Stabilité à haute température des thermocouples à film mince ITO/PtRh pour applications aéronautiques

Résumé

Les thermocouples à film mince (TFTC) permettent une surveillance de température précise et non intrusive dans les systèmes de propulsion aérospatiaux. Nous rapportons un TFTC ITO/PtRh:PtRh, fabriqué sur céramique d'alumine par pulvérisation magnétron et recuit postérieur en cycle N₂-air. Le dispositif a été étalonné sur plusieurs cycles jusqu'à 1000 °C, démontrant une stabilité et une répétabilité exceptionnelles de la FEM. Les barrières de diffusion d'oxygène formées par l'oxydation du PtRh, couplées aux barrières de Schottky aux joints de grains ITO, suppriment la dérive de concentration des porteurs. Le TFTC maintient son fonctionnement pendant >30 h dans des environnements difficiles, le positionnant comme un capteur fiable pour la mesure de température des composants chauds des aéronefs.

Contexte

Des données de température précises sont essentielles pour valider les modèles thermomécaniques des aéronefs, surveiller les conditions de fonctionnement et effectuer des diagnostics. Comparés aux thermocouples à fil conventionnels, caméras infrarouges ou jauges de projection thermique, les TFTC offrent une réponse rapide, une perturbation minimale du flux de gaz et une influence négligeable sur la distribution de température de la surface mesurée.

Les TFTC haute température ont été construits à partir de systèmes Pt-PtRh et In₂O₃-ITO. Cependant, ces architectures à film mince souffrent souvent de problèmes de stabilité et répétabilité dans la gamme 800-1000 °C typique des aéronefs. L'oxydation du rhodium cause une dérive dans les dispositifs Pt-PtRh, tandis que la dynamique des lacunes d'oxygène mène à une dérive de sortie ou défaillance dans les TFTC à base d'In₂O₃. Diverses stratégies — recuit haute température, dopage azote ou approches nanocomposites — ont amélioré la performance ITO, mais la sortie thermoélectrique décline typiquement due à la diffusion d'oxygène. Un thermoélément multicouche semi-conducteur/métal n'avait pas encore été rapporté.

Dans ce travail, nous introduisons un multicouche composite ITO/PtRh comme thermoélément. Après dépôt par pulvérisation et recuit N₂-air, nous investiguons la microstructure, la résistivité et la réponse thermoélectrique haute température du TFTC ITO/PtRh:PtRh résultant.

Méthodes

Préparation des échantillons

Des cibles ITO (In₂O₃:SnO₂ = 90:10, 99,99 % en poids, 100 mm diamètre) et Pt-13 %Rh (99,99 % en poids, 100 mm diamètre) ont été pulvérisées sur substrats d'alumine et Si(100) dans une chambre à 7 × 10⁻⁴ Pa à 110 mm distance cible-substrat. Les substrats ont été nettoyés séquentiellement à l'acétone, éthanol et eau déionisée. Le dépôt alterné de couches ITO et Pt-Rh a produit un film composite ~1 µm d'épaisseur, avec la couche ITO ≈400 nm et la couche Pt-Rh ≈100 nm. Le post-recuit impliquait 5 h à 1000 °C dans N₂ suivi de 2 h à 1000 °C dans l'air (N₂-Air).

Fabrication du TFTC ITO/PtRh:PtRh

Le TFTC 63 mm × 1 mm × 1 µm a été structuré sur un substrat d'alumine 75 mm × 12 mm × 0,5 mm en utilisant des masques pochoirs. Après recuit N₂-Air, le dispositif a été étalonné dans un four de 300 à 1000 °C. Chaque consigne était maintenue ≥1 h pour atteindre l'équilibre thermique. Des thermocouples à fil standard types S et K mesuraient les températures de jonction chaude (T₁) et froide (T₂) ; un multimètre numérique enregistrait la FEM depuis la borne de jonction froide.

Caractérisation

La diffraction des rayons X (DRX) a examiné la cristallinité ITO ; la microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé la coupe transversale du film composite ; la sonde à quatre points a mesuré la résistivité du film.

Procédure d'étalonnage

Le montage d'étalonnage est illustré en Figure 1b : un bain d'eau circulant crée un gradient de température entre les jonctions chaude et froide. La FEM est enregistrée tandis que T₁ et T₂ sont surveillées avec des thermocouples de référence.

Résultats et discussion

Microstructure et résistivité

La DRX du film ITO recuit montre des pics cubiques bixbyite In₂O₃ polycristallins sans orientation préférentielle ; aucun pic Sn ou Sn-oxyde n'apparaît, confirmant la formation de solution solide.

Les coupes transversales MEB (Figure 3) confirment l'épaisseur totale visée ~1 µm, avec la couche ITO environ quatre fois l'épaisseur Pt-Rh.

Les mesures de résistivité (Tableau 2) révèlent que le composite ITO/PtRh déposé est d'un ordre de grandeur plus conducteur que l'ITO pur. Le post-recuit réduit légèrement la résistivité ITO (8,52 × 10⁻² Ω cm → 7,55 × 10⁻² Ω cm), probablement dû à la densification et réduction des défauts. Inversement, la résistivité du composite augmente (1,68 × 10⁻³ Ω cm → 7,61 × 10⁻³ Ω cm) car l'oxydation de surface du Rh pendant le recuit entrave le transport de charge.

Performance thermoélectrique

L'étalonnage statique (Figure 4a) montre une augmentation non-linéaire de la FEM avec la différence de température, pourtant les valeurs FEM restent virtuellement inchangées sur plusieurs cycles jusqu'à 1000 °C, indiquant une stabilité supérieure.

La Figure 4b affiche des coefficients Seebeck qui augmentent rapidement avec ΔT, reflétant la concentration de porteurs dépendante de la température dans l'ITO dégénéré. Le coefficient Seebeck moyen sur trois cycles est 2,19 µV/°C, légèrement inférieur aux thermocouples conventionnels types S ou R. Cette réduction est attribuée aux barrières de Schottky aux joints de grains ITO, qui limitent les variations de concentration de porteurs et stabilisent le dispositif.

La relation FEM-ΔT s'ajuste à un polynôme du troisième ordre (Équation 3), avec des coefficients quasi identiques sur les cycles (Tableau 3). Les courbes ajustées confirment la répétabilité du dispositif. Le TFTC reste fonctionnel pendant >30 h à 1000 °C, soulignant son adéquation pour la surveillance de température de surface des composants d'aéronefs.

Conclusions

Nous avons déposé avec succès des films ITO et composites ITO/PtRh sur alumine par pulvérisation magnétron à température ambiante et obtenu un TFTC multicouche ITO/PtRh:PtRh stable après recuit N₂-air. L'augmentation de résistivité du composite au recuit est attribuée à l'oxydation du Rh, tandis que la résistivité ITO s'améliore légèrement par densification. La stabilité haute température du dispositif provient des barrières de diffusion d'oxygène formées par l'oxydation du PtRh et des barrières de Schottky aux joints de grains ITO, qui suppriment la dérive de concentration des porteurs. Avec un coefficient Seebeck moyen de 2,19 µV/°C et une durée de vie excédant 30 h sous conditions difficiles, ce TFTC est un capteur prometteur pour la mesure précise de température des composants d'aéronefs. La stratégie multicouche offre une nouvelle voie pour améliorer la stabilité ITO sans reposer uniquement sur le recuit haute température ou le dopage azote.

Abréviations

FEM

Force électromotrice

S

Coefficient Seebeck

MEB

Microscopie électronique à balayage

TFTC

Thermocouple à film mince

DRX

Diffraction des rayons X