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 Si _x Ny ou, alternativement, en une seule et même couche réalisée en SiO _x Ny 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+βT ² ) 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 Si _x Ny (600nm) ;

- un oxynitrure de silicium SiO _x Ny (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 (10 ¹⁵ atomes par cm ³ ).

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 Si _x Ny 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 10 ¹³ , 10 ¹⁴ ou 10 ¹⁵ atomes par cm ² .

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/m ³ ] sont parfaitement connues. Ainsi, sachant que les effets de bord et les déperditions thermiques sont négligeables, il est aisé de calculer la température précise T _p 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 [m ² ]. On remarque qu'en l'absence de matériau d'interface (E = 0) : T _w = T _p .

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 T _p -T _b . 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.