Méthode d’hétérodynage pour la caractérisation de propriétés thermophysiques par thermographie infrarouge dans une large gamme spatiale et temporelle

par Lilian Clerjaud

Thèse de doctorat en Thermique

Sous la direction de Stefan Dilhaire et de Jean-Christophe Batsale.

Le président du jury était Christophe Bacon.

Le jury était composé de Bertrand Garnier.

Les rapporteurs étaient Daniel Balageas, Gilles Tessier.


  • Résumé

    De nos jours, l’apport de la miniaturisation a permis d’innombrables progrès scientifiques et techniques : de la microélectronique à la microfluidique et dernièrement les nanotechnologies. Autant de domaines où les enjeux économiques de suivi de qualité ou d’optimisation de production peuvent nécessiter une étape de caractérisation des propriétés intrinsèques des constituants. Parmi ces propriétés, les données thermophysiques permettent notamment de définir la capacité à stocker ou diffuser la chaleur (conductivité, effusivité ou conductivité thermique par exemple). Une manière d’estimer ces propriétés passe par la connaissance du champ de température. Aux échelles microscopiques, seules des mesures de températures sans contact sont plus adaptées. Les travaux de cette thèse rentrent dans cette catégorie en présentant une méthode de caractérisation de propriétés thermophysiques aux échelles microscopiques par le biais de la thermographie infrarouge. En prenant exemple sur les méthodes hétérodynes développées pour la thermoréflectance, nous avons mis au point un stroboscope électronique dédiée à la thermographie infrarouge et permettant de suivre des excitations thermiques locales et périodiques de fréquences caractéristiques de l’ordre du kilohertz avec fréquence d’acquisition caméra de 25 Hz. En couplant cette méthode, que nous qualifierons de méthode d’Hétérodynage, avec une observation microscopique nous pouvons ainsi observer des phénomènes de diffusion longitudinale localisée à la surface d’échantillons diffusifs tels que les métaux et impossible à obtenir avec les applications standard de thermographie infrarouge. A partir de ces données expérimentales, nous montrons sur deux échantillons la manière de remonter à des valeurs de diffusivité dans le plan et dans l'épaisseur. De ces résultats, nous discuterons sur les limitations des estimations notamment dues à l'effet filtre passe bas du temps d'intégration de la caméra prépondérant lorsque l'excitation devient haute fréquence ou à la présence d'une couche émissive (dépôt de spray de peinture noire pour augmenter le contraste thermique) qui peut empêcher la propagation des ondes thermiques de la source au sein du matériau à caractériser dés que la fréquence d'excitation dépasse un seuil dépendant des propriétés thermiques du bicouche étudié. D'une autre manière, nous montrerons que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possible par une méthode d'hétérodynage en flash périodique. A titre d'applications futures, nous présenterons une première approche académique de modèle de diffusion avec transport sur un disque tournant pour des futures applications d'écoulement en goutes pour la microfluidique, une extension des estimations de diffusivité dans le plan pour obtenir des cartographies en scannant la zone étudiée et des résultats d'hétérodynage en régime périodique transitoire qui pourraient s'assimiler à une réponse de température en échelon.


  • Résumé

    Nowadays, the contribution of the miniaturization has led to countless advances in science and technology: microelectronics, microfluidics, nanotechnologies... All areas where the economics of quality monitoring and the optimization of production may require a step of characterizing the intrinsic properties of these constituents. Among these porperties, the thermophysical datas can defined the ability to store or distribute the heat (thermal conductivity, effusivity, diffusivity for example). A way to estimate these properties needs the knowledge of the temperature field. At microscale, the measurement temperature without contact is well adapted. The work of this thesis fall into this category by offering a method to characterize the thermophysical properties at microscopic scales by means of infrared thermography. With the help of the heterodyne methods developed for the Thermoreflectance, an electronic stroboscope has been developped. This method is dedied to the infrared thermography and allowing to follow thermal local and periodical excitations with a characteristic frequency around with a frame camera frequency of . By coupling this heterodyne method with microscope lens, it is possible to observe thermal diffusion phenomena longitudinal and transverse localized to the surface of the diffusive sample like metals and impossible to obtain with standard infrared thermography. From experimental data, the values of in-plane or transverse thermal diffusivity are obtained on two samples. Depending of these results, a debate is organized about the limitation of these estimations as the lowpass filter effect of the intregation time of the infrared camera which becomes important with high frequency excitation or the presence of an emissive of thin layer on the surface of the sample (dark spray coating for enhancing the thermal contrast) which can stopped the thermal waves propagation into the layer sample to characterize soon as the excitation frequency exceeds a threshold dependent on the thermal properties of the sample studied. In another way, the estimation of thermal in-plane or transverse diffusivity with an heterodyne method with repeated flash is shown in first results. For future applications, a first academic approach of thermal diffusion model with transport on rotating disk, an extension of the thermal in-plane diffusivity estimation to obtain cartography by scanning the sample area and few heterodyne results in transient periodic regime which are assilimated to a response level were shown.


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