que possible.
La planéité du capteur est également recherchée lorsqu'un matériau additionnel doit être agencé en regard de la membrane afin d'obtenir un contact aussi intime que possible entre les éléments et, donc, afin de réduire le plus possible les résistances thermiques.
L'isolation thermique entre les deux parties 62 et 64 est obtenue par la gravure profonde du silicium autour de la partie centrale afin de ménager un espace périphérique 72. L'isolation thermique entre la partie centrale et la partie périphérique est alors assurée par la simple présence d'un gaz statique (par exemple l'air) entre ces deux parties ou, selon une variante non représentée, en utilisant un matériau isolant en vue d'augmenter la robustesse du microsystème.
On notera que le capteur 60 a une forme générale carrée dont le côté ne dépasse pas 5mm de longueur.
La figure 7 illustre un exemple de configuration pour un capteur microsystème 80 dans lequel l'élément chauffant 82 et les deux éléments de mesure de température 84 et 86 sont réalisés par implantation ionique ou diffusion thermique.
Dans la partie centrale du capteur, le premier élément de mesure de température 84 qui a par exemple la forme générale du chiffre « 2 » couché est disposé à côté de l'élément chauffant 82, tandis que, dans la partie périphérique, le deuxième élément de mesure de température 86 entoure partiellement le premier élément de mesure de température et l'élément chauffant. La zone 88 en forme de carré qui ceinture la partie centrale du capteur représente la zone d'isolation thermique (par exemple, il s'agit d'un espace laissé libre et occupé par de l'air) entre les deux parties du capteur.
Des plots de connexion 82a, 82b, 84a, 84b, 86a-d sont prévus pour chaque élément de mesure et pour l'élément chauffant afin de permettre l'établissement des connexions électriques avec les éléments 20 et 26 représentés sur la figure 4.
La figure 8 illustre un exemple de configuration pour un capteur microsystème 90 dans lequel l'élément chauffant 92 et les deux éléments de mesure de température 94 et 96 sont réalisés par dépôt métallique.
Dans la partie centrale du capteur, le premier élément de mesure de température 94 est fortement imbriqué avec l'élément chauffant 92. Les plots de connexion extérieurs 94a, 94b de l'élément de mesure et intérieurs 92a, 92b de l'élément chauffant sont représentés.
Dans la partie périphérique, le deuxième élément de mesure de température 96 entoure partiellement le premier élément de mesure de température 94 et l'élément chauffant 92.
Chacun des éléments chauffant 92 et premier élément de mesure de température 94 est réalisé sous la forme de résistances métalliques qui prennent la forme de serpentins ou de lignes agencés à la surface du substrat de façon très serrée afin d'obtenir une très grande longueur de dépôt métallique dans un encombrement réduit. Les dessins des deux éléments sont ainsi fortement entremêlés, ce qui permet, d'une part, aux deux éléments d'occuper moins de surface et, d'autre part, à l'élément de mesure d'être plus intimement placé dans le flux thermique homogène généré par l'élément chauffant.
Le deuxième élément de mesure de température 96 prend également la forme de serpentins ou de lignes agencés de façon très serrée pour les mêmes raisons. La forme générale de l'élément de mesure 96 est par exemple celle d'un U.
Des plots de connexion 96a-d sont prévus pour le deuxième élément de mesure afin de permettre l'établissement des connexions électriques avec les éléments 20 et 26 représentés sur la figure 4.
Un exemple de réalisation d'un procédé de fabrication d'un capteur microsystème selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 9a à 9k.
Le capteur est fabriqué à partir d'un substrat 100 par exemple en silicium qui est poli sur ses deux faces opposées 100a, 100b et qui peut être initialement dopé avec une espèce et une concentration connues (figure 9a). Le dopage est par exemple de type P.
Ce dopage est par exemple réalisé avec du Bore (1015 atomes par cm3).
L'épaisseur du substrat est classiquement comprise entre 300 et 500 micromètres et est par exemple égale à 400 micromètres.
Au cours d'une deuxième étape illustrée sur la figure 9b, on réalise une oxydation thermique du substrat à haute température, par exemple sur les deux faces 100a et 100b afin d'obtenir une couche d'oxyde 102, 104 respectivement sur chacune des faces 100a, 100b du substrat.
La couche d'oxyde est par exemple formée de SiÛ2 d'une épaisseur par exemple égale à 800 nanomètres. On notera que l'on peut se contenter de la seule couche d'oxyde 104 agencée sur la face supérieure 100b au lieu d'une couche d'oxyde sur les deux faces du substrat.
La figure 9c illustre une troisième étape du procédé de fabrication au cours de laquelle on dépose sur chacune des couches d'oxyde 102 et 104 une couche de SixNy et afin d'obtenir les couches 106 et 108.
