Brevet FR2912508A1 — publié le 20080815

SONDE D'EXCITATION THERMIQUE PAR CONTACT, PROCEDE DE FABRICATION ET PROCEDE D'ETALONNAGE DE CETTE SONDE DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une sonde d'excitation thermique par contact. L'invention concerne également un procédé de fabrication de cette sonde, un procédé d'étalonnage de cette sonde et aussi un procédé de 10 mesure de la température d'un matériau à l'aide de la sonde d'excitation thermique par contact. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La caractérisation thermophysique d'un 15 matériau, c'est-à-dire la mesure de sa conductivité et de sa capacité thermique, met en jeu des dispositifs expérimentaux d'autant plus complexes que l'essai doit être réalisé à haute température. A température ambiante, plusieurs types de 20 méthodes peuvent être employés pour conduire à des résultats très voisins. Par contre, si la mesure doit être réalisée jusqu'à 1000 C, il ne reste plus que deux à trois types de méthodes possibles, les appareils commercialisés 25 laissant alors progressivement la place à des installations de laboratoire. Au-delà de 1500 C, les dispositifs expérimentaux sont beaucoup plus rares et sont alors développés de manière spécifique. Pour la mesure de la 30 conductivité thermique, ces dispositifs spécifiques utilisent des systèmes laser onéreux, difficiles à développer et nécessitant beaucoup de maintenance. Pour la mesure de la capacité thermique, ces dispositifs spécifiques font appel à la méthode de la calorimétrie à chute. Cette méthode est précise, mais son l'utilisation se révèle fastidieuse si la gamme de température est étendue. La détermination des propriétés thermophysiques d'un matériau nécessite, d'une part, une perturbation thermique du matériau à caractériser, et d'autre part, un ou plusieurs moyens de mesure de la réponse en température, ces moyens de mesure pouvant être placés au contact ou non du matériau échantillon. Ainsi, en connaissant l'évolution d'un matériau en fonction de la température, on peut en déduire sa conductivité et sa capacité thermique. La nature de la perturbation thermique permet de différencier ces méthodes. On définit ainsi les méthodes dites sans contact, pour lesquelles la perturbation est de type photothermique (par exemple, une méthode flash avec excitation laser) et les méthodes dites par contact, pour lesquelles la perturbation est d'origine électrothermique. L'invention concerne la seconde classe de méthodes qui nécessite un moyen d'excitation en contact avec le matériau échantillon. Il s'agit le plus souvent d'une résistance électrique dont le choix de la géométrie conduit à mesurer des propriétés différentes. Par exemple, une résistance de géométrie plane carrée ou rectangulaire (méthode du plan chauffant (voir le document [1]) permet d'identifier l'effusivité thermique du matériau échantillon. Une résistance de géométrie linéaire (méthode du fil chaud (voir le document [2])) permet d'identifier la conductivité thermique du matériau échantillon. Une résistance de géométrie discoïdale (méthode du Hot Disk (voir le document [3])) permet d'identifier simultanément trois paramètres : la conductivité, la diffusivité et la capacité thermiques. Généralement, ces résistances électriques sont qualifiées de sondes par abus de langage, une sonde devant, par définition, comprendre à la fois un moyen d'excitation et un moyen de détection adapté. Le domaine de température propre à chaque sonde est limité. Si beaucoup de sondes fonctionnent entre 20 et 150 C, le choix est d'autant plus restreint que l'on s'écarte de cette plage de température. Cela est dû en partie à la constitution de la sonde qui nécessite d'être constituée, d'une part, en un matériau de résistivité électrique importante, en général un métal, qui va apporter l'énergie nécessaire par effet Joule et, d'autre part, en un isolant électrique pour éviter les courts-circuits dans le cas où le matériau à caractériser (qui peut être un solide, un liquide ou un gaz) serait conducteur de l'électricité. Il s'agit donc de trouver un couple matériau résistif û isolant électrique qui soit compatible et qui puisse maintenir son intégrité en température. Les sondes les plus courantes sont constituées d'une résistance en cuivre qui est isolée électriquement par un polyimide (du kapton) (voir le document [4]). Pour limiter la perturbation des mesures, les épaisseurs des sondes sont très faibles. Typiquement, elles sont inférieures au millimètre. Leur utilisation permet des caractérisations jusqu'à 150 C, température à partir de laquelle l'isolant fond. La société Hot Disk développe des sondes pouvant supporter des températures supérieures. Ces sondes sont constituées d'un alliage de nickel revêtu de mica qui peut résister jusqu'à 700 C maximum, même si la sonde est à usage unique au-delà de 400 C. Le but de l'invention est de proposer une sonde d'excitation thermique par contact, réutilisable, pouvant être utilisée pour la caractérisation thermique d'un matériau et pouvant avantageusement résister à des températures supérieures à 400 C. