La présente invention concerne un capteur de température, notamment pour mesurer des températures élevées, par exemple supérieures à 900°C, voire à 1000°C et son procédé de fabrication.

L'invention s'applique en particulier aux capteurs de température adaptés pour mesurer la température des gaz de véhicules automobiles tels que les gaz d’échappement. De tels capteurs de températures sont particulièrement utilisé pour les systèmes de dépollution de la ligne d’échappement L'invention s'applique également à des moteurs à piles à combustible.

Ces capteurs comprennent généralement un élément sensible à la température, tel qu'une thermistance, relié vers l'extérieur à un circuit électrique / électronique d'exploitation d'un signal de mesure via des fils électriques.

L’élément sensible à la température comprend deux conducteurs électriques reliés à deux fils électriques au moyen de deux connexions électriques.

Les deux fils électriques sont entourés par une gaine isolante de façon à former un faisceau électrique ou câble à isolant minéral (MIC) connecté à un boîtier électronique pour fournir une information électrique représentative de la résistance de l’élément sensible à la température et par conséquent de la température mesurée.

Selon un mode de réalisation possible, le câble à isolant minéral, qui constitue le corps du capteur de température, est rétreint (diminué en diamètre par une opération de martelage) à l’une de ses extrémités puis fermé pour former un capuchon (ou une enveloppe de protection).

De la poudre de magnésie, par exemple, qui le constitue enrobe la jonction chaude ou l’élément sensible à la température (CTN, Platine).

La solution de rétreint par martelage est appropriée pour les petites série destinée à la Formule 1 , « racing » ou « motorsport » par exemple, mais ne convient pas à de la production grande série, le procédé de martelage n’étant pas industrialisable aisément.

La poudre de magnésie peut être frittée pour obtenir un matériau isolant électrique entourant les deux conducteurs électriques.

Cependant, l’art antérieur ne décrit pas comment est réalisé le frittage avec ces deux conducteurs électriques.

De plus, l’ajout d’une pièce en matériau fritté dans le capuchon génère nécessairement un jeu entre le capuchon et cette même pièce, ce qui dégrade le temps de réponse du capteur de température et peut occasionner à terme des casses mécaniques sous l’action des vibrations.

Et puis, ce procédé de fabrication génère une continuité de matière entre le matériau fritté et le câble isolant minéral ce qui augmente l’imprécision du capteur (effet gradient).

Une autre solution consiste à loger l’élément sensible à la température dans une enveloppe de protection. L’enveloppe de protection est sertie et soudée sur la gaine isolante pour isoler l'intérieur du capteur de l'environnement extérieur.

L’enveloppe de protection est remplie d’un mélange d’agrégats de céramique (AI2O3, MgO, AI N, SiN) sous forme de poudre ou amalgamée avec un liant, comme du verre ou tout autre composant compatible avec les températures supérieures ou égales à 900°C. Le mélange d’agrégats de céramique après avoir été fondu et refroidi, forme un matériau isolant électrique.

Il permet d’améliorer la conduction thermique et d’assurer une isolation électrique entre l’élément sensible à la température et l’enveloppe de protection. Ce matériau isolant électrique permet aussi d’assurer le maintien mécanique de la jonction chaude dans l’enveloppe de protection.

L’inconvénient de cette solution est que les éléments liant le verre et les agrégats de céramique du matériau isolant électrique peuvent altérer et polluer la poudre du câble isolant minéral puis dégrader les performances du capteur de température.

Par ailleurs, le verre amorphe qui constitue une part non négligeable du remplissage du matériau isolant électrique est connu pour être électriquement conducteur à haute température, ce qui pose un autre problème.

L'invention a donc pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de température plus performant à haute température que ceux de l’art antérieur.

L’invention concerne un capteur de température pour véhicule automobile comprenant :

un élément sensible à la température,

deux liaisons électriques reliant l’élément sensible à la température à un connecteur électrique,

une enveloppe de protection comprenant une partie avant dans laquelle est logé l’élément sensible à la température, et

une gaine isolante entourant une portion des deux liaisons électriques, une partie arrière de l’enveloppe de protection étant fixée à une extrémité avant de la gaine isolante.