On notera, là encore, que la formation de la couche 106 (tout comme celle de la couche 102) n'est pas toujours nécessaire.
Les couches 106 et 108 sont par exemple réalisées par une technique connue de dépôt par voie chimique à basse pression de type LPCVD (acronyme signifiant en terminologie anglo-saxonne « Low Pressure Chemical Vapor Déposition »).
Ces dépôts d'une épaisseur par exemple égale à 600 nanomètres sont par exemple réalisés à une température de 800°C pendant une durée de 96 mn.
La figure suivante 9d illustre une première étape de photolithographie qui a pour but de préparer les emplacements où vont être intégrés les différents composants fonctionnels du capteur (élément chauffant et éléments de mesure de température).
Au cours de cette étape une gravure par exemple de type RIE est réalisée afin de créer des ouvertures dans la double couche inférieure 102, 106. On crée ainsi une pluralité d'ouvertures 110, 112 et 114 du côté de la face inférieure 100a du substrat en laissant localement des zones avec les deux couches superposées 102 et 106.
On notera que la structure microsystème est tridimensionnelle et que les deux zones ouvertes repérées par la flèche 110 constituent une seule et même ouverture qui constitue une tranchée ayant la forme de la résistance à intégrer. Il en est de même pour les zones repérées par la flèche 112.
La figure suivante 9e correspond à la première étape d'intégration des composants fonctionnels du capteur. Dans cet exemple de réalisation les différents composants fonctionnels (élément chauffant et éléments de mesure de température) sont réalisés par implantation ionique/diffusion thermique.
Dans les ouvertures 110, 112 et 114 créées à l'étape 9d on réalise une implantation ionique par exemple avec du phosphore.
On notera que les zones formées par des portions de couches superposées 102 et 106 situées de part et d'autre des ouvertures précitées ont été volontairement laissées car ces zones permettent de repérer facilement les zones implantées.
L'implantation ionique est plus particulièrement réalisée par un dopage de type N (avec un matériau pentavalent tel que le phosphore, par exemple) ou de type P (avec un matériau trivalent tel que le Bore, par exemple), avec une énergie qui peut aller de 20keV à 200 keV et qui détermine la profondeur de la zone implantée. Dans l'exemple, on peut retenir un dopage de type N au phosphore avec une énergie d'implantation égale à 20keV.
Plusieurs doses d'implantation peuvent être utilisées au choix, ce qui permet de modifier la concentration en dopants et ainsi d'ajuster la résistivité électrique de la zone implantée, de même que son coefficient de température.
En général, plus la dose est élevée plus la résistivité est faible.
A titre d'exemple, on utilise des doses de 1013, 1014 ou 1015 atomes par cm2.
L'étape illustrée sur la figure suivante 9f a pour but de réorganiser le réseau cristallin et de faire diffuser les dopants (redistribution) afin que les atomes de silicium et les ions implantés se réorganisent selon un réseau régulier.
Pour ce faire, il est prévu d'effectuer un recuit dans une atmosphère oxydante telle qu'une atmosphère d'oxygène, par exemple, pendant une durée de 2 heures à une température d'environ 1050°C.
A l'issue de cette étape on constate la formation d'une couche d'oxyde 130, 132 et 134 à la surface de chaque zone implantée 120, 122 et 124. La couche d'oxyde locale empêche ainsi les ions implantés de se rediffuser dans l'atmosphère (phénomène d'exodiffusion).
L'étape suivante illustrée par la figure 9g est une deuxième étape de photolithographie.
Au cours de cette étape, on enlève localement l'oxyde formé sur les portions locales 130, 132 et 134 de la figure 9f afin de créer des ouvertures dans lesquelles seront formés ultérieurement des contacts métalliques. Ces contacts vont permettre l'établissement des connexions des composants fonctionnels du capteur avec l'électronique d'alimentation et d'analyse de signaux de mesure du capteur.
Comme représenté sur la figure 9g, des ouvertures 140, 141 , 142, 143, 144 et 145 sont formées dans les portions de couche d'oxyde 130 à 132, 134.
Ces ouvertures sont formées, par exemple, par une technique classique de photolithographie utilisant un masque de résine, puis par une attaque chimique de l'oxyde par de l'acide fluorhydrique.
Au cours de l'étape illustrée sur la figure 9h on procède à une opération de métallisation sur l'ensemble de la face inférieure du substrat représentée à la figure 9g (métallisation pleine plaque).
Cette étape a pour but de réaliser les contacts métalliques/plots de connexion qui vont permettre l'établissement des connexions électriques des composants fonctionnels du capteur avec l'électronique d'alimentation et d'analyse des signaux de mesure.
On forme ainsi un dépôt métallique 152 sur toute la surface en relief de la face inférieure du substrat illustrée à la figure 9g.