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint par un procédé de fabrication d'une sonde d'excitation thermique par contact destinée à être utilisée à une température d'utilisation Tu, ladite sonde pouvant résister à une température supérieure à 400 C, comprenant les étapes suivantes . -fourniture d'un substrat de carbone de faible épaisseur, - usinage du substrat de manière à former une piste résistive continue de longueur L dans le substrat, - traitement thermique du substrat usiné à une température T1 supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. L'avantage de cette sonde est qu'elle peut supporter un traitement thermique réalisé à une température supérieure à 400 C. La sonde d'excitation ainsi réalisée peut être utilisée pour mesurer une variation de températures. Avantageusement, la température T1 du traitement thermique du substrat usiné est supérieure à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant elle-même supérieure à la température TU d'utilisation de la sonde. Lorsqu'elle est étalonnée (par exemple selon un procédé décrit ci-dessous), la sonde d'excitation peut être utilisée pour mesurer avec précision des températures. La sonde obtenue par ce procédé de fabrication peut être appliquée sur un matériau de manière à déterminer, à partir de sa température, ses propriétés thermophysiques, c'est-à-dire sa capacité et sa conductivité thermiques. En effet, la sonde selon l'invention délivre une quantité de chaleur calibrée, sur une étendue géométrique (disposition de la piste résistive continue de longueur L) adaptable en fonction de l'application souhaitée de la sonde. Elle permet ainsi de solliciter thermiquement par contact un matériau échantillon puis de déduire, via la réponse en température de la sonde ou d'un capteur implanté à proximité, les propriétés thermophysiques (conductivité, capacité) du matériau. On précise que, contrairement à un capteur de température qui est un instrument passif dont la seule fonction est de mesurer la température d'un matériau, une sonde d'excitation thermique est un instrument actif qui a deux fonctions : - la première fonction est de délivrer une excitation thermique sous la forme d'un flux de chaleur uniformément réparti sur toute la surface de l'élément sensible (ici, il s'agit du substrat usiné) ; - la deuxième fonction est de mesurer la température autour de la zone sensible définie par la sonde. L'intérêt de la sonde par rapport à un simple capteur de température est que l'on dispose, sur un même dispositif, à la fois d'un moyen permettant d'exciter thermiquement un matériau et d'un moyen permettant de mesurer simultanément la réponse en température du matériau excité. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend en outre, après l'étape de traitement thermique du substrat usiné, les étapes suivantes . - dépôt pleine couche sur le substrat usiné, à une température de dépôt TD, d'une couche de revêtement en matériau céramique électriquement isolant et stable à la température d'utilisation Tu de la sonde, - traitement thermique du substrat usiné ainsi obtenu à une température T2 supérieure à la température de dépôt Tu de la couche de revêtement et supérieure à la température d'utilisation de la sonde. Avantageusement, la température T1 et la température T2 sont supérieures à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. Avantageusement, le matériau céramique choisi pour le dépôt pleine couche sur le substrat usiné est électriquement isolant et stable à la température limite d'étalonnage TE de la sonde. Avantageusement, le matériau céramique est du nitrure de bore. Avantageusement, le matériau céramique est choisi parmi la silice (SiO2), le zircone (ZrO2) ou l'alumine (Al2O3) . Le choix du matériau se fait en fonction de la température d'utilisation de la sonde (et éventuellement de la température d'étalonnage) et de la température de fusion du matériau céramique, car le matériau doit pouvoir supporter cette température d'utilisation (et cette température d'étalonnage). Selon un second mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend en outre, après l'étape de traitement thermique du substrat usiné, les étapes suivantes : - dépôt pleine couche sur le substrat usiné, à une température de dépôt TD1r d'une première couche de revêtement en carbure de silicium, - dépôt pleine couche sur la première couche de revêtement, à une température de dépôt TD2, d'une seconde couche de revêtement en nitrure de bore, - traitement thermique du substrat usiné ainsi obtenu à une température T2 supérieure aux températures de dépôts Tm et TD2 et à la température d'utilisation TU de la sonde. Avantageusement, la température T1 et la température T2 sont supérieures à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. Avantageusement, dans les modes de réalisation ci-dessus, la température T1 est supérieure à la température T2. Avantageusement, le dépôt pleine couche est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Avantageusement, l'usinage se fait de manière à obtenir, pour une piste de largeur déterminée, une piste de longueur L maximale dans la surface du substrat disponible. Avantageusement, le substrat de carbone est un matériau souple de type Papyex . L'invention concerne également un procédé d'étalonnage de la sonde obtenue selon le procédé de fabrication mentionné ci-dessus. Ce procédé d'étalonnage comprend le chauffage uniforme de la sonde selon une rampe de température jusqu'à atteindre une température limite d'étalonnage TE, et la mesure simultanée de la température et de la résistance de la sonde à l'aide de moyens de mesure de manière à déterminer la fonction d'étalonnage FE reliant la température TS(K) de la sonde à sa résistance électrique RS (S2) selon la formule RS (S2) = FE. TS (K) , la température d'étalonnage TE étant supérieure à la température d'utilisation de la sonde et inférieure aux températures de traitement thermique T1 et T2. Le chauffage uniforme s'obtient par un chauffage lent et progressif, par exemple en plaçant la sonde dans un four résistif. L'invention concerne aussi un procédé de mesure de la température d'un matériau à tester à l'aide d'une sonde d'excitation thermique par contact obtenue selon le procédé de fabrication ci-dessus. Ce procédé de mesure comprend la mise en contact de la sonde avec une surface du matériau à