FR2660432A1 - Capteur de flux thermique pour temperatures elevees, et procede pour sa realisation. - Google Patents
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Abstract
Capteur de flux thermique comprenant une première couche continue (2) de matériau thermiquement isolant, une seconde couche discontinue (4) de matériau thermiquement isolant disposée sur la première couche, et une multiplicité d'éléments thermo-électriques (5, 6) sous forme de dépôts métalliques minces suivant un trajet en forme de méandres et raccordés électriquement entre eux pour former une chaîne d'éléments alternativement positifs (6) et négatifs (5) en deux matériaux métalliques différents, dans laquelle une jonction (7) sur deux est réalisée à la surface de la première couche et les jonctions intermédiaires (8) sont situées à la surface de la seconde couche, à une distance sensiblement uniforme de la première couche. Selon l'invention, le capteur étant disposé sur une aube de turbomachine en alliage réfractaire, les première et seconde couches sont respectivement en alumine et en zircone stabilisée et les dépôts métalliques sont en alliages d'or, de platine et de palladium, toutes ces couches étant réalisées par pulvérisation cathodique. Ce capteur peut être utilisé jusqu'à des températures d'environ 1100degré C, pour l'évaluation des échanges convectifs à la surface de profils aérodynamiques.
Description
Capteur de flux thermique pour températures élevées, et procédé pour sa réalisation.
L'invention concerne les capteurs en couches minces pour la mesure de flux thermiques, se présentant sous forme pelliculaire.
Un tel capteur est décrit par exemple par A.C. Van Dorth,
F. Van Der Graaf et G.K. Steenvoorden, Thick Film Heat Flux
Sensor, Sensors and Actuators, 4(1983)323-331, et comprend une première couche continue de matériau thermiquement isolant, une seconde couche de matériau thermiquement isolant disposée sur la première couche, et une multiplicité d'éléments thermoélectriques sous forme de dépôts métalliques minces suivant un trajet en forme de méandres et raccordés électriquement entre eux pour former une chaine d'éléments alternativement positifs et négatifs en deux matériaux métalliques différents, dans laquelle une jonction sur deux est réalisée à la surface de la première couche et les jonctions intermédiaires sont situées à une distance sensiblement uniforme de cette surface et séparées de celle-ci par le matériau de la seconde couche.
F. Van Der Graaf et G.K. Steenvoorden, Thick Film Heat Flux
Sensor, Sensors and Actuators, 4(1983)323-331, et comprend une première couche continue de matériau thermiquement isolant, une seconde couche de matériau thermiquement isolant disposée sur la première couche, et une multiplicité d'éléments thermoélectriques sous forme de dépôts métalliques minces suivant un trajet en forme de méandres et raccordés électriquement entre eux pour former une chaine d'éléments alternativement positifs et négatifs en deux matériaux métalliques différents, dans laquelle une jonction sur deux est réalisée à la surface de la première couche et les jonctions intermédiaires sont situées à une distance sensiblement uniforme de cette surface et séparées de celle-ci par le matériau de la seconde couche.
Lorsque ce capteur est placé dans un champ de température présentant un gradient orienté perpendiculairement à la surface de la première couche, la chaine thermoélectrique fournit une différence de potentiel qui est représentative de la différence entre les températures auxquelles sont portées les deux séries de jonctions. Cette différence de potentiel est égale à celle produite par un thermocouple simple, multipliée par le nombre de paires d'éléments dans la chaine, le choix de ce nombre permettant d'ajuster la sensibilité de la mesure.Conformément au principe du fluxmètre à gradient, la différence de température mesurée au moyen de la chaine thermoélectrique permet de calculer le flux thermique traversant la surface sur laquelle s'étend le capteur, connaissant la conductivité thermique du matériau isolant formant la seconde couche et la distance entre les deux séries de jonctions dans la direction du gradient.
Dans ce capteur connu, le matériau isolant de la seconde couche est du verre, ce qui limite son utilisation à des températures ne dépassant pas 5000C environ. Par ailleurs, les éléments thermoélectriques sont entièrement noyés dans la couche de verre dont l'épaisseur est sensiblement uniforme. Pour réaliser ce capteur, il est donc nécessaire de déposer d'abord une partie de la seconde couche de verre, en recouvrant partiellement la première couche isolante, avant la mise en place des éléments thermoélectriques, puis de compléter la seconde couche au-dessus de ces éléments.