Cette étape de métallisation est par exemple effectuée en utilisant de l'aluminium et une épaisseur de 500 nanomètres et est ainsi déposée à chaque emplacement de la surface (pleine plaque).
On notera que d'autres métaux peuvent alternativement être utilisés tels que, par exemple, le titane et/ou de l'or.
L'étape suivante illustrée à la figure 9i est une troisième étape de photolithographie. Au cours de cette étape on procède à une gravure ou à une attaque chimique de la métallisation effectuée à l'étape précédente, afin de laisser les plages métalliques aux endroits appropriés pour qu'ils forment ainsi les plots de connexion mentionnés précédemment.
A titre de variante, pour la réalisation des contacts métalliques, il est possible d'effectuer une étape connue sous le nom de lift-off.
Cette étape est suivie d'une opération de recuit d'activation qui pour but de faire interpénétrer les atomes de métal déposés dans les résistances implantées ioniquement et d'ordonner les atomes de métal.
Ce recuit est un recuit métallique effectué par exemple à une température de 450°C pendant 20 mn.
Après gravure, les zones métalliques qui restent sont les zones 154, 156, 158, 160, 162 et 164 comme illustré sur la figure 9i.
Ce sont ces zones qui permettront l'établissement des connexions avec les composants fonctionnels du capteur.
On procède ensuite au cours de l'étape illustrée sur la figure 9j à une quatrième étape de photolithographie.
Cette étape a pour but de préparer une prochaine étape de gravure profonde dans le substrat 100 afin de réaliser une isolation thermique entre deux portions de ce substrat.
Comme représenté sur la figure 9j, on effectue un dépôt d'une résine de protection en face arrière du substrat sur les zones à protéger et qui sont celles comportant les composants fonctionnels et les contacts métalliques, ainsi que certaines zones revêtues des deux couches 102, 106.
On dépose ainsi la résine sur toute la face arrière et, par photolithographie, on laisse la résine sur une zone centrale 192 de la partie centrale du substrat et sur une zone périphérique 194 entourant la zone centrale.
On notera que la résine de protection restante sur la zone 194 prend par exemple la forme d'un carré entourant la zone centrale 192, afin d'aboutir ultérieurement à la forme illustrée sur les figures 4 et 6. L'étape suivante illustrée à la figure 9k comprend deux étapes de gravure RIE. Une première étape consiste à graver la bicouche 102, 106. La deuxième étape est une étape de gravure DRIE, (acronyme signifiant « Deep Reactive Ion Etching ») et qui est effectuée jusqu'à la couche 104, afin de séparer physiquement une première portion centrale du substrat 100c d'une deuxième portion périphérique du substrat 100d.
Cette gravure profonde permet d'enlever une troisième portion de substrat située entre les première et deuxième portions et notée 100e sur la figure 9j.
Cette troisième portion est une portion en forme de tranchée de section carrée qui entoure la première portion 100c.
Ainsi séparées les première et deuxième portions sont isolées thermiquement l'une de l'autre par l'espace 196 entourant la première portion
100c et qui a été laissée libre après la suppression de la troisième portion 100e.
Alternativement, l'étape illustrée à la figure 9k peut être effectuée par gravure chimique.
On notera que dans une variante de réalisation non représentée sur les figures cet espace laissé libre 196 peut être rempli d'un matériau isolant thermiquement entre les première et deuxième portions de substrat.
La structure microsystème obtenue à la figure 9k comporte ainsi, agencés sur une face 100a du substrat, dans la partie centrale, des composants fonctionnels 122 et 124 et dans la partie périphérique du composant fonctionnel 120.
Plus particulièrement, le composant 122 prend la forme d'une résistance obtenue par implantation et qui entoure partiellement une résistance 124 centrale obtenue par implantation.
La résistance centrale 124 joue le rôle de l'élément chauffant 66 de la figure 5, tandis que la résistance 122 joue le rôle du premier élément de mesure de température 68 de la figure 5.
Par ailleurs, le composant fonctionnel 120 de la deuxième portion périphérique 100d est une résistance obtenue par implantation et qui joue le rôle du deuxième élément de mesure de température 70 de la figure 6. En outre, sur la face du substrat qui est opposée à celle sur laquelle sont implantés les composants fonctionnels précités, la double couche 104, 108 décrite en relation avec les figures 9a à 9c joue le rôle de la membrane de solidarisation 52 illustrée sur la figure 4. Elle relie ainsi entre elles la première portion de substrat 100c et la deuxième portion de substrat 100d.