tester et la mesure de la résistance Rs de la sonde pour en déduire sa température TS via la fonction d'étalonnage FE de la sonde déterminée selon le procédé d'étalonnage décrit ci-dessus. L'invention concerne aussi un procédé de caractérisation thermique d'un matériau à tester à l'aide d'une sonde d'excitation thermique par contact obtenue selon le procédé de fabrication décrit ci-dessus. Ce procédé de mesure comprend la mise en contact de la sonde avec une surface du matériau à tester, le chauffage du matériau par passage d'un courant électrique à travers la sonde (ce qui permet d'exciter thermiquement le matériau) et la mesure de la résistance de la sonde Rs pour en déduire sa température TS via la fonction d'étalonnage FE de la sonde déterminée selon le procédé d'étalonnage décrit ci-dessus. La mesure de température peut également être réalisée à l'aide d'un capteur (un couple thermoélectrique par exemple) situé à proximité de la sonde. On parle ici de caractérisation thermique car selon la réponse du matériau à l'excitation thermique délivrée par la sonde, on peut déterminer les propriétés thermiques du matériau testé. La sonde selon l'invention peut ainsi être utilisé comme sonde de caractérisation thermique d'un matériau. Cette démarche peut être appliquée pour caractériser d'autres types de propriétés, comme par exemple les propriétés thermochimiques. Enfin, l'invention concerne une sonde d'excitation thermique par contact à une température d'utilisation Tu, ladite sonde comprenant un substrat de carbone de faible épaisseur, ledit substrat étant usiné de manière à former une piste résistive continue de longueur L et subissant un traitement thermique à une température T1 supérieure à la température TU d'utilisation de la sonde. Avantageusement, la température T1 est supérieure à la température limite d'étalonnage TE de la sonde. Par substrat de faible épaisseur , on entend un substrat dont l'épaisseur est suffisamment faible pour que la variation de température le long de cette direction (c'est-à-dire selon l'épaisseur) soit petite par rapport à la variation générée par la sonde dans le matériau. Avantageusement, la sonde comprend en outre au moins une couche de revêtement en matériau céramique électriquement isolant et stable à la température d'utilisation TU de la sonde. Avantageusement, ce matériau céramique est également isolant et stable à la température d'étalonnage de la sonde. Le matériau céramique a une conductivité électrique faible de sorte que la résistance électrique du matériau une fois déposé sur le substrat de carbone usiné soit suffisante (c'est-àdire suffisamment grande par rapport à celle du substrat usiné) pour que le substrat de carbone usiné puisse être considéré comme étant électriquement isolé. Avantageusement, le matériau céramique est du nitrure de bore. Avantageusement, le matériau céramique est choisi parmi la silice (SiO2), le zircone (ZrO2) ou l'alumine (Al2O3) . Le choix du matériau se fait en fonction de la température d'utilisation de la sonde (et éventuellement de la température d'étalonnage) et de la température de fusion du matériau céramique, car le matériau doit pouvoir supporter cette température d'utilisation (et cette température d'étalonnage). Selon un mode de réalisation particulier, la sonde d'excitation thermique comprend une première couche de revêtement en carbure de silicium déposée sur le substrat de carbone et une seconde couche de revêtement en nitrure de bore. Enfin, l'invention concerne l'utilisation de cette sonde d'excitation thermique par contact comme moyen de chauffage d'un matériau par contact de ladite sonde avec une surface dudit matériau. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - les figures la à le représentent différentes géométries possibles pour la sonde selon l'invention, - la figure 2 représente une géométrie de sonde selon l'invention, - la figure 3 représente un montage pour la mesure de la conductivité thermique d'un matériau échantillon à l'aide de la sonde, selon l'invention, associée à deux couples thermoélectriques, - la figure 4 représente un graphique de la conductivité thermique d'un matériau échantillon en fonction de la température, obtenu en utilisant la sonde selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La sonde d'excitation thermique est constituée par un substrat fin de carbone, usiné pour former une piste résistive de longueur L. La géométrie du substrat est choisie en fonction de l'application qu'on veut obtenir. En effet, comme nous l'avons vu précédemment, on choisira de préférence une géométrie plane carrée (figure 1d) ou rectangulaire (figure le) pour la piste résistive si l'on veut connaître l'effusivité thermique d'un matériau ; si l'on souhaite connaître la conductivité thermique d'un matériau, on choisira de préférence une géométrie linéaire (fil (figure la) ou ruban (figure 1b)) ; enfin, si l'on souhaite identifier simultanément la conductivité, la diffusivité et la capacité thermique d'un matériau, on choisira de préférence de disposer la piste selon une géométrie discoïdale (sous forme de disque (figure 1c)) . Des exemples de géométries possibles pour la sonde sont illustrés dans les figures la à le. Dans ces exemples, les extrémités de la piste résistive 10 sont reliées à deux pattes de connexions 20 qui permettent l'alimentation électrique de la sonde. Ces deux pattes de connexion 20 sont réalisées plus larges que le reste de la piste résistive 10 de manière à garantir une résistance électrique faible et, par conséquent, un échauffement réduit lors de l'expérience. C'est sur ces pattes de connexion 20 l'on réalise la connexion de la sonde à alimentation électrique afin de faire parcourir courant électrique