Thermal characterization of matter using the 3ω method

Caractérisation thermique de la matière par la méthode 3ω

Sébastian Gauthier (1)

1 MITEA

This PhD thesis is devoted to the development of a measurement bench for thermal characterization. Nowadays, sensing techniques and instruments dedicated to this propose are numerous and evolve constantly : they still are an important research area. However, each instrument deals preferentially with one state of matter and measure mostly a unique thermal parameter. This measurement bench uses the so-called 3w technique, which consists in the measurement the thermal frequency response of a medium subject to an harmonic thermal heat fl ux. It is based on the thermoresistive e ffect that links the thermal domain to the electrical domain. It therefore gives an easy way to measure the thermal variations in function of the frequency and allows the determination of the thermal properties. Initially introduced for solids, we show that this tool can indeed measure the thermal conductivity but also gives access to thermal capacity. Moreover, we expand its eld of applications to other states of matter : liquids and gases. The sensor is fabricated using the microelectronics techniques and uses the silicon technology. That allows to reduce its dimensions and o ers interesting prospects in terms of miniaturization and integration.

Cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un banc de mesure pour la caractérisation thermique de la matière. Les techniques et instruments employés pour la mesure des propriétés thermo-physiques sont nombreux, évoluent constamment. Ils sont aujourd'hui encore le centre d'attention de multiples recherches. Ils sont néanmoins bien souvent adaptés préférentiellement à un état de la matière et à la mesure spéci fique d'un paramètre thermique. Le banc développé repose sur la méthode dite 3!, qui consiste à observer la réponse thermique fréquentielle d'un matériau soumis à un flux thermique harmonique. Cette technique met à pro t l'e et thermo-résistif qui accomplit la transduction du domaine thermique vers le domaine électrique. Elle permet alors de mesurer simplement les variations de température en fonction de la fréquence d'excitation donnant ainsi accès aux propriétés thermo-physiques du milieu étudié. Nous montrons que la méthode 3w permet eff ectivement d'une part de mesurer e fficacement la conductivité thermique, mais également d'estimer la capacité thermique isobare. De plus, alors qu'elle a été initialement introduite pour la caractérisation des solides, nous élargissons le champ d'application de cette technique, via un dispositif expérimental adapté, pour l'étendre aux autres états de la matière, à savoir les liquides et aux gaz. Le capteur proposé est fabriqué à l'aide des techniques de la micro-électronique et basé sur la technologie du silicium, ce qui permet de réduire fortement ses dimensions et o re des perspectives intéressantes en termes de miniaturisation et d'intégration

Mots clés: thermal conductivity; three-omega method; thermo resistive effect; tcr; micro and nano systems; micro electrics; thermal conduction; heat transfer

Mots clés: conductivité thermique; méthode 3ω; cahill; effet thermo-resistif; capacité calorifique; mems; micro et nano système; micro électronique; conduction thermique; transfert de chaleur

Domaines: Electronique

Sébastian Gauthier. Caractérisation thermique de la matière par la méthode 3ω. Electronique. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00826953⟩