Ainsi, le capteur est fabriqué à partir d'un bloc ou substrat unique, par exemple en silicium, qui est micro-usiné pour différencier deux surfaces d'échanges thermiques avec le fluide, isolées entre elles par le micro-usinage. Une surface, la plus importante, s'équilibre avec la température du fluide et l'autre prend une température différente comprise entre la température du fluide et celle d'une source chaude (élément chauffant) intégrée dans le silicium.
Grâce à la technologie microsystème l'élément de mesure de température présente une très grande sensibilité en température qui est par exemple inférieure à 0,05°C.
Par ailleurs, la technologie microsystème permet de concevoir un capteur présentant les caractéristiques et avantages suivants :
faible taille (quelques centaines de micromètres),
faible puissance (quelques milliwatts),
grande sensibilité de l'élément de mesure (inférieure à 0,05°C), - proximité des éléments fonctionnels les uns par rapport aux autres, temps de réponse très faible.
Lorsque le capteur est utilisé, la membrane de solidarisation joue le rôle d'élément d'interface et peut être en contact direct avec le fluide comme représenté sur la figure 10 ou en contact indirect par l'intermédiaire d'éléments supplémentaires (figure 11 ).
Selon une variante de réalisation, les composants fonctionnels du capteur microsystème selon l'invention peuvent être réalisés par dépôt métallique et non implantation ionique ou diffusion thermique.
Selon cette variante, on fabrique une structure voisine de celle de la figure 9c décrite ci-dessus mais sans bicouche sur la face inférieure du substrat 100. Pour ce faire, soit on part de la structure obtenue à la figure 9c et l'on enlève la double couche 102, 106 de la face inférieure, soit on ne forme une double couche que sur la face supérieure du substrat.
On effectue ensuite à partir du substrat 100 pourvu de la double couche 104, 108 un dépôt métallique, par exemple de nickel, sur la face inférieure 100a du substrat.
Ce dépôt est par exemple réalisé par la technique connue de « lift- off ».
Au cours d'une étape suivante, on réalise la formation des contacts métalliques (plots de connexion) par la technique précitée de « lift-off » en utilisant par exemple l'aluminium comme métal.
Cette étape est suivie d'un recuit de métallisation.
On aboutit ainsi à un substrat pourvu sur sa face supérieure d'une double couche d'éléments d'interface (couches 104 et 108) et sur sa face inférieure des composants fonctionnels nécessaires au capteur et réalisés sous la forme de résistances métalliques obtenues par dépôt métallique.
Dans le cadre de cette variante, on procède ensuite à une gravure profonde du substrat, comme indiqué plus haut en référence aux figures 9j et 9k, afin d'obtenir la structure microsystème déjà décrite ci-dessus.
La figure 10 illustre un exemple de réalisation dans lequel le capteur microsystème 200 de la figure 9k (qui est aussi celui de la figure 4) est associé à une paroi 202 d'un contenant 204 (par exemple un réacteur chimique ou bien une cuve) dans lequel un fluide en écoulement symbolisé par la flèche F est présent.
On notera que le contenant 204 renfermant le fluide peut être d'un autre type tel qu'une conduite ou une canalisation d'une installation industrielle, ....
On notera en outre que le fluide présent dans le contenant n'est pas nécessairement au repos mais peut être en écoulement.
Le capteur microsystème 200 est monté dans l'une des parois du contenant comme indiqué sur la figure 10 par l'intermédiaire d'un corps 206 dans lequel le microsystème est intégré.
Plus particulièrement, le capteur 200 est agencé dans une enveloppe cylindrique creuse 208 pourvue à une de ses extrémités longitudinales 208a d'une plaque 210 formant épaulement et qui a par exemple une forme de disque ou de pastille. Cette plaque est par exemple soudée à l'enveloppe cylindrique 208.
L'extrémité opposée 208b est, quant à elle, ouverte sur l'extérieur. On notera que d'autres formes de corps peuvent être envisagées sans remettre en cause le fonctionnement du capteur.
La plaque 210 formant épaulement est destinée à être insérée dans un aménagement prévu de façon correspondante dans la paroi 202 du contenant afin d'être montée en position affleurante par rapport à cette dernière.
Cette plaque 210 est ouverte dans sa partie centrale, afin de recevoir le capteur. Ce dernier est au contact du fluide F par la face externe de la bicouche 104, 108 (membrane de solidarisation).
Un tel agencement permet de conférer au capteur une sensibilité accrue par rapport à ce qui est décrit sur la figure 11.
On notera que la face externe du capteur, la face externe 210a de l'épaulement et la surface 202a de la paroi sont disposées à la même côte afin de ne pas introduire de perturbation dans l'écoulement.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 10, le capteur microsystème est monté sur un support 212 tel qu'une carte de circuit imprimé dont le rôle est de créer les contacts électriques nécessaires entre ce capteur microsystème et la partie du système associé qui assure l'alimentation électrique et le traitement de l'information de ce capteur. Ces contacts électriques coopèrent avec les pistes ou plots illustrés par exemple sur les figures 7, 8 et 9k et brièvement décrits plus haut par l'intermédiaire de fils de connexion 211 a et 211 b (figure 10).