dans la piste résistive 10 en carbone pour générer, par effet Joule, une source de chaleur. On ne tient pas compte de la surface de ces pattes de connexions 20 pour évaluer la surface active de la piste résistive 10. Ainsi, la figure la représente un fil ayant une surface active de 60x1 mm2, la figure lb représente un ruban ayant une surface active de 40x30 mm2, la figure 1c représente un disque ayant une surface active de diamètre 30 mm, la figure 1d représente un plan carré ayant une surface active de que une un 50x50 mm2 et la figure le représente un plan rectangulaire ayant une surface active de 60x40 mm2. La qualité de la sonde selon l'invention dépend (i) de sa stabilité thermochimique, (ii) de son isolation électrique dans le cas d'une mesure effectuée en contact avec un matériau échantillon électriquement conducteur, (iii) de l'uniformité du champ de température lors de l'excitation thermique et (iv) de la sensibilité de la résistance électrique du substrat de carbone à la température. Ces quatre critères conditionnent le procédé de fabrication. Le procédé de fabrication de la sonde comporte plusieurs étapes. La première étape consiste à choisir un substrat de carbone qui, une fois traité à très haute température, présente à la fois des propriétés mécaniques convenables et une sensibilité importante de sa résistivité électrique à la température. Pour la réalisation de la sonde, nous avons choisi d'utiliser un matériau souple de type papier de carbone Papyex , produit par la société Carbone Lorraine, ayant une épaisseur de 230 m, une résistivité parallèle au plan de 0,001 S2.cm et une résistivité perpendiculaire au plan de 0,05 S2.cm. Il est bien entendu que d'autres types de substrats de carbone peuvent être envisagés. La deuxième étape consiste à usiner le substrat suivant une géométrie définie par l'utilisation. L'usinage consiste à réaliser, dans le substrat de carbone, une piste continue et résistive. La piste continue est par exemple réalisée telle qu'illustrée dans la figure 2. La piste 10 est réalisée de manière à occuper le maximum de surface dans un plan carré de surface 50 mm par 50 mm. La piste a ainsi une largeur de 2,55 mm et est disposée pliée sur elle-même en conservant un espace de 1,1 mm entre les méandres de la piste. Les dimensions de la piste résistive sont exprimées en millimètres dans la figure 2. Le choix d'une géométrie carrée pour la sonde va nous permettre de mesurer l'effusivité thermique d'un matériau. Les extrémités de la piste sont reliées à des pattes de connexion 20 réalisées plus larges (8,9 mm) que la piste résistive et permettent de connecter la piste à une alimentation en courant électrique. Des connections électriques peuvent être fixées sur ces pattes de connexion à l'aide d'une colle carbone. Le choix de l'épaisseur du substrat de carbone et de la longueur L de la piste à réaliser dans ledit substrat est déterminant puisqu'il fixe la résistance électrique Rs de la sonde selon la relation suivante : = pES L / S où pEs(S2.m) représente la résistivité électrique du substrat et S(m2) la section de la piste. La troisième étape consiste à traiter thermiquement le substrat usiné à une température T1 supérieure à toute les températures qui lui seront imposées par la suite, c'est-à-dire supérieure à la température limite d'étalonnage (la température limite d'étalonnage étant supérieure à la température d'utilisation de la sonde) et supérieure à la température d'élaboration du substrat de carbone (donnée fournie par le fabricant), afin de garantir sa stabilité thermochimique. Dans cet exemple, nous avons choisi de stabiliser thermiquement le papier de carbone par un traitement thermique à T1=1500 C pendant 10 minutes. Le procédé peut en outre comprendre une quatrième étape qui consiste à réaliser un dépôt isolant électrique sur le substrat de carbone usiné. Le matériau pour réaliser ce dépôt isolant électrique doit être un mauvais conducteur électrique et doit être stable à la température d'utilisation de la sonde, c'est-à-dire stable au moins jusqu'à la température à laquelle on envisage de porter la sonde. Etant donné que l'épaisseur de la sonde est faible, il n'est pas nécessaire que le matériau pour le dépôt isolant soit un bon conducteur thermique, mais cela est toutefois préférable. Dans cet exemple de réalisation, on souhaite mesurer la température d'un matériau échantillon électriquement conducteur. Par conséquent, il est nécessaire de recouvrir le substrat usiné d'une couche de céramique, isolante. Cette couche de céramique permet d'obtenir une isolation électrique de la sonde lors de l'utilisation de la sonde au contact du matériau échantillon conducteur. Pour la fabrication de nos sondes, nous avons choisi de recouvrir la piste en carbone avec du nitrure de bore (BN), car c'est un bon conducteur thermique (conduction thermique de l'ordre de 60 W.m- .K-1 dans la direction parallèle aux feuillets et de l'ordre de 2 W.m81.K81 dans la direction perpendiculaire aux feuillets pour une couche de nitrure de bore cristallisé sous forme de feuillets), un mauvais conducteur électrique (conduction électrique de l'ordre de 108 S2.m dans la direction parallèle aux feuillets et de l'ordre de 106 S2.m dans la direction perpendiculaire aux feuillets pour une couche de nitrure de bore cristallisé sous forme de feuillets) et il est stable à très haute température (sa température de fusion est située à 2600-2800 C). Le choix du type de céramique pour le dépôt isolant est également lié à son éventuelle interaction avec le carbone du substrat. Pour pallier cet inconvénient dans le cas d'un dépôt de nitrure de bore, il est souhaitable d'intercaler une couche de carbure de silicium (SiC) entre les deux matériaux