Un nouveau capteur thermique pourrait aider à réduire le

Jul 25, 2023

Un capteur robuste et peu coûteux peut surveiller le flux de chaleur dans les appareils pour améliorer l'efficacité

Université de Tokyo

image : La technique de fabrication par dépôt par pulvérisation cathodique rouleau à rouleau est bien établie et permet de créer des films gravés en grande quantité pour une utilisation dans des contextes commerciaux.Voir plus

Crédit : ©2023 Tanaka et al. CC-BY-ND

L'excès de chaleur provenant des appareils électroniques ou mécaniques est le signe ou la cause d'une performance inefficace. Dans de nombreux cas, des capteurs intégrés permettant de surveiller le flux de chaleur pourraient aider les ingénieurs à modifier le comportement ou la conception des appareils afin d'améliorer leur efficacité. Pour la première fois, des chercheurs exploitent un nouveau phénomène thermoélectrique pour construire un capteur fin capable de visualiser le flux de chaleur en temps réel. Le capteur pourrait être intégré profondément dans des appareils là où d’autres types de capteurs ne sont pas pratiques. Il est également rapide, bon marché et facile à fabriquer selon des méthodes bien établies.

Selon la loi de conservation de l’énergie, l’énergie n’est jamais créée ou détruite mais change seulement de forme en fonction de l’interaction entre les entités impliquées. Toute énergie finit par se transformer en chaleur. Pour nous, cela peut être utile, par exemple, lorsque nous voulons chauffer notre maison en hiver ; ou préjudiciable, lorsque nous voulons refroidir quelque chose ou tirer le meilleur parti d'une application alimentée par batterie. Dans tous les cas, mieux nous pouvons gérer le comportement thermique d’un appareil, mieux nous pouvons contourner cet effet inévitable et améliorer l’efficacité de l’appareil en question. Cependant, cela est plus facile à dire qu'à faire, car savoir comment la chaleur circule à l'intérieur d'un appareil complexe, miniature ou dangereux est quelque chose qui va du difficile à l'impossible, selon l'application.

Inspirés par ce problème, le professeur associé du projet Tomoya Higo et le professeur Satoru Nakatsuji du département de physique de l'université de Tokyo et leur équipe, qui comprenait un partenariat d'entreprise, ont cherché une solution. « La quantité de chaleur conduite à travers un matériau est appelée flux thermique. Trouver de nouvelles façons de mesurer cela pourrait non seulement contribuer à améliorer l’efficacité des appareils, mais aussi leur sécurité, car les batteries avec une mauvaise gestion thermique peuvent être dangereuses, voire dangereuses pour la santé, car divers problèmes de santé ou de mode de vie peuvent être liés à la chaleur corporelle », a déclaré Higo. «Mais trouver une technologie de capteur permettant de mesurer le flux thermique, tout en satisfaisant à un certain nombre d'autres conditions, telles que la robustesse, la rentabilité, la facilité de fabrication, etc., n'est pas facile. Les dispositifs à diodes thermiques typiques sont relativement grands et ne donnent qu’une valeur de température dans une zone spécifique, plutôt qu’une image du flux thermique sur toute une surface.

L'équipe a exploré la façon dont un capteur de flux thermique constitué de certains matériaux magnétiques spéciaux et d'électrodes se comporte lorsqu'il existe des modèles complexes de flux de chaleur. Le matériau magnétique à base de fer et de gallium présente un phénomène connu sous le nom d’effet Nernst anormal (ANE), dans lequel l’énergie thermique est inhabituellement convertie en signal électrique. Ce n’est cependant pas le seul effet magnétique qui peut transformer la chaleur en énergie. Il existe également l'effet Seebeck, qui peut en fait créer plus d'énergie électrique, mais il nécessite une grande quantité de matériau, et les matériaux sont fragiles et donc difficiles à travailler. ANE, quant à lui, a permis à l’équipe de concevoir son appareil sur une feuille de plastique incroyablement fine et malléable.

« En trouvant les bons matériaux magnétiques et d'électrodes, puis en les appliquant selon un motif répétitif spécial, nous avons créé des circuits électroniques microscopiques flexibles, robustes, bon marché et faciles à produire, et surtout très efficaces pour produire des données de flux thermique en temps réel. temps », a déclaré Higo. « Notre méthode consiste à enrouler une fine feuille de plastique PET transparent, solide et léger comme couche de base, sur laquelle sont pulvérisés des matériaux magnétiques et des électrodes en couches minces et cohérentes. Nous gravons ensuite les motifs souhaités dans le film résultant, de la même manière que les circuits électroniques sont fabriqués.