On notera par ailleurs, que le support est relié aux éléments 20, 26, 28 et 30 de la figure 4 par des connexions 213a et 213b.
Afin de dissiper au maximum le flux thermique homogène et contrôlé généré par l'élément chauffant vers l'avant du capteur microsystème, c'est-à-dire vers le fluide, un élément d'isolation thermique 214 est introduit dans le corps 206 par l'extrémité arrière. Cet élément 214, tel qu'une une pâte à faible coefficient de conductivité thermique, est disposé contre la face arrière du support 212 afin de former un écran thermique à l'arrière du corps et ainsi de canaliser le flux thermique vers l'avant dudit corps.
La plaque membrane 104, 108 jouant le rôle d'interface avec le fluide est adaptée pour que sa face externe 108a soit représentative de l'état de surface de la paroi 202 du contenant afin que le dépôt d'une couche d'encrassement sur la face 108a soit réalisé de façon quasi identique au dépôt d'une couche d'encrassement sur la face interne 210a de la paroi du contenant.
En effet, c'est sur la face externe 108a que le phénomène d'encrassement va être suivi selon l'invention, étant entendu que ce phénomène se produit bien sûr à d'autres endroits de la surface interne 202a de la paroi.
Ainsi, la détermination de l'encrassement formé sur la face 108a, détermination qui correspond soit à une mesure d'encrassement soit à une détection d'encrassement, sera particulièrement fiable compte tenu de la nature de cette face externe.
Afin que la face externe 108a soit représentative de l'état de surface de la paroi du contenant, il est préférable que cette face soit dans le même matériau et possède une rugosité équivalente à celle de la paroi.
Ainsi, par exemple dans le cadre d'une application agro-alimentaire, la paroi 202 peut être en acier inoxydable et la face 108a du capteur aura la même rugosité, tout comme la face 202a de la paroi.
De préférence, la face externe 108a est réalisée dans un matériau de même nature que celui de la paroi du contenant. Si ce matériau n'est pas identique, il doit au moins être d'une nature compatible avec celle du matériau constitutif de la paroi, le fonctionnement du process et le fluide.
La figure 11 illustre de façon schématique une autre installation possible d'un capteur microsystème tel que celui de la figure 4 dans la paroi 202 du contenant 204.
Dans cet exemple de réalisation le capteur 200 est en contact avec le fluide F par la face externe 220a d'un matériau d'interface additionnel 220.
Ceci constitue la seule différence avec le système de la figure 10. Les éléments de la figure 10 sont repris sur la figure 11 avec les mêmes références et ne seront pas à nouveau décrits. Ce matériau d'interface peut être un élément distinct du corps 206 ou constituer une région centrale amincie de la plaque 210.
Toutes les caractéristiques décrites ci-dessus en référence à la figure 10, notamment à propos de l'état de surface de la face externe 108a du capteur s'appliquent ici à la face externe 220a du matériau d'interface 220.
Le matériau d'interface 220 est par exemple réalisé dans un matériau identique à celui de la paroi du contenant.
Dans cet exemple, la plaque 210, tout comme l'enveloppe cylindrique 208 sont réalisées en acier inoxydable, matériau qui est celui utilisé pour la paroi 202 et notamment sa surface interne 202a.
Les propriétés thermo-physiques du ou des matériau(x) d'interface, notamment son épaisseur E [m] entre l'élément de mesure de température et le milieu de mesure, sa conductivité thermique λ [W. m"1. K"1], sa chaleur spécifique Cp [J. kg"1. K"1] et sa masse volumique p [kg/m3] sont parfaitement connues. Ainsi, sachant que les effets de bord et les déperditions thermiques sont négligeables, il est aisé de calculer la température précise Tp à la surface du ou des matériau(x) d'interface qui est en contact avec le fluide et donc offerte à un encrassement quelconque.
T - T - P χ E
où P est la puissance dissipée à travers l'élément chauffant [W] et S est la surface de la zone active, c'est-à-dire la surface de la zone chauffée [m2]. On remarque qu'en l'absence de matériau d'interface (E = 0) : Tw = Tp.
Pour augmenter au maximum l'échange thermique entre l'élément chauffant du capteur microsystème et la face interne 220b du matériau 220, un élément de transmission de chaleur 222, tel qu'une pâte thermique avec un fort coefficient de conductivité thermique, est placé au contact du microsystème et de la face interne 220b.