afin d'empêcher la diffusion du carbone dans la couche de nitrure de bore. Ce phénomène de diffusion est irréversible et est favorisé par un niveau de température élevé. Il conduit à dégrader les propriétés d'isolation électrique du dépôt. La couche de carbure de silicium permet également d'empêcher la réaction NH3+CHCN+H2 qui dégraderait le substrat lors d'un dépôt de nitrure de bore par CVD. Pour une utilisation jusqu'à quelques centaines de degrés, le dépôt isolant peut être réalisé par simple pulvérisation de nitrure de bore effectuée à température ambiante : la température n'est pas suffisamment élevée pour provoquer une interaction du nitrure de bore et du carbone. Pour les sondes que nous avons réalisées suivant ce procédé, nous avons utilisé la bombe de nitrure de bore Acheson PULVE BND60A commercialisée par la société Tinel. Pour une utilisation jusqu'à très haute température, le dépôt isolant peut être réalisé à partir d'un précurseur liquide, par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), suivant des conditions de température, pression, débit et durée d'exposition définies en fonction de la nature du revêtement et du dispositif expérimental. Pour le papier de carbone Papyex revêtu de carbure de silicium et de nitrure de bore, nous avons utilisé les conditions suivantes . Pour le dépôt du carbure de silicium : Précurseur : tétraméthylsilane (TMS) Vecteur : hydrogène (H2) Température (TD) : 1050 C Pression : 0,1 bar Débit de TMS : 8 sccm Débit de H2 : 8 sccm Durée : 8 minutes pour une épaisseur de dépôt de 2 m environ. Pour le dépôt du nitrure de bore : Précurseur : tridiméthylaminoborane (TDMAB) Réactif : ammoniac (NH3) Vecteur : hydrogène (H2) Température (TD) : 1230 C Pression : 0,3 bar Débit de NH3 : 100 sccm Débit de H2 : 15 sccm 20 25 30 Durée : 30 minutes pour une épaisseur de dépôt de 500 nm environ. On obtient ainsi une couche de carbure de silicium SiC ayant une épaisseur d'environ 1000 nm et une couche de revêtement de nitrure de bore ayant une épaisseur d'environ 450 nm. La cinquième étape dans la fabrication de la sonde consiste à traiter thermiquement la sonde revêtue du dépôt isolant jusqu'à une température supérieure à la température d'étalonnage. Dans notre exemple de réalisation, nous avons stabilisé thermiquement la sonde à T2=1800 C pendant une durée de traitement d'environ 1 à 2 heures, mais nous aurions également pu choisir une température supérieure. Comme nous venons de le voir, des niveaux de température déterminants doivent être pris en compte lors de l'élaboration de la sonde : - la température d'élaboration du substrat de carbone TF, qui est fixée par le fabricant et est variable suivant les matériaux. En pratique, il est toujours très difficile de connaître avec précision le traitement thermique qu'a subi un matériau (niveau de température, durée) lors de son élaboration, cette information étant confidentielle pour le fabricant. C'est la raison pour laquelle il est préférable de réaliser un traitement thermique du substrat de carbone avant de l'utiliser à haute température ; - la température d'utilisation Tu atteinte 30 lors de l'utilisation de la sonde ; - la température limite atteinte lors de l'étalonnage de la sonde TE. Par définition, cette température doit être supérieure à la température d'utilisation, c'est-à-dire TE>TU. Si on dépose un isolant sur le substrat de carbone, il faut également considérer la température TE atteinte par le substrat de carbone lors du dépôt de l'isolant électrique. La température de dépôt dépendra du matériau déposé. Par conséquent, - pour garantir la stabilité thermochimique du substrat lors du dépôt d'un revêtement isolant sur ledit substrat de carbone, la sonde doit être préalablement traitée à une température T1 supérieure à la température de dépôt du revêtement : T1>TD ; - pour garantir la stabilité thermochimique de la sonde, la sonde doit être traitée à unetempérature T2 supérieure à la température d'étalonnage : T2>TE ; -pour prévenir d'éventuels effets thermomécaniques entre le substrat et l'éventuel dépôt d'un revêtement isolant lors des montées en température, il est souhaitable que la température T1 soit supérieure à la température T2 : T1>T2. On obtient donc la relation suivante : T1>T2>TE>TU. Ainsi, dans le cas d'une mesure de température au contact d'un matériau échantillon isolant électrique, la fabrication de la sonde consiste 30 simplement à réaliser un traitement thermique du substrat de carbone à la température T. 25 Dans le cas d'une mesure de température au contact d'un matériau échantillon conducteur électrique, la fabrication de la sonde consiste tout d'abord à réaliser un traitement thermique du substrat de carbone à la température T1 pour s'assurer de sa stabilité, puis à revêtir le substrat de carbone d'un dépôt isolant électrique, et enfin à réaliser un deuxième traitement thermique à la température T2 afin de garantir la stabilité de la sonde constituée du substrat et de la couche isolante. Le traitement thermique du substrat usiné d'une part, et du substrat usiné revêtu de dépôt isolant d'autre part, est réalisé en les chauffant par effet Joule, tout en contrôlant simultanément leur température à l'aide d'un pyromètre bichromatique. Le chauffage par effet Joule est obtenu en connectant le spécimen (substrat usiné ou substrat usiné revêtu de dépôt isolant) à une alimentation en courant électrique. Lors des traitements thermique du spécimen, le spécimen est placé sous vide secondaire (par exemple à une pression de 10-5 à 10-8 mbar) afin d'éviter son oxydation. Le dépôt de carbure de silicium est réalisé par la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Pour cela, le TMS, précurseur liquide retenu, est vaporisé