Conception, réalisation et mise en œuvre de fluxmètres thermiques passif et dynamique à base de couches minces

Design, realization and implementation of passive and dynamic thin film heat flux sensor

• Auteur / Autrice : Boussad Azerou
• Direction : Abdeljalil Lahmar, Bertrand Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’Ingénieur, Thermique et énergétique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Thermocouples

Conductivité thermique

Fluxmètres

Mots clés libres

Thermorésistances

Coefficient d’échange

Coefficient de température

Résumé

La mesure de propriétés thermophysiques ou de grandeurs interfaciales ou superficielles nécessitent souvent l'usage de capteurs fluxmétriques. L'objectif de ce travail est de concevoir et réaliser de tels capteurs en utilisant les procédés couches minces pour obtenir des mesures peu biaisées et des capteurs aisément réalisables en série. Après une étude sur les résistivités électriques et coefficient de température de films métalliques en fonction des conditions de dépôt, deux types de capteurs fluxmétriques sont développés : passif et dynamique. Dans le premier cas, on sait que les fluxmètres traditionnels à gradient normal ou tangentiel sont assez intrusifs car disposés perpendiculairement à la direction principale du flux de chaleur. Les fluxmètres avec réseau de thermocouples filaires dans la direction du flux de chaleur présente une bien moindre perturbation thermique cependant leur fabrication est très délicate. L'idée est de remplacer ces microthermocouples par un réseau de capteurs en couche mince déposés sur un substrat. On montre que l'utilisation de tels fluxmètres permet de réduire les biais de mesure par rapport aux fluxmètres classiques. Pour le second type de fluxmètre (dynamique), il s'agit de dispositifs équipés d'un micro-chauffage et d'un capteur de température permettant d'obtenir plusieurs informations telles que le coefficient d'échange global et la température équivalente au loin, une des applications étant par exemple la caractérisation en continu de l'effet de facteurs microclimatiques sur les échanges fluide/paroi dans le bâtiment. Lors de nos travaux, on a testé en soufflerie un tel capteur fluxmétrique réalisé à l'aide de motifs électriques à base de couches minces.

Heat flux sensors are very useful for the measurement of thermal properties and interfacial or superficial parameters (thermal contact resistance, heat transfer coefficient …. ). The objective of this work is to design, realize and test two new types of heat flux sensor based on thin film resistance temperature detector. The benefits sought are lower heat flux biases and a much lower manufacturing time. As a first step we have investigated the effect of processing conditions on the electrical resistivity and temperature coefficient of metallic thin films. Then, two types of heat flux sensors were considered : passive and dynamic. In the first case, the classical heat flux sensors with normal or tangential gradient figure out to be intrusive as they are located on surfaces perpendiculary to the main heat flux direction. Heat flux sensor with wire microthermocouples implemented within the wall offers much lower thermal disturbances, however their fabrication is time consuming and there is some uncertainty on the thermocouple locations. In our work, new heat flux sensors were realized using thin film thermoresistances deposited on polyimide substrate ant it appeared that they could offer less bias than classical heat flux sensor. The second type of heat flux sensor (dynamic) is a device composed of a micro heater and a temperature sensor. The interest is the measurement of several parameters such as the heat transfer coefficient and the equivalent temperature, one application being the characterization of microclimatic variations on the wall radiative-convective heat transfer in buildings. Such heat flux sensor was realized using thin films thermoresistances and tested with success using a wind tunnel.