Selon l’invention, l’enveloppe de protection comprend un matériau isolant électrique composé d’un matériau céramique fritté comprenant un logement préformé dans ledit matériau céramique fritté et ayant une forme ajustée à celle de l’élément sensible à la température pour y permettre son insertion.

De préférence, le matériau céramique fritté est une céramique réfractaire choisie parmi la magnésie (MgO) ou l’alumine (AI2O3).

Selon un mode de réalisation possible, seule la partie avant de l’enveloppe de protection est remplie par le matériau isolant électrique.

Le logement reçoit uniquement l’élément sensible à la température et le capteur de température comprend un espace séparant le matériau isolant électrique de l’extrémité avant de la gaine isolante. Selon une variante, l’élément sensible à la température est formé par une soudure chaude d’un thermocouple obtenue par soudure des extrémités de deux fils conducteurs formant les liaisons électriques, le logement présentant une forme en « V » épousant la forme de la soudure chaude.

Selon une autre variante, l’élément sensible à la température est formé par une thermistance, le logement présentant une forme parallélépipédique épousant la forme de la thermistance.

Selon un autre mode de réalisation possible, les parties avant et arrière de l’enveloppe de protection sont reliées par une portion tronconique.

La partie avant a un diamètre plus petit que la partie arrière.

Le matériau isolant électrique remplit la partie avant et la portion tronconique jusqu’à la partie arrière de l’enveloppe de protection.

Le logement se prolonge de la partie avant jusqu’à la partie arrière de façon à recevoir l’élément sensible à la température et une portion des liaisons électriques.

L’extrémité avant de la gaine isolante est en contact avec une extrémité arrière du matériau isolant électrique.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un capteur de température pour véhicule automobile tel que défini précédemment.

Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes:

frittage d’une poudre de matériau céramique dans une enveloppe de protection de façon à obtenir un matériau céramique fritté formant un matériau isolant électrique,

formation d’un logement dans le matériau isolant électrique configuré pour recevoir un élément sensible à la température,

introduction de l’élément sensible à la température dans le logement, et fixation de l’enveloppe de protection à une gaine isolante entourant une portion de deux liaisons électriques reliée à l’élément sensible à la température.

Selon un mode de réalisation, le frittage est réalisé uniquement dans une partie avant de l’enveloppe de protection.

Le logement reçoit uniquement l’élément sensible à la température et le capteur de température comprend un espace séparant le matériau isolant électrique de l’extrémité avant de la gaine isolante.

Selon un autre mode de réalisation, les parties avant et arrière de l’enveloppe de protection sont reliées par une portion tronconique.

La partie avant a un diamètre plus petit que la partie arrière.

Le frittage est réalisé dans la partie avant et la portion tronconique jusqu’à la partie arrière de l’enveloppe de protection.

Le logement est prolongé de la partie avant jusqu’à la partie arrière de façon à recevoir l’élément sensible à la température et une portion des liaisons électriques.

De préférence, la poudre de matériau céramique se présente sous forme de grains ou d’agrégats de céramique de diamètre compris entre 50pm et 200pm.

Avantageusement, le frittage est réalisé avec compression de la poudre de matériau céramique sous une température de l’ordre de 500°C à 2000°C. De préférence, les étapes de frittage de la poudre de matériau céramique et de formation d’un logement sont réalisées simultanément.

La compression de la poudre de matériau céramique est effectuée sous presse.

L’enveloppe de protection forme une matrice et le logement est formé avec un outil de forme adaptée à celle de l’élément sensible à la température.

Avantageusement, la densité du matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique est supérieure à 2 et de préférence compris entre 2 et 2,5.

L’invention fournit ainsi un capteur de température destiné à mesurer des températures supérieures à 900°C plus performant que ceux de l’art antérieur.