Le but principal de 1 invention est de fournir un capteur de flux thermique pouvant être utilisé à des températures beaucoup plus élevées que le capteur connu.
Un autre but de l'invention est de simplifier la fabrication de ce capteur.
L'invention a pour objet un capteur du genre défini en introduction, dans lequel le matériau de la seconde couche est à base de zircone. Il s'agit de préférence de zircone stabilisée par l'oxyde d'yttrium, pouvant contenir environ 7% d'oxyde d'yttrium en masse.
Selon une caractéristique préférée de l'invention, la seconde couche de matériau thermiquement isolant est discontinue, les éléments thermoélectriques étant déposés sur ladite seconde couche et sur la fraction de la première couche non couverte par celle-ci.
Le capteur peut comprendre un élément thermoélectrique sup plémentaire raccordé par une jonction supplémentaire à un élément de signe opposé situé à une extrémité de la chaîne et formant une branche latérale par rapport à cette dernière.
L'invention vise également un procédé de réalisation d'un capteur tel que défini ci-dessus, dans lequel toutes les couches isolantes et métalliques, y compris les éléments thermoélectriques, sont obtenus par pulvérisation cathodique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après d'un exemple de réalisation, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un capteur de flux thermique selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un capteur simplifié; et - la figure 3 est un diagramme explicatif.
Il convient de noter que des échelles non uniformes sont utilisées pour la lisibilité des dessins, des valeurs de quelques microns dans la direction de l'épaisseur du capteur équivalant à des distances de quelques millimètres selon la surface de celui-ci.
La figure 1 représente partiellement, vu en coupe selon son épaisseur, un capteur de flux thermique selon l'invention formé à la surface d'une aube de turbomachine 1 en superalliage réfractaire à base de nickel. Le capteur comprend une couche continue d'alumine 2 d'une épaisseur uni forme d'environ 8 microns. Pour assurer une excellente adhérence de cette couche sur le substrat, une couche intermédiaire 3 est interposée entre l'alliage de base 1 et l'alumine 2. Cette couche 3, d'une épaisseur d'environ 25 microns, est en un alliage Ni-Co-Cr-Al-Y composé d'environ 23% de cobalt, 21% de chrome, 8,5% d'aluminium et 1,5% d'yttrium en masse, le complément étant du nickel.
Cette couche intermédiaire améliore l'adhérence de l'alumine grâce à l'yttrium qu'elle contient et grâce à sa rugosité de surface. De façon connue en soi, la couche d'alumine 2 est de préférence précontrainte à la température ambiante de façon à accompagner sans dommage la dilatation thermique du substrat 1 et de la couche intermédiaire 3 aux températures élevées.
A la surface de la couche d'alumine 2 sont déposées des barrettes 4 de zircone stabilisée par 7% en masse environ d'oxyde d'yttrium. Ces barrettes, de section transversale rectangulaire et d'une épaisseur d'environ 10 microns, s'étendent parallèlement les unes aux autres.
Des éléments thermoélectriques 5, 6 sous forme de bandes métalliques étroites d'une épaisseur de 2 microns environ sont déposés sur les barrettes 4 et sur les parties de 1 couche 2 non recouvertes par celle-ci. Les éléments 5 sont des éléments négatifs réalisés en un alliage composé d'environ 65% d'or et 35% de palladium en masse, et les éléments 6 sont des éléments positifs en un alliage composé d'environ 55% de platine, 31% de palladium et 14% d'or en masse. Les éléments 5, 6 sont disposés en chaîne et raccordés les uns aux autres par des jonctions électriques 7, 8, chaque jonction 7 reliant une extrémité d'un élément négatif 5 et une extrémité d'un élément positif 6 sur la surface de la couche 2, et chaque jonction 8 reliant une extrémité d'un élément négatif 5 et une extrémité d'un élément positif 6 sur la face d'une barrette 4 opposée à la couche 2.