On notera qu'en présence de matériau d'interface on suit de préférence la différence de température Tp-Tb. Le capteur qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 à 11 peut être utilisé en régime thermique permanent ou périodique en conditions stationnaires ou instationnaires pour mesurer et/ou détecter l'encrassement formé sur la face externe 108a de la figure 10 ou sur la face externe 220a du matériau d'interface additionnel de la figure 11.
On entend par « encrassement » tout dépôt se formant sur la face externe de l'élément considéré à partir de corps qui sont présents dans le fluide de manière temporaire ou permanente.
On notera par ailleurs que l'on peut ainsi effectuer la mesure et/ou la détection d'encrassement sur site et en temps réel.
Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer des prélèvements sur site, suivis d'analyses ultérieures des échantillons prélevés aux fins de mesures et/ou de détections d'encrassement.
Le capteur illustré sur la figure 1a peut par exemple être utilisé en alternant des phases de chauffe (on commande la diffusion d'un flux thermique par l'élément chauffant 14) et de non chauffe (non diffusion d'un flux thermique) sur une durée donnée.
On peut ainsi choisir d'effectuer cette alternance de phases de chauffe et de non chauffe tout au long du déroulement d'un process industriel ou bien seulement lors de certaines étapes de celui-ci.
Durant ces phases de chauffe et de non chauffe, l'élément de mesure 16 mesure en permanence la température.
Lorsque l'état de surface est propre (pas d'encrassement), le flux thermique produit par l'élément chauffant est transféré à l'élément de mesure et à l'élément d'interface (ou bien selon le cas, au matériau d'interface comme sur la figure 11 ), puis diffusé dans le milieu de mesure (fluide).
La température mesurée par l'élément de mesure reste alors sensiblement constante et proche de la température du milieu.
En revanche, lorsqu'un encrassement se forme sur la face externe de l'élément ou matériau d'interface 18 sur la figure 1a ou du matériau d'interface additionnel précité, le flux thermique généré par l'élément chauffant va provoquer une élévation de température au niveau de l'élément d'interface ou du matériau d'interface.
En effet, la couche d'encrassement qui se forme agit comme un isolant thermique qui réduit les échanges thermiques avec le milieu de mesure et donc la dissipation du flux.
Dans ces conditions, on constate un écart de températures croissant entre la température mesurée par l'élément de mesure en phase de chauffe et la température mesurée en phase de non chauffe.
Cet écart de températures est représentatif de l'encrassement formé à l'instant correspondant aux mesures effectuées.
Cet écart de températures est plus particulièrement représentatif de l'épaisseur de la couche d'encrassement.
Cette épaisseur est obtenue par des formules bien connues de l'homme du métier et qui dépendent de la configuration géométrique du capteur, à savoir une géométrie plane pour les capteurs des figures 1 à 11 et du régime thermique retenu.
On notera que plus l'épaisseur du dépôt formée à la surface du capteur augmente, plus l'élévation de température sera importante pour une puissance donnée.
En pratique, le mode de fonctionnement du capteur prévoit d'imposer une consigne donnée d'écart de températures, par exemple de l'ordre de 1 °C, et de réguler la puissance d'alimentation de l'élément chauffant en fonction de cette consigne.
Ainsi, on fournit à l'élément chauffant une énergie électrique pour que le flux thermique généré produise une augmentation de température souhaitée.
Ce mode de fonctionnement procure un très bon rapport signal/bruit et donc contribue à une mesure fiable et de grande qualité.
D'un point de vue pratique, l'écart de températures mentionné ci- dessus est déterminé en utilisant des algorithmes de régression linéaire et/ou non linéaire entre deux phases de non chauffe qui encadrent une phase de chauffe.
On notera que la simple détection d'un écart de températures significatif, tel que par exemple un écart de 1 °C, fournit une information importante puisqu'elle est représentative d'un encrassement formé à l'intérieur d'un contenant renfermant un fluide comme le contenant 204 des figures 10 et 11.
Une telle information peut par exemple donner lieu à l'envoi d'un signal d'alarme par les moyens 30 illustrés sur la figure 1a en vue de prévenir un opérateur ou du personnel de maintenance de l'installation.
Cette fonction de détection peut bien entendu être couplée à la fonction de mesure d'encrassement dans le but de pouvoir également fournir une information quantitative sur l'épaisseur du dépôt ainsi formé.
Le mode de fonctionnement du capteur illustré sur les figures 2 à 4 est différent dans la mesure où ce capteur comporte un deuxième élément de mesure de température qui fournit une mesure de la température du fluide.
Ce capteur permet ainsi de s'affranchir des variations de la température du fluide.
Le capteur illustré sur l'une ou l'autre des figures fournit, de manière continue et en temps réel, un écart de températures permettant de déterminer l'encrassement formé à la surface de l'élément d'interface de ce capteur ou, selon le cas, du matériau d'interface additionnel comme illustré sur la figure 11.
