Technique de fabrication de fluxmètre thermique à gradient tangentiel de

(W.m-2) [21].

2.4.3. Fluxmètres thermiques de type Gardon

Le fluxmètre thermique de Gardon est destiné plus particulièrement à la mesure du flux radiatif. La figure 1.18 présente le schéma de principe de cette méthode.

Figure 1.18. Schéma de principe du fluxmètre thermique de type Gardon [18]

D’après la figure 1.18, le rayonnement est reçu sur un disque métallique de constantan A. L’autre métal, à savoir le cuivre, B constitue un cylindre massif sur lequel est soudé le disque métallique (A). Le circuit thermoélectrique est fermé par un fil de cuivre, et soudé au centre du disque C. Le system est refroidi par un circuit de refroidissement D. Le cylindre est maintenu à température constante.

Une différence de température entre le centre du disque et sa périphérie donne naissance à une f.e.m. La mesure de cette différence de potentiel permet de calculer le flux traversant le centre du disque [18].

2.5. Technique de fabrication de fluxmètre thermique à gradient tangentiel de température

Cette partie décrit les fluxmètres thermiques à gradient tangentiel de température, dont leurs principes, leurs techniques de fabrication, leurs applications, et leurs avantages et inconvénients sont présentés.

Il y a peu de société commercialisant des fluxmètres thermiques à gradient tangentiel de température. Leur fabrication est basée sur le principe que nous avons expliqué précédemment. Le passage du flux thermique génère un gradient de température sur la thermopile qui délivre ainsi une différence de potentiel proportionnelle au flux incident [21].

Trois sociétés aux Etats-Unis (Vatell, R.d.f, et Omega) et trois sociétés en Europe (Hukseflux, Wuntronic, et une P.M.E française : Captec) commercialisent ce type de fluxmètre thermique (Fig. (1.19)) [22-27].

(a) (b) (c)

(d) (e) (f) Figure 1.19. Photographies des fluxmètres thermiques commerciaux : (a) Captec, (b) Rdf, (c) Vatell, (d) Wuntronic, (e) Omega, et (f) Hulseflux [22-27]

A partir des fiches techniques données par ces différents fabricants, nous résumons les caractéristiques des différents fluxmètres thermiques commercialisés dans le tableau 1.6 [28].

Tableau 1.6. Caractéristiques de différents fluxmètres thermiques commerciaux [28] Dimension (mm²) Epaisseur Temps de réponse / constante de temps Sensibilité (V.m².W-1) Température de fonctionnement (°C) Rdf 15x30 180 µm 0,13 s 0,82 -184 a 149 Vatell 10x10 25x25 51x51 0,25 mm 0,9 s 0,1 1 5 150 Omega 35,1x28,5 180 µm 0,2 s 0,95 2,06 148,8 Wuntronic 7,4x10,7 12,7 mmØ 0,95 mmØ 0,64 mmØ 1,5 mm 1,8 mm 1,8 mm 1,8 mm 3 s 18 148,5 Captec 10x10 50x50 100x100 15x130 30 mmØ 420 µm 150 ms 0,3 0,75 30 6 2 200 Hukseflux 80 mmØ 5 mm 240 s 50 70

Afin de préciser les caractéristiques générales données par les fournisseurs de fluxmètres thermiques, différentes grandeurs peuvent être utilisées, telles que la différence de potentiel délivrée en fonction de la température, le temps de réponse, ou la sensibilité.

La différence de potentiel délivrée en fonction de la température montre le pouvoir thermoélectrique du fluxmètre selon l’effet Seebeck (V.K-1). Le temps de réponse est défini comme l’intervalle de temps entre le moment où nous appliquons un échelon de température sur le fluxmètre et le moment où sa grandeur de sortie varie [29].

D'une manière générale, la sensibilité d'un fluxmètre thermique est définie comme le rapport entre le signal de sortie, à savoir la différence de potentiel, et la propriété mesurée, à savoir la densité de flux thermique (Eq. (1.13)).

