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Capteur micro-calorimétrique pour mesure de chaleur-spécifique de nano-matériaux

Depuis quelques décennies déjà, le besoin de réaliser des mesures thermiques et micro-calorimétriques sur de très « petits objets » émerge dans de nombreux domaines des sciences (nanosciences, biophysique, matière condensée).

L’étude des matériaux supraconducteurs basses et hautes températures a définie une échelle de masse de cristal à étudier de l’ordre de quelques micro-grammes. La miniaturisation possible des capteurs grâce aux technologies de la microélectronique a permis d’atteindre ces échelles en termes de mesures thermiques. Depuis quelques années, la course à la miniaturisation pour l’industrie de la microélectronique a ouvert la possibilité de réduire encore d’un facteur mille les échelles. Or, aux échelles nanométriques apparait de nouveaux phénomènes physiques, méso-physiques et quantiques non encore compris dont la recherche fondamentale est friande. L’expérience du pôle Capteurs Thermométriques et Calorimétrie en terme de conception et réalisation de capteurs micro-calorimétriques de très faibles masses a permis l’obtention d’un nouveau capteur de taille micrométrique parfaitement adapté pour l’étude de matériau en couche mince et la détection de phénomènes thermiques à l’échelle du pico-joule jusqu’au nano-joule. Cette photo prise à la binoculaire montre un micro-capteur suspendu à base de parylène destiné à la réalisation de mesure de chaleur spécifique de nano-matériaux magnétiques. La surface sensible centrale est de 1 mm2. L’épaisseur totale de la membrane est inférieure au micron. L’ensemble comprenant les éléments sensibles (thermomètre et chauffage) possède une capacité calorifique d’environ 1 mJ/K à la température de 100 K. Avec une résolution en chaleur spécifique ΔC/C=10-5 tout à fait atteignable avec ce capteur, la détection de variation de chaleur spécifique supérieure à 0,1 pJ/K devient possible. La surface destinée à accueillir l’échantillon, est reliée au bain thermique par quatre bras de largeur 50 μm et de longueur 1 mm. La constante de temps thermique du capteur est d’environ une seconde, lui conférant la possibilité de pouvoir facilement réaliser des mesures thermiques dans des conditions adiabatiques. Les performances calorimétriques de ce capteur ont déjà été caractérisées. Cette première réalisation de micro-capteur thermique suspendu en parylène ouvre un champ d’étude très vaste en physique de très basses températures jusqu’à la température ambiante.
Fig. 1 : Capteur micro-calorimétrique suspendu en parylène pour la mesure de chaleur spécifiques de nano-matériaux magnétiques.
La surface utile de mesure au centre du capteur sur laquelle seront lithographiés les nano-matériaux n’est que de 1 mm2. Elle comporte déjà les éléments thermométriques et chauffants nécessaire à la mesure. Elle est isolée thermiquement du « porte cellule » en cuivre ( bain thermique) par quatre bras en parylène qui supporte les amenées de courant.
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