à température ambiante, puis entraîné jusqu'à l'enceinte de dépôt sous atmosphère contrôlée de H2. La stoechiométrie du SiC déposé est ajustable en modifiant les débits de TMS et de H2. Pendant le dépôt CVD, le substrat de carbone est chauffé par effet Joule afin de garantir un dépôt uniforme du carbure de silicium sur toute la surface du substrat usiné. Le dépôt de nitrure de bore est réalisé par la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Pour cela, le TDMAB, précurseur liquide retenu, est vaporisé à 35 C, puis entraîné par H2 jusqu'à l'enceinte de dépôt dans laquelle il est mélangé à NH3. Le NH3 permet d'assurer la stoechiométrie du nitrure de bore déposé. Comme précédemment, le substrat est chauffé par effet Joule de manière à garantir un dépôt uniforme du nitrure de bore sur toute la surface de la sonde. Une fois réalisée, la sonde peut être étalonnée. Pour cela, on détermine expérimentalement la fonction FE reliant la température T3(K) de la sonde à sa résistance électrique RS(S2) selon la relation suivante, Rs = FE(TS), en chauffant lentement la sonde de manière uniforme (selon une rampe de température) et en mesurant simultanément sa température Ts et sa résistance électrique Rs. Il est important que la température de la sonde soit uniforme, sous peine non seulement d'entraîner une variation de la résistance électrique Rs le long de la piste résistive et finalement de dégrader l'incertitude de la mesure, mais également de générer une source de chaleur non uniforme. Pour réaliser l'étalonnage, la sonde est disposée entre deux blocs de matériau très conducteur thermiquement et stable jusqu'à la température d'étalonnage TE. La forte conductivité thermique des blocs leur permet d'être quasiment isothermes et permet ainsi de chauffer uniformément la sonde. La sonde peut par exemple être maintenue entre deux blocs de carbone. Un moyen de mesure de la température, par exemple un couple thermoélectrique, est inséré entre deux méandres consécutives de la piste résistive, de préférence deux méandres dans la partie centrale de la sonde afin de mesurer la température de la sonde. L'ensemble des deux blocs et de la sonde est placé dans un four, sous vide secondaire (pression de 10-5 à 10-8 mbar) ou sous balayage de gaz inerte. L'opération d'étalonnage consiste à relever la résistance électrique RS de la sonde pour chaque valeur de température Ts indiquée par le couple thermoélectrique. On en déduit la fonction d'étalonnage FE de la sonde. L'étalonnage de la sonde présuppose que le champ de température est uniforme sur la sonde, afin de garantir une résistance électrique constante le long de la piste résistive. Lorsqu'on connaît la fonction d'étalonnage de la sonde, on peut utiliser la sonde pour déterminer la température d'un matériau échantillon. Pour cela, on place la sonde en contact avec un matériau échantillon et on mesure la résistance RS de la sonde afin de déduire la température Ts de la sonde via la fonction d'étalonnage FE de la sonde. La température de la sonde sera équivalente à celle du matériau échantillon. Comme lors de l'étalonnage de la sonde, il est important que la température de la sonde soit uniforme sous peine d'entraîner une variation de la résistance électrique RS le long de la piste résistive. La sonde selon l'invention a été utilisée pour caractériser les propriétés thermiques (conductivité, capacité) de plusieurs types de matériaux échantillons, conducteurs ou isolants, isotropes ou anisotropes, céramiques ou composites. La sonde utilisée est constituée d'un substrat de carbone de type Papyex revêtu d'un dépôt de nitrure de bore pulvérisé et usiné selon un plan carré de 50x50 mm tel que représenté à la figure 2. La sonde a une résistance électrique à température ambiante de 15,53 S2. La sonde est placée en contact avec un échantillon parallélépipédique de section carrée (50 mm de côté) et d'épaisseur constante (de l'ordre de 10 mm) du matériau à caractériser. La sonde et le matériau échantillon sont confinés dans un isolant thermique 300. La sonde excite thermiquement le matériau échantillon (chauffage par effet Joule) et on mesure simultanément la température du matériau échantillon en deux points différents à l'aide de deux thermocouples. Au niveau du premier point de mesure, le thermocouple est à la fois en contact avec le matériau échantillon et avec la sonde. Au niveau du second point de mesure, le thermocouple est en contact avec le matériau échantillon, mais pas avec la sonde. Selon la figure 3, le premier thermocouple 31 est en contact avec la sonde 100 et la surface inférieur du matériau échantillon 200 et le second thermocouple 32 est en contact avec la surface supérieure du matériau échantillon 200 et avec l'isolant thermique 300. Les matériaux étudiés sont les suivants : - Echl, produit par Céraquitaine, est de la mullite ; - Jargal M, produit par Saint Gobain, est de l'alumine ; - ER 1195, produit par Saint Gobain, est de la zircone ; - EDM3, produit par Poco, est du graphite ; - Aiguitex, produit par Safran, est du feutre carbone ; - C/R, produit par le Commissariat à l'Energie Atomique, est un matériau composite à fibres de carbone et matrice de résine phénolique. Les résultats obtenus à température ambiante sont présentés dans le tableau suivant : donné par fabricant obtenu avec la sonde p . cp (W.m-1.K-1) (W.m 1.K-1) (103 J.m-3.K-1) Echl 3,53 3,58 2379 Jargal M 5,50 5,23 3644 ER 1195 4,77 4,90 2748 EDM3 104 102,9 1553 Aiguitex para* 0,60 para 0,612 630 perp* 0,38 perp 0,284 C/R - para 1,20 1629 perp 0, 91 *Para signifie parallèle. *Perp signifie perpendiculaire. On remarque que les résultats obtenus sont en accord avec les valeurs annoncées par les fabricants. L'avantage de la