En effet, les matériaux céramiques sont des matériaux très isolants électriquement, même à haute température, au-delà de 1050°C.

En particulier, avec un taux de pureté supérieur à 99%, leur isolation électrique à haute température est supérieure à un minimum de 1 MOhms. Ceci assure une insensibilité du capteur de température aux bruits électriques venants du véhicule. De ce fait, la précision du capteur de température est améliorée.

De plus, en assurant une continuité de matière entre l’enveloppe de protection et l’élément sensible dans un espace bien défini, la conduction de chaleur est optimisée. La cohésion entre l’enveloppe de protection et le matériau isolant est optimisée. Le temps de réponse du capteur de température en est réduit. Le frittage assure une grande compacité de la céramique et favorise le transfert thermique, et donc le temps de réponse.

La céramique frittée permet une excellente tenue mécanique, puisque le frittage de la céramique en améliore les propriétés mécaniques. L’élément sensible à la température est ainsi maintenu lors des vibrations et chocs thermiques.

La céramique est un élément chimique neutre qui n’a pas ou peu d’interaction chimique avec les autres éléments du capteur.

Les caractéristiques ci-dessus peuvent être utilisées seules ou en combinaison, en apportant chacune un avantage particulier.

Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un capteur de température comprenant une thermistance selon un mode de réalisation de l’invention;

- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection selon ce mode de réalisation;

- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de cette enveloppe de protection logeant la thermistance;

- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à loger une thermistance et une partie des liaisons électriques selon un autre mode de réalisation;

- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à loger une soudure chaude d’un thermocouple selon un autre mode de réalisation; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de cette enveloppe de protection logeant cette soudure chaude;

- la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection destinée à recevoir un thermocouple selon un autre mode de réalisation.

La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d’un capteur de température 1 pour véhicule automobile selon un premier mode de réalisation l’invention.

Le capteur de température 1 comprend un élément sensible à la température 2 comprenant deux liaisons électriques 4 le reliant à un connecteur électrique 9.

L’élément sensible à la température 2 est une thermistance 40 dans cet exemple. La thermistance 40 est un composant passif en matériau semi-conducteur dont la résistance varie en fonction de la température.

La thermistance 40 peut être du type CTN, coefficient de température négatif (ou NTC, Négative Température Coefficient en anglais) lorsque la résistance décroît en fonction de l'élévation de la température ou de type CTP, coefficient de température positif (ou PTC, Positive Température Coefficient en anglais) dans le cas contraire, telle qu'une thermistance 40 en platine.

L’élément sensible à la température 2 est relié à deux fils électriques 17 qui sont reliés électriquement à deux conducteurs électriques 18 de l’élément sensible à la température 2 par une connexion électrique 19.

La connexion électrique 19 peut être réalisée par une soudure ou des moyens de connexion tels des cosses électriques.

Le capteur de température 1 comprend une enveloppe de protection 3 (ou capuchon) comprenant une partie avant 7 dans laquelle est logée l’élément sensible à la température 2.

L’enveloppe de protection 3 présente une forme générale tronconique se prolongeant longitudinalement.

L’enveloppe de protection 3 est réalisée en un matériau métallique résistant à des températures élevées, tel qu'un alliage de chrome, de nickel (Inconel600, Inconel601 , Alloy TD, par exemple) et de fer du type Inconel® (marque déposée) ou encore en acier inoxydable réfractaire (31 OS, par exemple).

L’enveloppe de protection 3 comprend une partie arrière 8 qui présente un diamètre plus grand que celui de la partie avant 7.

Les parties avant 7 et arrière 8 sont reliées par une portion tronconique 14.

L’élément sensible à la température 2 est disposé dans cette partie avant 7 qui est fermée à son extrémité avant.

Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 5 entourant une portion des deux liaisons électriques 4. Plus précisément, la gaine isolante 5 entoure une portion des deux conducteurs électriques 18 depuis une extrémité avant 6 de la gaine isolante 5 jusqu’à une extrémité arrière 20 située à proximité d’un isolateur 21.

