Mesures physiques
Capteurs en couches minces et microtechnologie
Capteurs thermiques
Les mesures thermiques (température, flux thermique) demeurent une priorité pour les industriels impliqués dans le développement de turbomachines aéronautiques et non aéronautiques. Ces mesures, effectuées sur les parties chaudes des turbomachines, permettent notamment d’évaluer leur durée de vie et de participer à l’amélioration des performances des moteurs (rendement, fiabilité, impact environnemental).
Thermocouples
Les thermocouples en couches minces développés par le Département Mesures Physiques/Unité de Recherche Capteurs et Microtechnologie sont principalement de type Platinel®II, formés par deux thermoéléments en alliages Au-Pd et Pd-Pt-Au. Les couches sont déposées sur les pièces à instrumenter par pulvérisation cathodique (méthode PVD, Physical Vapor deposition). L’épaisseur de la jonction thermocouple est de l’ordre du micromètre à la dizaine de micromètre. Ces thermocouples sont utilisés pour la mesure des températures de surface mais également dans les fluxmètres thermiques. La température maximale d’utilisation visée est de l’ordre de 1000°C.
Dans le cadre de contrats industriels, en coopération avec les motoristes, le Département vise à instrumenter les pales de turbines pour effectuer des essais de validation sur bancs moteurs (turbine). Le Département participe également à des projets européens dans le but d’étudier l’association de thermocouples en couches minces avec des barrières thermiques.
Fluxmètres thermiques
Le principe du capteur est dérivé de celui du fluxmètre à gradient. Utilisant des jonctions thermocouple de type Platinel®II, connectées en série, le capteur mesure la différence de température existant entre le sommet de résistances thermiques en zircone yrttriée et la surface du substrat. Connaissant l'épaisseur et la conductivité thermique des résistances thermiques, le flux thermique traversant le capteur peut être calculé par la relation de Fourier.
L’utilisation de procédés de masquage photolithographique couplés à la pulvérisation cathodique permet de miniaturiser l'élément sensible du capteur et ainsi de multiplier le nombre de jonctions thermocouple pour augmenter la sensibilité des fluxmètres. La structure présentée ci-dessous comprend 19 résistances thermiques en zircone yttriée et 760 jonctions thermocouple connectées en série. Ces éléments ont respectivement une épaisseur de 8 et 2 µm.
Fluxmètre thermique en couches minces
Schéma des motifs et photographie d’un prototype
Fluxmètre thermique en couches minces
Photographie d’un prototype
Les caractéristiques de ce capteur sont :
- Dimensions de l'élément sensible : 13 mm2 x 10 µm
- Sensibilité : 60 µV.kW-1.m2
- Temps de réponse (thermique) et bande passante de l'élément sensible : < 0,2 ms et 1600 Hz
- Résolution : 10 W.m-2
- Température maximale d’utilisation : 900°C
En coopération avec le département Energétique fondamentale et appliquée de l’Onera (DEFA), le DMPH étudie, conçoit et fabrique des fluxmètres destinés à discriminer les flux convectifs et radiatifs. Dans ce but des couches optiques ont été développées. Au total la structure multicouche d’un capteur peut nécessiter l’élaboration de 14 couches.
Les premiers prototypes, comportant 304 jonctions thermocouples et 19 résistances thermiques, ont été fabriqués et leur sensibilité au flux thermique a été évaluée à 12 µV.kW-1.m²) entre la température ambiante et 700°C.
Le département s’intéresse également à un moyen de mesure pariétal permettant d’évaluer le coefficient d’échange convectif entre gaz et paroi ainsi que la température du gaz.