sonde est qu'elle permet de déterminer non seulement la conductivité, mais également la capacité thermique du matériau, alors que les techniques habituelles conduisent le plus souvent à l'une ou l'autre de ces propriétés. Enfin, dans le cas du matériau C/R composite à fibres de carbone et matrice de résine phénolique, la conductivité peut être déterminée parallèlement et perpendiculairement au plan des fibres en réalisant deux expériences successives. La sonde a été utilisée pour obtenir la conductivité thermique du matériau Jargal M (produit par Saint Gobain) en fonction de la température. Les résultats sont présentés sous la forme d'un graphique dans la figure 4 : le trait plein représente les résultats donnés par le fabricant pour la conductivité thermique de ce matériau pour une température allant de 0 à 1200 C, et les triangles représentent (à l'incertitude de mesure près) les résultats obtenus avec la sonde selon l'invention pour des températures situées entre 0 et 1200 C. On constate que les résultats obtenus sont en accord avec ceux annoncés par le fabricant. La diminution de la conductivité thermique est bien reproduite jusqu'à 600 C et on observe également une hausse de cette conductivité thermique dans la gamme de 600 à 1200 C. Les techniques de caractérisation utilisant la sonde selon l'invention constituent des alternatives avantageuses aux méthodes laser le plus souvent proposées à haute température, car elles permettent une réduction des coûts d'installation, de maintenance et de formation du personnel, ainsi qu'une réduction des risques par rapport aux méthodes utilisant un laser. La sonde d'excitation thermique peut être utilisée pour obtenir la caractérisation thermique de matériaux solides jusqu'à très haute température. Aujourd'hui, seule la société Hot Disk commercialise des sondes permettant de mesurer la conductivité et la capacité thermiques d'un matériau jusqu'à 700 C. L'inconvénient est qu'au-delà de 400 C, la sonde, en Mica, est à usage unique. L'avantage de la sonde selon l'invention est qu'elle permet au contraire d'envisager des mesures jusqu'à des températures dépassant les 1500 C, en utilisant une sonde réutilisable. La sonde d'excitation thermique selon l'invention peut être utilisée dans de nombreux domaines d'application où de très hautes températures sont utilisées, en particulier dans les secteurs de l'aéronautique et du spatial. La sonde peut également être utilisée dans des secteurs d'activités utilisant les moyennes températures (jusqu'à 1000 C) tels que les transports, l'industrie chimique, la production d'énergie ou la sidérurgie car la complexité des techniques actuelles de caractérisation confinent leur emploi aux laboratoires publics ou aux grands organismes de recherche. Enfin, l'utilisation de la sonde d'excitation thermique n'est pas limitée à la caractérisation thermique de matériau. Elle peut en effet être utilisée comme moyen d'excitation calibrée dans tous les systèmes où il est nécessaire d'apporter une source de chaleur maîtrisée, comme par exemple dans les installations qui mettent en jeu des changements de phase ou plus largement, des phénomènes physicochimiques complexes. A l'heure de la miniaturisation, la sonde thermique peut également servir comme système de chauffage embarqué ou intégré au coeur de matériaux. BIBLIOGRAPHIE [1] B. Ladevie, Mise au point de dispositifs de caractérisation thermophysique de matériaux isolants solides ou pâteux extension aux fluides cisaillés , thèse de doctorat, ENSAM Bordeaux, 1998, pages 46-47. [2] B. Ladevie, Mise au point de dispositifs de caractérisation thermophysique de matériaux isolants solides ou pâteux extension aux fluides cisaillés , thèse de doctorat, ENSAM Bordeaux, 1998, pages 65-67. [3] S.E. Gustafsson, Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials , Review of Scientific Instruments, vol 62, 1991, p 797. [4] Y. Jannot, P. Meukam, Simplified estimation method for the determination of the thermal effusivity and thermal conductivity using a low cost hot strip , Measurement Science and Technology, vol 15, 2004, pp 1932-1938. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une sonde d'excitation thermique par contact destinée à être utilisée à une température d'utilisation Tu, ladite sonde pouvant résister à une température supérieure à 400 C, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat de carbone de faible épaisseur, - usinage du substrat de manière à former une piste résistive continue (10) de longueur L dans le substrat, - traitement thermique du substrat usiné à une température T1 supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la température T1 est supérieure à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant elle-même supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, comprenant en outre, après l'étape de traitement thermique du substrat usiné, les étapes suivantes . - dépôt pleine couche sur le substrat usiné, à une température de dépôt TD, d'une couche de 30 revêtement en matériau céramique électriquement isolantet stable à la température d'utilisation Tu de la sonde, - traitement thermique du substrat usiné ainsi obtenu à une température T2 supérieure à la 5 température de dépôt Tu de la couche de revêtement et supérieure à la température d'utilisation de la sonde. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la température T1 et la 10 température T2 sont supérieures à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant supérieure à la température TU d'utilisation de la sonde. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel le matériau céramique choisi pour le dépôt pleine couche sur le substrat usiné est électriquement isolant et stable à la température limite d'étalonnage TE de la sonde. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 3, 4 ou 5, dans lequel le matériau céramique est du nitrure de bore. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 3, 4 ou 5, dans lequel le matériau céramique est choisi parmi la silice (SiO2), le zircone (ZrO2) et l'alumine (Al2O3) . 8 Procédé de fabrication selon la revendication 1, comprenant en outre, après l'étape de 15 20 25 30traitement thermique du substrat usiné, les étapes suivantes : - dépôt pleine couche sur le substrat usiné, à une température de dépôt TD1r d'une première couche de revêtement en carbure de silicium, - dépôt pleine couche sur la première couche de revêtement, à une température de dépôt TD2, d'une seconde couche de revêtement en nitrure de bore, - traitement thermique du substrat usiné ainsi obtenu à une température T2 supérieure aux températures de dépôts Tm et Tm et à la température d'utilisation Tu de la sonde. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel la température T1 et la température T2 sont supérieures à une température TE dite température limite d'étalonnage , ladite température limite d'étalonnage TE étant supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 3 ou 8, dans lequel la température T1 est supérieure à la température T2. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 3 ou 8, dans lequel le dépôt pleine couche est réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). 12. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l'usinage se fait de 30manière à obtenir, pour une piste (10) de largeur déterminée, une piste de longueur L maximale dans la surface du substrat disponible. 13. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le substrat de carbone est un matériau souple de type Papyex . 14. Procédé d'étalonnage de la sonde obtenue selon la revendication 1, 2, 12 ou 13, comprenant le chauffage uniforme de la sonde selon une rampe de température jusqu'à atteindre une température d'étalonnage TE, et la mesure simultanée de la température et de la résistance de la sonde à l'aide de moyens de mesure de manière à déterminer la fonction d'étalonnage FE reliant la température Ts(K) de la sonde à sa résistance électrique Rs(Q) selon la formule Rs(Q) = FE.TS(K), la température d'étalonnage TE étant supérieure à la température d'utilisation de la sonde et inférieure à la température de traitement thermique T1. 15. Procédé d'étalonnage de la sonde obtenue selon les revendications 3 à 11, comprenant le chauffage uniforme de la sonde selon une rampe de température jusqu'à atteindre une température d'étalonnage TE, et la mesure simultanée de la température et de la résistance de la sonde à l'aide de moyens de mesure de manière à déterminer la fonction d'étalonnage FE reliant la température Ts(K) de la sonde à sa résistance électrique Rs(Q) selon la formule Rs(Q)= FE.Ts(K), la température d'étalonnage TE étant supérieure à la température d'utilisation de la sonde et inférieure aux températures de traitement thermique T1 et T2. 16. Procédé de mesure de la température d'un matériau à tester à l'aide d'une sonde d'excitation thermique par contact obtenue selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant la 10 mise en contact de la sonde avec une surface du matériau à tester et la mesure de la résistance Rs de la sonde pour en déduire sa température Ts via la fonction d'étalonnage FE de la sonde déterminée selon le procédé d'étalonnage de la revendication 14 ou 15. 15 17. Procédé de caractérisation thermique d'un matériau à tester à l'aide d'une sonde d'excitation thermique par contact obtenue selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant la 20 mise en contact de la sonde avec une surface du matériau à tester, le chauffage du matériau par passage d'un courant électrique à travers la sonde et la mesure de la résistance de la sonde Rs pour en déduire sa température Ts via la fonction d'étalonnage FE de la 25 sonde déterminée selon le procédé d'étalonnage de la revendication 14 ou 15 18. Sonde d'excitation thermique par contact à une température d'utilisation TU, ladite 30 sonde comprenant un substrat de carbone de faible épaisseur, ledit substrat étant usiné de manière à5former une piste résistive continue (10) de longueur L et subissant un traitement thermique à une température T1 supérieure à la température Tu d'utilisation de la sonde. 19. Sonde d'excitation thermique selon la revendication précédente, dans laquelle la température T1 est supérieure à la température limite d'étalonnage TE de la sonde. 10 20. Sonde d'excitation thermique selon la revendication 18, comprenant en outre au moins une couche de revêtement en matériau céramique électriquement isolant et stable à la température 15 d'utilisation TU de la sonde. 21. Sonde d'excitation thermique selon la revendication 19, comprenant en outre au moins une couche de revêtement en matériau céramique 20 électriquement isolant et stable à la température limite d'étalonnage TE de la sonde. 22. Sonde d'excitation thermique selon la revendication 20 ou 21, dans laquelle le matériau 25 céramique est du nitrure de bore. 23. Sonde d'excitation thermique selon la revendication 20 ou 21, dans laquelle le matériau céramique est choisi parmi la silice (SiO2), le zircone 30 (ZrO2) et l'alumine (Al203).524. Sonde d'excitation thermique selon la revendication 18 ou 19, comprenant une première couche de revêtement en carbure de silicium déposée sur le substrat de carbone et une seconde couche de revêtement en nitrure de bore. 25. Utilisation de la sonde d'excitation thermique par contact selon les revendications 18 à 24, comme moyen de chauffage d'un matériau par contact de ladite sonde avec une surface dudit matériau.