Le capteur comportant deux éléments de mesure de température comme illustré sur les figures 2 à 4, 10 et 11 peut fonctionner comme l'enseigne le document FR 2 885 694.
On notera par ailleurs qu'un capteur intégrant deux éléments de mesure de température distincts, comme celui des figures 2 à 4, 10 et 11 , peut également être utilisé en alternant des phases de chauffe et de non chauffe.
Ainsi, durant une phase de non chauffe les températures mesurées par les deux éléments de mesure doivent normalement fournir la même mesure de température.
Un écart de mesure constaté entre ces deux éléments, lors d'une phase de non chauffe, traduit une dérive des propriétés d'un élément de mesure par rapport à l'autre.
Ainsi, le suivi des températures mesurées par les deux éléments de mesure lors d'une phase de non chauffe du capteur constitue une étape de contrôle du bon fonctionnement de ces éléments.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur de mesure ou de détection d'encrassement réalisé selon les technologies de fabrication de la microélectronique, comprenant, agencés sur une même face (12a ; 62a) d'un substrat conducteur thermique (12 ; 62):
- au moins un élément chauffant (14 ; 15 ; 66) qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat,
- au moins un élément (16 ; 15 ; 68) de mesure de température (Tw) qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat,
le capteur comprenant, agencé sur la face opposée du substrat (12b ; 44b), au moins un élément ou matériau d'interface (18 ; 46 ; 52),
le capteur comprenant en outre au moins un autre élément (42 ; 70) de mesure de température (Tb) qui est isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant.
2. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) entoure au moins partiellement ledit au moins un élément chauffant.
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit au moins un autre élément (42 ; 70) de mesure de température (Tb) entoure au moins partiellement ledit au moins un élément chauffant.
4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un autre élément (42 ; 70) de mesure de température (Tb) est agencé sur une face (44a ; 64a) d'un second substrat (44 ; 64) isolé thermiquement du premier substrat (12 ; 62) sur lequel est agencé ledit au moins un élément chauffant.
5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second substrat (44 ; 64) entoure au moins partiellement le premier substrat (12 ; 62).
6. Capteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit au moins un élément ou matériau d'interface (52) qui est agencé sur les faces opposées des deux substrats (12, 44 ; 62, 64) prend la forme d'une membrane de solidarisation qui relie entre eux ces substrats.
7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane de solidarisation (52) présente une faible épaisseur offrant une faible résistance thermique au flux thermique axial généré par ledit au moins un élément chauffant et une résistance thermique élevée aux déperditions thermiques latérales du premier vers le second substrat.
8. Capteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'isolation thermique est réalisée par une lame de gaz statique.
9. Capteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'isolation thermique est réalisée par un matériau d'isolation thermique disposé entre ledit au moins un autre élément (42 ; 70) de mesure de température (Tb) et le premier substrat (12 ; 62).
10. Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les deux substrats (12, 44 ; 62, 64) sont indépendants l'un de l'autre, chacun desdits au moins un élément d'interface (18, 46) agencés sur la face opposée (12b, 44b) de chaque substrat étant un conducteur thermique afin de favoriser la conduction thermique à travers l'épaisseur dudit au moins un élément d'interface considéré.
11. Capteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la réalisation dudit au moins un élément de mesure de température (Tw) et/ou dudit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) lorsqu'il est présent et/ou dudit au moins un élément chauffant est effectuée par implantation ionique, par diffusion thermique ou par dépôt métallique.
12. Capteur selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que le substrat est en silicium.
13. Capteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'isolation thermique qui limite les dissipations thermiques du côté de la face sur laquelle sont agencés ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw).
14. Capteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend, du côté de la face où est agencé ledit moins un élément ou matériau d'interface, un élément de conduction thermique (222) et un matériau d'interface (220) additionnel, ledit élément de conduction thermique étant disposé entre ledit moins un élément d'interface et le matériau d'interface additionnel.
15. Capteur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) sont un seul et même élément (15).
16. Utilisation d'un capteur pour la mesure ou la détection de l'encrassement généré par un fluide avec lequel le capteur est en contact, ledit capteur étant réalisé selon les technologies de fabrication de la microélectronique et comprenant, agencés sur une même face (12a ; 62a) d'un substrat conducteur thermique (12 ; 62):
- au moins un élément chauffant (14 ; 15 ; 66) qui est apte à générer, sur commande, un flux thermique homogène contrôlé et à le diffuser dans le substrat,
- au moins un élément (16 ; 15 ; 68) de mesure de température (Tw) qui est soumis à l'action du flux thermique diffusé par le substrat,
le capteur comprenant, agencé sur la face opposée du substrat (12b
; 44b), au moins un élément ou matériau d'interface (18 ; 46 ; 52) en contact avec le fluide, la mesure ou la détection d'encrassement étant effectuées à partir d'écarts de température (Tw-Tb) relevés par ledit au moins un élément (16 ; 15 ; 68) de mesure de température (Tw).