L’isolateur 21 assure l’isolation électrique des parties dénudées de la liaison entre les conducteurs électriques 18 traversant la gaine isolante 5 et les fils conducteurs 27 reliés au connecteur 9. Les deux fils conducteurs 27 sont entourés d’une gaine polymère 28.

Les deux fils électriques 17, les deux conducteurs électriques 18 et les deux fils conducteurs 27 forment les liaisons électriques 4.

La partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 est fixée à l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.

Les deux conducteurs électriques 18 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 5 qui présente deux canaux de passage 22 associés chacun à l’un des conducteurs électriques 18 de sorte que les deux conducteurs électriques 18 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 5.

La gaine isolante 5 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspond à la direction longitudinale des deux conducteurs électriques 18. Cette gaine isolante 5 peut présenter une forme générale cylindrique.

À titre d'exemple, la gaine isolante 5 présente un cœur 23 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une couche externe 24 en acier réfractaire. La couche externe 24 peut être en acier inoxydable, par exemple. Le cœur 23 de la gaine isolante 5 peut être en magnésie ou alumine, par exemple.

Une portion supérieure de la gaine isolante 5 et l’isolateur 21 sont entourés par un tube de renfort 26 qui est par exemple en acier inoxydable.

Le tube de renfort 26 est fermé par un joint étanche 25.

Le capteur de température 1 comprend également un moyen de fixation 29 pour le fixer sur la paroi de l’élément dont on veut mesurer la température.

Selon l’invention, l’enveloppe de protection 3 comprend un matériau isolant électrique 10 composé d’un matériau céramique fritté comprenant un logement 31 préformé dans le matériau céramique fritté et ayant une forme ajustée à celle de l’élément sensible à la température 2 pour y permettre son insertion.

L’enveloppe de protection 3 présente un coefficient de dilatation thermique à haute température supérieure ou égal à 17 ppm/°C.

Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend une étape de frittage d’une poudre de matériau céramique directement dans l’enveloppe de protection 3 de façon à obtenir un matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique 10 décrit ultérieurement.

Le matériau céramique fritté est une céramique réfractaire choisie parmi la magnésie (MgO) ou l’alumine (AI2O3), par exemple.

Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend également une étape de formation d’un logement 31 dans le matériau isolant électrique 10 configuré pour recevoir au moins l’élément sensible à la température 2.

Le logement 31 présente une forme qui est la contre forme de celle de l’élément sensible à la température 2. Cette forme est ajustée à celle de l’élément sensible à la température 2 de façon à ce que la surface de l’élément sensible à la température 2 soit en contact avec la paroi interne 42 du logement 31.

Le procédé de fabrication du capteur de température 1 comprend ensuite une étape d’introduction de l’élément sensible à la température 2 dans le logement 31 et une étape de fixation de l’enveloppe de protection 3 à la gaine isolante 5 entourant une portion de deux liaisons électriques 4 reliée à l’élément sensible à la température 2.

Avantageusement, les étapes de frittage de la poudre de matériau céramique et de formation d’un logement 31 sont réalisées simultanément. La compression de la poudre de matériau céramique est effectuée sous presse.

Le frittage est réalisé avec compression de la poudre de matériau céramique sous une température de l’ordre de 500°C à 2000°C, et par exemple de 800 à 1000°C.

Le frittage de la poudre céramique est une opération qui consiste à la densifier à l’aide de forte pressions pouvant atteindre plusieurs milliers de bars puis en les soumettant à une forte température de l’ordre de 500°C à 2000°C, en utilisant ou non un liant.

Cet apport d’énergie (pression + température) amène la céramique à diffuser et les grains de céramique à se lier, pour conférer au frittage des propriétés mécaniques augmentées.

L’opération de chauffe peut s’effectuer sous vide ou sous atmosphère contrôlée (préférablement à l’argon).

