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capteur bisonde

La procédure monosonde décrite dans le chapitre précédent implique pour le calcul de T_s la connaissance du facteur K. Lorsque la nature du matériau de la surface est mal connue, il en est de même de K. Pour s'affranchir de cette difficulté, il a été envisagé d'effectuer deux mesures du même point, mais avec des températures initiales de sonde différentes. Il en résulte deux pics d'amplitudes différentes. On dispose alors d'un système de deux équations à deux inconnues dont la résolution est aisée

T_i1-T_s = K (T_i1-T_p1)

T_i2-T_s = K (T_i2-T_p2)

Deux procédures sont envisageables:

soit on effectue, avec la même sonde, deux mesures successives très exactement au même endroit ce qui expérimentalement n'est pas nécessairement évident.

soit on dispose d'une sonde double dont l'extrémité comporte deux éléments sensibles suffisamment proches mais régulés séparément à des températures initiales différentes.

Fig. bisonde massive thermorégulée

La première procédure présente deux difficultés : il faut être certain, d'une part, de placer la sonde au même endroit, et, d'autre part, que la température de la surface n'a pas évolué entre les deux contacts. Or si le premier contact n'aura par principe accru la température de la surface que d'environ 1/300°C (au plus si l'on respecte la procédure), la nécessité de modifier la température de régulation pour obtenir un T_i2 différent de T_i1 implique qu'un certain laps de temps s'écoule entre la première et la seconde mesure avec un réel risque de variation de T_s pendant ce temps (si par exemple l'opération s'effectue dans un milieu ventilé, comme on a pu le constater lors de mesures en milieu hospitalier pratiquées par un personnel scientifiquement peu formé).

La seconde procédure en raison de la simultanéité des deux mesures évite ces difficultés, mais elle implique une miniaturisation extrême du dispositif si l'on veut l'utiliser sur des surfaces à gradient de température notable. Une bisonde massive figurée ci-dessus, réalisée pour valider le principe dans des conditions métrologiques de laboratoire, comporte deux éléments sensibles (A et B) distants de 5 mm ce qui est excessif pour nombre d'applications.

La solution consiste en l'emploi d'un multicapteur en technologie couches minces. Des travaux antérieurs menés au LCIA ont montré qu'il était possible de contrôler simultanément et séparément les températures de deux films minces distants de moins de 0.1mm. Il est ainsi possible de maîtriser à la fois la simultanéité des mesures et leur proximité géométrique garante de leur validité. Une étude théorique a permis de modéliser les comportements thermiques et de définir a priori les distances pratiques entre couche de mesure et couche chauffante pour obtenir un résultat techniquement exploitable. En effet plus la distance entre ces deux éléments est faible et plus le temps de réponse, c'est à dire l'obtention du pic inversé, est court. Cependant la conception d'un système ambulatoire implique une électronique d'acquisition relativement classique n'autorisant pas des temps de réponse trop faibles, il a ainsi été identifié qu'une distance optimale entre la couche de chauffage et celle de mesure serait au minimum de l'ordre de la trentaine de microns. La conception de la sonde imaginée initialement consistait en une miniaturisation de la sonde massive vue plus haut dans laquelle la zone régulée à Tr se trouve à 2mm en arrière de la surface, la simulation informatique dans le cas d'un empilement de couche mince signifiait qu'il nous fallait donc sur un substrat isolant déposer une couche résistive (zone Tr) lui superposer une couche isolante de plus de 30µm sur laquelle on viendrait déposer la couche de mesure. Malheureusement personne n'a jamais pu déposer une couche isolante d'une telle épaisseur, le maximum obtenu est seulement de l'ordre de 2 à 3µm. Au dela la couche invariablement souffre d'une mauvaise adhérence et se décolle quel que soit le procédé de dépôt employé. Et une couche de seulement 2µm conduisait à des temps d'obtention du pic inférieurs à la nanoseconde impliquant donc un système d'acquisition fonctionnant au rythme de la picoseconde! Donc prohibitif.

figure : ce qu'on ne sait pas faire

La solution est venue de l'idée de déposer les couches de chauffage et de mesure non de manière superposées mais dans un même plan, il est alors possible de les positionner à des distances précises et suffisamment importantes. En outre les deux dépôts étant réalisés simultanément avec un masque unique on gagne en temps opératoire et en précision relative.

figure : ce qu'on peut réaliser aisément

transducteur couche mince

Le transducteur qui a été développé au LCIA est constitué de quatre éléments thermosensibles : deux destinés à la mesure et deux jouant le rôle de résistances de chauffage. La géométrie de l'ensemble côté mesure et côté connexion est donnée sur la figure.

On notera que la différence essentielle de conception par rapport au capteur massif est que l'ensemble du dispositif se situe dans un plan. Il est ainsi aisé de définir la distance géométrique entre élément chauffant et élément de mesure (63µm ici) et donc le temps de réponse du capteur que l'on peut ainsi ajuster expérimentalement pour le rendre compatible avec les performances du microsystème électronique d'acquisition et de contrôle. On peut ainsi gagner un facteur 1000 sur le temps de réponse par rapport à celui obtenu avec un capteur massif.

Problèmes de connectique:

L'emploi de couches minces complique la connexion des thermoéléments au système électronique de traitement. En effet, il est interdit de prélever le signal sur la face même où sont implantées les couches puisque cela entraînerait une surépaisseur telle que les couches n'entreraient jamais en contact avec la surface dont on veut connaître la température.