Comme on le voit à la figure 2, qui représente à titre illustratif un capteur comprenant un faible nombre de thermocouples en série, et dans laquelle les mêmes numéros de référence sont utilises qu'à la figure 1, deux éléments 5 et 6 adjacents occupant des positions intermédiaires dans la chaîne et reliés entre eux à une de leurs extrémités par une jonction 7 ont leurs extrémités opposées respectives reliées à d'autres éléments par deux jonctions 8 disposées sur deux barrettes 4 consécutives situées de part et d'autre de leur jonction 7 commune, ou sur une même barrette 4.
De même, deux éléments 5 et 6 adjacents occupant des positions intermédiaires dans la chaîne et reliés entre eux à une de leurs extrémités par une jonction 8 disposée sur une barrette 4 ont leurs extrémités opposées respectives reliées à d'autres éléments par deux jonctions 7 situées de part et d'autre de cette barrette.
A la figure 2, une extrémité de la chaîne thermoélectrique est formée par un élément négatif Sa dont une extrémité est reliée à l'élément positif 6 adjacent par une jonction d'extrémité 7a, et dont l'extrémité opposée constitue une première borne de sortie 9. L'élément Sa est entièrement déposé à la surface de la couche d'alumine 2. L'autre extrémité de la chaîne est formée par un élément négatif 5b relié à un élément positif adjacent par une jonction 8 et formant à son extrémité opposée à cette jonction, sur la surface de la couche d'alumine 2, une seconde borne de sortie 10.
Dans l'exemple simplifié de la figure 2, la chaîne thermoélectrique comporte quatre jonctions 7 et quatre jonctions 8, ces dernières étant disposées sur deux barrettes 4 à raison de deux jonctions sur chaque barrette. Bien entendu, selon la sensibilité souhaitée, il est possible de prévoir un nombre de barrettes de zircone très supérieur à deux, chacune d'elles pouvant porter un nombre de jonctions très supérieur à deux.
La figure 2 montre également un élément thermoélectrique supplémentaire 11 du type positif, situé entièrement à la surface de la couche d'alumine 2 et relié à l'élément terminal 5b par une jonction supplémentaire 12, l'extrémité de l'élément 11 opposée à la jonction 12 formant une troisième borne de sortie 13. Alors que la différence de potentiel entre les bornes 9 et 10 représente la différence de température entre la surface de la couche 2, où se trouvent les jonctions 7, et la face supérieure des barrettes 4, où se trouvent les jonctions 8, la différence de potentiel entre les bornes 10 et 13, qui sont celles d'un simple thermocouple, correspond à la température de surface de la couche 2.
Le capteur selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être réalisé entièrement par pulvérisation cathodique, et en particulier par pulvérisation cathodique radio-fréquence, ce qui implique un coût d'investissements réduit.
En raison du choix des matériaux utilisés, ce capteur peut fonctionner jusqu'à des températures de l'ordre de 11000C.
Le dépôt des barrettes de zircone et des éléments thermoélectriques est réalisé à l'aide de masques. Les jonctions électriques 7 et 8 sont obtenues par simple superposition des dépôts métalliques formant les éléments thermoélectriques, à leurs extrémités.
La réalisation d'une seconde couche isolante continue noyant les éléments thermoélectriques, qui compliquait la fabrication du capteur connu dans lequel cette couche est en verre, aurait été particulièrement complexe et difficile avec la zircone utilisée dans la présente invention. Inversement, on aurait pu craindre qu'une seconde couche discontinue sous forme de barrettes, telle que décrite ci-dessus, per turbe le flux de chaleur à mesurer, en raison de l'hétérogénéité de la conductance thermique qui en résulte. Or, un calcul numérique par différences finies a permis de constater que, dans un échange convectif typique des turbomachines, l'erreur commise sur la mesure du flux est de l'ordre de 0,1%.Ce calcul montre en particulier que, si la présence de la couche discontinue de zircone 4 sur la couche d'alumine 2 provoque une perturbation de la température de surface de cette dernière au voisinage immédiat d'un point A (figure 3) situé à la limite de la couche 4, on retrouve des valeurs sensiblement égales de la température de surface en des points B et C situés de part et d'autre du point
A à une distance de 0,9 millimètre de celui-ci, respectivement dans la zone non recouverte et dans la zone recouverte par la couche 4.
A à une distance de 0,9 millimètre de celui-ci, respectivement dans la zone non recouverte et dans la zone recouverte par la couche 4.