La poudre de matériau céramique avant frittage peut se présenter sous forme de grains ou agrégats de céramique de diamètre compris entre 50pm et 200pm pour faciliter l’insertion (fluidité) dans l’enveloppe de protection 3 et la phase de compression en limitant l’impact des forces électrostatiques (adhérence de la poudre aux outils).

L’enveloppe de protection 3 forme une matrice et le logement 31 est formé avec un outil de forme adaptée à celle de l’élément sensible à la température 2.

La forme de l’outil est similaire à celle de l’élément sensible à la température

2.

La densité du matériau céramique fritté formant le matériau isolant électrique 10 est supérieure à 2 et de préférence compris entre 2 et 2,5.

La céramique est ainsi directement frittée dans l’enveloppe de protection 3, assurant une cohésion parfaite entre les surfaces et permettant de faciliter les échanges thermiques entre l’enveloppe de protection 3 et le matériau isolant électrique 10.

La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection 3 destinée à recevoir une thermistance 40, selon un mode de réalisation possible.

Les parties avant 7 et arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 sont reliées par une portion tronconique 14, la partie avant 7 ayant un diamètre plus petit que la partie arrière 8.

Cette réduction de diamètre pour la partie avant 7 permet de réduire au maximum la masse et l’inertie thermique du capteur de température 1 au voisinage de l’élément sensible à la température 2, et ce pour en optimiser le temps de réponse. La partie avant 7 présente une forme tubulaire. Les parties avant 7 et la portion tronconique 14 sont délimitées pas une zone intermédiaire 32 de section circulaire.

A titre d’exemple, la partie avant 7 peut présenter une longueur de 3,5 mm et la portion tronconique 14 une longueur de 8,2 mm.

Dans, cet exemple, le frittage est réalisé uniquement dans la partie avant 7 de l’enveloppe de protection 3.

Le frittage est réalisé jusqu’à la zone intermédiaire 32.

Le logement 31 présente une forme parallélépipédique adaptée pour recevoir l’élément sensible à la température 2 qui est une thermistance 40 dans cet exemple.

Le logement 31 comprend une première portion 33 parallélépipédique de faible largeur et une deuxième portion 34 parallélépipédique de plus grande largeur.

Le logement 31 reçoit uniquement l’élément sensible à la température 2, comme illustré sur la figure 3.

L’élément sensible à la température 2 est entouré par le matériau isolant électrique 10.

Le capteur de température 1 comprend une gaine isolante 5 entourant une portion des deux liaisons électriques 4. Plus précisément, la gaine isolante 5 entoure une portion des deux conducteurs électriques 18 depuis une extrémité avant 6 de la gaine isolante 5 jusqu’à une extrémité arrière 20 située à proximité d’un moyen de connexion 21.

Le capteur de température 1 comprend un espace 15 séparant le matériau isolant électrique 10 de l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.

L’espace 15 peut être rempli d’air, d’un gaz neutre ou de vide relatif. Ceci permet de minimiser l’écoulement de chaleur de l’avant vers l’arrière du capteur de température 1 et donc le phénomène de gradient thermique.

Le moyen de connexion 21 permet de connecter les conducteurs électriques 18 traversant la gaine isolante 5 à deux fils conducteurs 27 reliés au connecteur 9.

Les deux fils conducteurs 27 sont entourés d’une gaine polymère 28.

Les deux fils électriques 17, les deux conducteurs électriques 18 et les deux fils conducteurs 27 forment les liaisons électriques 4.

La partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 est fixée à l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.

Les deux conducteurs électriques 18 sont entourés et maintenus dans la gaine isolante 5 qui présente deux canaux de passage 22 associés chacun à l’un des conducteurs électriques 18 de sorte que les deux conducteurs électriques 18 soient isolés entre eux et maintenus par la gaine isolante 5.

La gaine isolante 5 est par exemple de forme générale allongée selon une direction longitudinale correspond à la direction longitudinale des deux conducteurs électriques 18. Cette gaine isolante 5 peut présenter une forme générale cylindrique.

