Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L’évolution des techniques, notamment la miniaturisation des capteurs, a donné naissance à une nouvelle famille de thermocouples : les microsondes thermoélectriques.
Cet article dresse un état des lieux sur ces instruments de mesure de plus en plus répandus en présentant les différents types de microthermocouples disponibles, leurs fabrications, leurs modes de fonctionnement (avec ou sans contact) et leurs caractéristiques. Sont également traitées les méthodes spécifiques d’étalonnage et les sources d’erreur de ces nouveaux thermocouples.
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Laurent THIERY : Enseignant-chercheur (HDR) – Université Marie & Louis Pasteur – Institut FEMTO-ST (Besançon, France)
INTRODUCTION
Al’origine un des instruments de mesure de la température les plus répandus, le thermocouple dans une version miniaturisée, appelé « microthermocouple » est apparu dans la seconde moitié du 20e siècle pour répondre aux besoins de l’industrie d’une part, et de la recherche d’autre part.
La miniaturisation des thermocouples présente en effet trois intérêts :
-
la diminution du temps de réponse du capteur ;
-
la réduction de son intrusivité ;
-
ainsi qu’une meilleure résolution spatiale.
On remarquera immédiatement que ces évolutions vont dans le sens d’une amélioration potentiellement significative en termes d’incertitudes de la mesure.
Les microthermocouples commencent à jouer un rôle majeur dans des secteurs de la recherche et émergent progressivement dans l’industrie. Ils peuvent être utilisés pour améliorer les techniques de production ou être intégrés à des produits manufacturés. En recherche, on les trouve aujourd’hui dans la famille des sondes locales pour la microscopie de champ proche. Utilisés pour la mesure de températures (mode passif) ou de caractéristiques thermiques (mode actif), ils sont généralement obtenus par modification des sondes utilisées pour la microscopie à force atomique (AFM). On parlera ainsi de « microscopie thermique à balayage » avec son acronyme anglais SThM pour « Scanning Thermal Microscopy ».
Dans cet article, un état de l’art est présenté depuis leur apparition, en rappelant tout d’abord quels sont les différents types de microthermocouples, avec quels moyens technologiques on les fabrique, quelles sont leurs principales caractéristiques et leurs principes de mise en œuvre. Pour cela, les phénomènes de transfert de chaleur mis en jeu seront détaillés, en distinguant les deux principaux modes de mise en œuvre, avec ou sans contact. La notion de résolution spatiale sera abordée, puis les techniques d’étalonnage statiques et dynamiques. Bien que mentionnés au fil de cet article, les domaines spécifiques d’application des microthermocouples seront rappelés en conclusion, afin de donner des indications sur les évolutions futures que l’on peut attendre.
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- Version archivée 1 de mars 2006 par Laurent THIERY
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Conclusion3. Caractéristiques
3.1 Types de couples utilisés
Les couples thermoélectriques usuels sont décrits en détail dans l’article [R 2 594].
-
À ce jour, seuls huit types de couples sont reconnus internationalement. Ils sont décrits notamment par la norme européenne CEI 584.1. Pour les couples en couches minces, il n’existe encore aucune règle, car les caractéristiques physiques des dépôts en couches minces peuvent être très différentes des caractéristiques physiques des mêmes matériaux massifs. C’est le cas pour les conductivités thermiques, électriques et, bien sûr, les coefficients de Peltier et de Seebeck. Ceci provient tout d’abord de la structure cristalline qui se développe lors de l’opération de dépôt, de la présence d’impuretés et de la qualité du vide, et finalement de l’épaisseur du dépôt. On comprend donc qu’il soit difficile de prévoir et de garantir certaines valeurs sans avoir systématiquement recours à des mesures.
ExempleD. Chu à Stanford a mesuré le coefficient de Seebeck entre deux conducteurs en or et en nickel, de différentes épaisseurs. Alors qu’avec des matériaux massifs, un tel couple est censé délivrer environ 21 µV · K−1, celui-ci valait 10,1 µV · K−1 lorsque les épaisseurs des dépôts étaient de 200 nm pour l’or et 100 nm pour le nickel, puis 5,9 µV · K−1 pour des épaisseurs respectives or-nickel de 120 et 50 nm, et enfin 2,9 µV · K−1 pour des épaisseurs de 50 et 30 nm ...
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Caractéristiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CASSAGNE (B.), KIRSCH (G.), BARDON (J.P.) - Analyse théorique des erreurs liées aux transferts de chaleur parasites lors de la mesure d’une température de surface par contact. - Dans Int. J. Heat Mass Transfer, n° 23, pp. 1207-1217 (1980).
-
(2) - KELTNER (N.R.), BECK (J.V.) - Surface temperature measurement errors. - Dans Journal of Heat Transfer, n° 105, pp. 312-318 (1983).
-
(3) - BARDON (J.P.), RAYNAUD (M.), SCUDELLER (Y.) - Mesures par contact des températures de surface. - Dans Revue Générale de Thermique, n° 34, pp. 15-35 (1995).
-
(4) - BENIGNI (P.), ROGEZ (J.) - High temperature thermal diffusivity measurement by the periodic cylindrical method: the problem of contact thermocouple thermometry. - Dans Rev. Sci. Instrum., n° 68 (7), pp. 2767-2773 (1997).
-
(5) - TAYLOR (G.F.) - A method of drawing metallic filaments and a discussion of their properties and uses. - Dans Phys. Rev., n° 23, pp. 655-660 (1924).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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Fournisseurs de fils pour microthermocouple
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Franco Corradi, Italie
L’essentiel des fournitures de thermométrie, fils divers, borniers de connexion, et isolateurs en céramique
Newport Electronique – OMEGA
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Capteurs divers utilisant des microthermopiles
Capteurs de pression et débitmètres
Bronkhorst Hi-TechB.V. Distribué par Bronkhorst France S.A.S
Micro et nano-calorimètres, débitmètres, capteurs de gaz
Xensor IntegrationB.V., Pays-Bas
Nanosondes thermoélectriques et matériel pour microscopie de champ proche
TSP Nanoscopy
Applied Nanostructures Inc.
https://www.appnano.com/vertisense-thermal-microscopy
Nanonics Imaging Limited, Israël
NanoAndMore, France
NANOSENSORS™ (filiale de NanoWorld AG), Suisse
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