Eq. (1.13)

Où S est la sensibilité (V.m².W-1), ΔV est la différence de potentiel (V), et φ est la densité de flux thermique (W.m-2).

Dans le cas idéal, la fonction est linéaire et par conséquent la sensibilité est constante dans toute l'étendue de mesure du fluxmètre [30].

Bien que la procédure de fabrication puisse être différente pour les différents fabricants, leurs technologies sont basées sur le même principe, celle de l’électrode plaquée. Les fluxmètres thermiques, qui sont créés avec le principe de l’électrode plaquée contiennent une piste de métal (ou alliage métallique) associée à des plots de métal de conductivité électrique plus élevée, ainsi qu’à une feuille souple de kapton-constantan utilisée comme support de réalisation. Les plots métalliques constituent des puits thermiques.

La figure 1.20 permet de distinguer la thermopile planaire qui constitue l’élément actif du fluxmètre thermique (Captec Entreprise, France). Cette thermopile est réalisée avec la technologie du circuit imprimé. La gravure d’une feuille souple kapton- constantan est faite pour constituer une piste de constantan en forme de méandres. Afin de transformer cette piste en une succession de couples thermoélectriques disposés en série, des dépôts périodiques de cuivre sont réalisés par dépôt électrochimique du cuivre (ou galvanoplastie). La piste devient une thermopile planaire de type constantan-cuivre délivrant une différence de potentiel

proportionnelle au nombre de couples thermoélectriques et au gradient de température (Eq. (1.12)) [21, 28].

Figure 1.20. Vue écorchée d’un fluxmètre thermique en technologie feuilles minces (Captec Entreprise, France) [21]

Les plots de cuivre peuvent également être réalisés par gravure d’un laminé kapton- cuivre suivant la technologie classique des circuits imprimés. Ces structures planaires ont l’avantage de pouvoir être réalisées en petites séries mais nécessitent une main d’œuvre importante. Cette technologie contient des étapes de photosensibilisation et de gravure. Après un dégraissage de la feuille de kapton- constantan à l'acétone et une désoxydation au peroxodisulfate d'ammonium, une couche d'un métal, à savoir cuivre, de grande conductivité électrique et de bon contraste de pouvoir thermoélectrique est déposée par dépôt électrochimique. La feuille bimétallique ainsi réalisée est alors recouverte d'une résine photosensible, puis masquée et soumise à une insolation aux ultraviolets. Ce premier masque définit les pistes entrelacées (Fig. (1.21.(a))). Après révélation, la feuille est plongée dans un bain de perchlorure de fer. Seuls subsistent le cuivre et le constantan définissant les pistes ainsi que les connexions. La feuille est ensuite plongée dans l'acétone pour dissoudre les restes de la résine. La même opération est répétée avec un masque qui vient définir les électrodes. Ce masque est réalisé de manière à ce que les électrodes présentent des alignements de fronts chauds et de fronts froids, afin d’optimiser les gradients de température générés par le passage du courant. L'attaque chimique permettant de réaliser les cellules thermoélectriques est effectuée avec du peroxodisulfate d'ammonium, qui attaque plus rapidement le cuivre que le

constantan (Fig. (1.21.(b))). Enfin, le fluxmètre est recouvert d'un film de résine dans le but de le protéger de l'oxydation [31].

(a) (b)

Figure 1.21. Production par gravure (a) gravure des pistes, (b) gravure de plots [31]

Le couple thermoélectrique constantan-cuivre est décrit pour la production de fluxmètres thermiques conventionnels. Ce couple est préférable pour la plupart des applications car le cuivre peut être déposé par dépôt chimique ou électrochimique ainsi que pour son pouvoir thermoélectrique intéressant. De plus, ce couple est très bien adapté au principe des électrodes plaquées car la conductivité électrique des plots doit être plus élevée que la conductivité électrique des pistes. Ainsi, le constantan (1,9.106 S.m-1) et le cuivre (59,1.106 S.m-1) possèdent un bon contraste de conductivités électriques [31].