17. Procédé de fabrication d'un capteur de mesure ou de détection d'encrassement selon les technologies de fabrication de la microélectronique, comprenant les étapes suivantes effectuées à partir d'un substrat conducteur thermique :
- formation sur une même face du substrat, d'une part, d'au moins un élément chauffant et, d'autre part, d'au moins un élément de mesure de température (Tw),
- formation d'au moins un autre élément de mesure de température (Tb) sur la face du substrat qui porte ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw),
- formation sur la face opposée du substrat d'au moins un élément ou matériau d'interface.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réalisation d'une isolation thermique entre, d'une part, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) et, d'autre part, ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw).
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit au moins un élément chauffant et ledit au moins un élément de mesure de température (Tw) étant formés dans une première portion du substrat, ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) étant formé dans une seconde portion du substrat séparée de la première portion par une troisième portion de substrat, le procédé comporte une étape de suppression de la troisième portion de substrat.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit au moins un élément ou matériau d'interface s'étend sur la totalité de la face opposée du substrat et forme une membrane de solidarisation qui relie entre elles les première et seconde portions de substrat.
21. Procédé selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce qu'une isolation thermique est réalisée par la présence d'une lame de gaz statique (par exemple de l'air) dans l'espace laissé libre par la suppression de la troisième portion de substrat.
22. Procédé selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de remplissage, par au moins un matériau isolant thermique, de l'espace laissé libre par la suppression de la troisième portion de substrat.
23. Procédé selon l'une des revendications 17 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'établissement des connexions entre ledit au moins un élément chauffant, ledit au moins un élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un autre élément de mesure de température (Tb) et une électronique adaptée.
24. Système de mesure ou de détection de l'encrassement formé à l'intérieur d'un contenant (204) renfermant un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (200) de mesure ou de détection de l'encrassement selon l'une des revendications 1 à 15 et un contenant (204) renfermant un fluide.
25. Système selon la revendication 24, caractérisé en ce que le capteur est associé à une paroi (202) du contenant.
26. Système selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce que ledit au moins un élément ou matériau d'interface (108, 104) du capteur est en contact direct avec le fluide ou en contact indirect par l'intermédiaire d'un matériau d'interface additionnel (220).
27. Système selon les revendications 25 et 26, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d'interface (108, 104) ou le matériau d'interface additionnel (220) est monté affleurant par rapport à la paroi (202).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2772753A1 (fr) * 2013-02-28 2014-09-03 Imec Analyse fondée sur la résistance caloportrice de bioparticules

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0439950A1 (fr) * 1989-12-28 1991-08-07 Honeywell Inc. Détermination de la conductibilité thermique et de la chaleur massique des gaz dans des conditions normales
US6227045B1 (en) * 1999-09-16 2001-05-08 Us Army Corps Of Engineers As Represented By The Secretary Of The Army Groundwater flow measuring system
WO2003089885A1 (fr) * 2002-04-22 2003-10-30 Honeywell International Inc. Capteur de debit pour conditions difficiles
FR2885694A1 (fr) 2005-05-10 2006-11-17 Agronomique Inst Nat Rech Methode et systeme pour la mesure et l'etude de l'encrassement d'un reacteur
WO2007094744A1 (fr) * 2006-02-17 2007-08-23 Agency For Science, Technology And Research Dispositif de régulation de la température d'un échantillon biologique et/ou chimique et son procédé d'utilisation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0439950A1 (fr) * 1989-12-28 1991-08-07 Honeywell Inc. Détermination de la conductibilité thermique et de la chaleur massique des gaz dans des conditions normales
US6227045B1 (en) * 1999-09-16 2001-05-08 Us Army Corps Of Engineers As Represented By The Secretary Of The Army Groundwater flow measuring system
WO2003089885A1 (fr) * 2002-04-22 2003-10-30 Honeywell International Inc. Capteur de debit pour conditions difficiles
FR2885694A1 (fr) 2005-05-10 2006-11-17 Agronomique Inst Nat Rech Methode et systeme pour la mesure et l'etude de l'encrassement d'un reacteur
WO2007094744A1 (fr) * 2006-02-17 2007-08-23 Agency For Science, Technology And Research Dispositif de régulation de la température d'un échantillon biologique et/ou chimique et son procédé d'utilisation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2772753A1 (fr) * 2013-02-28 2014-09-03 Imec Analyse fondée sur la résistance caloportrice de bioparticules
US9435798B2 (en) 2013-02-28 2016-09-06 Imec Heat-transfer resistance based analysis of bioparticles

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