Le relief créé par les barrettes 4 à la surface d'une aube de turbine ne perturbe pas non plus de façon appréciable l'écoulement aérodynamique, leur épaisseur de 10 microns étant très inférieure à l'épaisseur de couches limites fines, qui se situe aux environs de 100 microns. Le capteur selon l'invention peut donc être utilisé pour l'évaluation des échanges convectifs à la surface de profils aérodynamiques.
Au lieu de réaliser des barrettes discrètes de zircone, il est possible de réaliser une couche continue de ce matériau et d'en éliminer par usinage des parties avant de déposer les éléments thermoélectriques. On peut encore réaliser, par exemple par pulvérisation cathodique, une couche comportant des sillons, puis déposer les éléments thermoélectriques.
Une couche supplémentaire d'alumine d'une épaisseur d'environ 0,3 micron peut être déposée sur l'ensemble des couches décrites ci-dessus pour protéger les éléments thermoélectriques contre l'oxydation.
Claims (14)
1. Capteur de flux thermique comprenant une première couche continue (2) de matériau thermiquement isolant, une seconde couche (4) de matériau thermiquement isolant disposée sur la première couche, et une multiplicité d'éléments thermoélectriques (5, 6) sous forme de dépôts métalliques minces suivant un trajet en forme de méandres et raccordés électriquement entre eux pour former une chaîne d'éléments alternativement positifs (6) et négatifs (5) en deux matériaux métalliques différents, dans laquelle une jonction (7) sur deux est réalisée à la surface de la première couche et les jonctions intermédiaires (8) sont situées à une distance sensiblement uniforme de cette surface et séparées de celle-ci par le matériau de la seconde couche, caractérisé en ce que le matériau de la seconde couche est à base de zircone.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la seconde couche est de la zircone stabilisée par l'oxyde d'yttrium.
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zircone stabilisée contient environ 7% d'oxyde d'yttrium en masse.
4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche est à base d'alumine.
5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est placé à la surface d'une pièce en alliage réfractaire à base de nickel, une couche (3) d'alliage Ni-Co-Cr-Al-Y étant interposée entre l'alliage de base (1) et la couche d'alumine.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage Ni-Co-Cr-Al-Y a approximativement la composition suivante en masse : Co 23%, Cr 21%, Al 8,5%, Y 1,5%, complément Ni.
7. Capteur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la pièce en alliage réfractaire est une aube de turbomachine.
8. Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la couche d'alumine (2) est précontrainte à la température ambiante.
9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments thermoélectriques positifs sont en alliage Pt-Pd-Au et les éléments négatifs en alliage
Pd-Au.
10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les alliages des éléments thermoélectriques ont approximativement les compositions suivantes en masse : Pt 55%,
Pd 31%, Au 14% pour les éléments positifs; Au 65%, Pd 35% pour les éléments négatifs.
11. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite seconde couche (4) de matériau thermiquement isolant est discontinue, les éléments thermoélectriques (5, 6) étant déposés sur ladite seconde couche et sur la fraction de ladite première couche (2) non couverte par celle-ci.
12. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément thermoélectrique supplémentaire (11) raccordé par une jonction supplémentaire (12) à un élément de signe opposé (5b) situé à une extrémité de la chaîne, et formant une branche latérale par rapport à cette dernière.
13. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une au moins de ses couches a approximativement l'épaisseur suivante - alliage Ni-Co-Cr-Al-Y : 25 microns - première couche de matériau isolant : 8 microns - seconde couche de matériau isolant : 10 microns - élément thermoélectrique positif et/ou négatif : 2 microns
14. Procédé de réalisation d'un capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que toutes les couches isolantes (2, 4) et métalliques (3, 5, 6), y compris les éléments thermoélectriques, sont obtenues par pulvérisation cathodique.
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Cited By (3)
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| US7338202B1 (en) * | 2003-07-01 | 2008-03-04 | Research Foundation Of The University Of Central Florida | Ultra-high temperature micro-electro-mechanical systems (MEMS)-based sensors |
| CN104931229A (zh) * | 2015-06-12 | 2015-09-23 | 中国航天空气动力技术研究院 | 一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器 |
| CN106595910A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-04-26 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种应力传感器及其制备方法 |
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1990
- 1990-04-03 FR FR9004271A patent/FR2660432B1/fr not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
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