À titre d'exemple, la gaine isolante 5 présente un cœur 23 en matière céramique électriquement isolant et résistante à la chaleur, qui est entouré par une couche externe 24 en acier réfractaire. La couche externe 24 peut être en acier inoxydable, par exemple. Le cœur 23 de la gaine isolante 5 peut être en magnésie ou alumine, par exemple.

Une portion supérieure de la gaine isolante 5 et le moyen de connexion 21 sont entourés par un tube de renfort 26 qui est en acier inoxydable.

Le tube de renfort 26 est fermé par un joint étanche 25.

Le capteur de température 1 comprend également un moyen de fixation 29 pour le fixer sur la paroi de l’élément dont on veut mesurer la température.

Selon un autre mode de réalisation, le frittage est réalisé dans la partie avant 7 et la portion tronconique 14 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3, comme illustré sur la figure 4.

Le matériau céramique fritté est au contact direct de la gaine isolante 5.

Le logement 31 est prolongé de la partie avant 7 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 de façon à recevoir l’élément sensible à la température 2 et une portion des liaisons électriques 4 (non représentée).

Le logement 31 comprend une première portion 33 parallélépipédique de faible largeur et une deuxième portion 34 parallélépipédique de largeur intermédiaire et une troisième portion 35 de plus grande largeur destinée à loger les deux fils électriques 17, une partie des deux conducteurs électriques 18 et les connexions électriques 19. Le logement a toute autre forme qui permette d’assurer le meilleur contact possible avec l’élément sensible à la température.

Les premières 33 et deuxièmes portions 34 sont destinées à recevoir l’élément sensible à la température 2 qui est une thermistance 40 dans ce cas.

Les deux fils électriques 17, la partie des deux conducteurs électriques 18 et les connexions électriques 19 sont entourés par le matériau isolant électrique 10 jusqu’à la gaine isolante 5.

La figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d’une enveloppe de protection 3 destinée à recevoir un thermocouple 36.

L’élément sensible à la température 2 est formé par une soudure chaude 37 d’une paire de fils conducteurs 30 d’un thermocouple 36 (type N ou K). Ces fils conducteurs 30 sont reliés ensemble par cette soudure chaude 37.

Les thermocouples sont connus et ne seront pas décrit davantage.

Les fils conducteurs 30 forment les deux liaisons électriques 4 reliant l’élément sensible à la température 2 à un connecteur électrique (non représenté dans cet exemple).

La description précédente concernant le premier mode de réalisation pour un capteur de température 1 comprenant une thermistance 40 s’applique également à ce deuxième mode de réalisation pour le reste des éléments le constituant et le procédé de fabrication.

Dans, cet exemple, le frittage est réalisé uniquement dans la partie avant 7 de l’enveloppe de protection 3.

Le frittage est réalisé jusqu’à la zone intermédiaire 32.

Le logement 31 présente une forme en « V » adaptée pour recevoir la soudure ou jonction chaude 37. La figure 6 illustre le logement 31 logeant la soudure chaude 37 de ce thermocouple 36.

Le capteur de température 1 comprend un espace 15 séparant le matériau isolant électrique 10 de l’extrémité avant 6 de la gaine isolante 5.

La figure 7 illustre un autre exemple dans lequel le frittage est réalisé dans la partie avant 7 et la portion tronconique 14 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3.

Le logement 31 est prolongé de la partie avant 7 jusqu’à la partie arrière 8 de l’enveloppe de protection 3 de façon à recevoir les fils du thermocouple (non représentée).

Le logement 31 comprend une surface interne 42, une première portion 38 de section triangulaire destinée à loger la soudure chaude 37 de la thermistance 40 et une deuxième portion 39 de section quadrilatérale destinée à loger une partie des fils conducteurs 30.

Le procédé de l’invention permet ainsi au matériau isolant électrique 10 d’être à la fois en contact direct contre une paroi interne 11 de l’enveloppe de protection 3 et en contact direct avec l’élément sensible à la température 2.