On s'affranchit de cette difficulté en employant la technologie des trous métallisés dont l'application aux couches minces date du début des années 90. Cela consiste à prélever le signal à travers des trous judicieusement métallisés traversant le substrat et débouchant sur l'autre face sur des électrodes sur lesquelles il est permis d'effectuer des soudures classiques.

La figure précédente représente une vue des faces avant et arrière du substrat montrant les électrodes triangulaires en face arrière et les trous métallisés interconnectant les couches en face avant et les électrodes en face arrière.

Profil des dépôts

Les dépôts sont effectués par pulvérisation cathodique sur un substrat de céramique comportant des trous percés à l'aide d'un laser de puissance (diamètre quelques microns). Les thermistances sont ensuite obtenues par photolithogravure à partir de masques positifs correspondant aux motifs définis. La figure montre une coupe perpendiculaire au plan du substrat au voisinage d'un trou métallisé (le bord du trou est à gauche sur la figure). La métallisation du trou s'obtient en deux étapes : un premier dépôt va métalliser une face du substrat et un peu plus de la moitié du trou, dans la seconde étape on retourne le substrat et on opère selon le même processus et les deux dépôts se rejoignent donc dans le trou assurant la liaison électrique entre les deux faces sans surépaisseur sur celles-ci. Un dépôt d'or obtenu selon un procédé de galvanisation va ensuite augmenter l'épaisseur des électrodes afin de permettre la mise en oeuvre des procédés classiques de microsoudure par ultra-sons.

Le dispositif une fois monté ressemble à un stylo. Une technique astucieuse a été exploitée pour la connectique exploitant un circuit imprimé double face monté perpendiculairement au plan du microcapteur et mis en place à l'intérieur d'un bloc d'altuglas convenablement usiné et assurant simultanément la prise en main du transducteur et la protection des divers éléments du montage.

principe du raccordement perpendiculaire

La figure suivante montre une coupe du transducteur et du principe amovible de raccordement vers l'extérieur. Les contacts sur le circuit imprimé double face sont assurés grâce à un système de ressort qui permet le montage et le démontage aisé de la sonde.

Le contrôle du fonctionnement de ce transducteur est effectué au moyen d'un microcontrôleur associé à un ensemble CAN/CNA pour l'acquisition et le pilotage de la régulation, permettant l'ensemble des opérations de traitement et l'affichage du résultat d'une mesure en temps réel. En contrôlant les températures de régulation au 1/20°C et avec une acquisition sur 12 bits on peut espérer obtenir une résolution de 0.1°C.

étalonnage-validation

Pour valider ce type de transducteur et son électronique, il faut disposer d'une surface étalon de température connue (dite température standard). La procédure retenue fait appel à un ensemble thermostaté au 1/20°C comportant un sas par lequel on peut rapidement introduire la sonde de mesure afin de la mettre en contact un court instant avec la surface à tester. La figure ci-dessous montre l'aspect du dispositif.

Quelques résultats d’étalonnage, obtenus tant sur des matériaux conducteurs qu’isolants rigides ou souples, sont figurés dans le tableau ci-dessous. Ils montrent une incertitude de l’ordre de 1/4°C sur la mesure (à comparer avec une incertitude de un ou plusieurs degrés avec les capteurs classiques).

matériau	température régulée Tr1	température régulée Tr2	température standard (0.05°C)	température de surface mesurée	intervalle de confiance(95%)
indubiose gel	40°C 45 50	45°C 55 55	35.5 36.0 44.2	35.89 35.64 44.13	0.74 0.94 0.94
pyrex	35 45 50	40 50 55	26.2 40.3 43.8	25.93 40.67 44.09	0.91 0.92 0.96
acier	35 45 50	40 50 55	31.9 36.7 44.8	31.67 36.76 44.56	1.23 0.49 0.98
aluminium	35 45 50	40 50 55	30.3 37.0 43.7	30.27 36.92 43.97	0.84 0.45 0.82

On notera que les résultats sont presque aussi bons sur des matériaux peu conducteurs comme le pyrex ou le gel d'indubiose (matériau dont les propriétés thermophysiques s'apparentent à celles de la chair sous-cutanée) que sur les surfaces métalliques

complémentaire

Gouault J. & al., méthode simple de mesure de température cutanée. Application aux thromboses de la carotide, Revue Neurologique, Paris, 1968, Vol 119 (6) pp 485-494

Spy M., Détermination de la température superficielle à son interface avec l'air d'un milieu solide à faible conductivité thermique contenant un foyer thermogène, Thèse de Docteur-Ingénieur, Rouen, 1982

Gouault J., Hubin M., Surface temperature measurement by a thermoregulated miniaturised sensor. ICHMT Symposium, Dubrovnick, 1985, pp 20-25

Gouault J., Hubin M., Laforie P., Arribert-Desjardins A., Modélisation du comportement d'une sonde thermorégulée, 2ème Colloque National sur la Thermique, l'Energie et l'Environnement, Perros-Guirec, juin 1985.

Chadli S., Modélisation d'un multicapteur microcontrôlé à couches minces pour la mesure ambulatoire des températures de surfaces, Thèse de doctorat, Rouen 1993

Saccadura JF, initiation aux transferts thermiques, Lavoisier (Paris), 1982

Dauguet A., la détection des infrarouges et ses applications, Dunod (Paris), 1969.

Keyes R.J., Optical and infrared detectors, Springer Verlag (Berlin), 1980

Webster J.G., temperature measurement in Measurement instrumentation and sensors handbook, Chapman & Hall (New York), 1999

Noltingh B.E., temperature measurement in Instrumentation reference book, Part 2, Chap.1, Butterworths (NY),1988.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	6 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 22 mars 2013

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