Comment les thermistances à haute température maintiennent-elles leur stabilité à des températures extrêmes ?

Fonctionnement fiable au-delà de 300 °C grâce à des composites céramiques et à des oxydes métalliques dopés

Les thermistances à hautes températures utilisent des composites céramiques spéciaux (notamment des oxydes de métaux de transition dopés selon des systèmes manganèse-nickel-cobalt (MNC)), dont la structure est optimisée pour un fonctionnement fiable au-delà de 300 degrés Celsius. Toute l’activité semi-conductrice est confinée à une structure cristalline spécifique, où le mouvement ionique n’est pas très libre. La présence d’éléments de terres rares en excès dans le mélange stabilise la composition au sein du thermistance et améliore, par conséquent, la sensibilité thermique. Les fabricants de thermistances indiquent que, si la composition chimique appropriée est utilisée, leurs thermistances présentent une variation de résistance inférieure à 0,5 % après 5 000 cycles thermiques (normes ASTM). L’utilisation de stabilisateurs de bulles à base de zircone stabilisée à l’yttria, associée à un frittage dans un environnement riche en oxygène, permet d’obtenir la microstructure souhaitée. Cette microstructure confère aux thermistances une très faible résistance à la fissuration sous contrainte thermique lorsqu’ils sont exposés à des cycles thermiques extrêmes.

Défis liés à la fusion thermique des composants au fil du temps : tassement des cristaux  

La précipitation cristalline s'est révélée problématique lorsque l'on porte un solide à une température suffisamment élevée pendant une durée prolongée. Une contre-mesure de premier plan contre ce problème est connue sous le nom de co-cuisson multicouche. Dans la co-cuisson multicouche, plusieurs couches de thermistances, ainsi que des couches d'isolation, sont fusionnées ensemble au cours d'un seul cycle de frittage (environ 1 400 degrés Celsius) afin de former une entité homogène et monolithique, spécifiquement conçue pour contrer les contraintes mécaniques. Les derniers modèles ont permis de réduire la contrainte mécanique interne (au sein de l'entité) à moins de 50 % de la valeur typique (contrainte moyenne) observée pour les entités fabriquées selon la méthode conventionnelle d'empilement vertical (les mesures post-fabrication des contraintes sur les entités co-cuites ont été réalisées conformément à la norme IEC 60539). Après co-cuisson, le dispositif est soumis à une encapsulation hermétique en alumine afin de créer un joint étanche au vide (hélium). Les résultats des essais montrent un taux de fuite d'hélium inférieur à 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/s, ce qui empêche l'entrée de gaz (dérive) dans l'encapsulation à des températures supérieures à 250 degrés Celsius. Les coefficients de dilatation thermique du matériau d'encapsulation (alumine) et du matériau de la thermistance sont très bien appariés (à ± 1,5 ppm/°C près), ce qui permet de réduire le déplacement des joints de grains d'au moins 80 % (après une durée de service prolongée).

Ces techniques permettent aux composants de conserver leur précision avec une dérive inférieure à 2 % sur 10 000 heures à température de fonctionnement maximale.

Performances de stabilité thermique dans des conditions de contrainte réelles

Les thermistances haute température doivent non seulement conserver leur précision en laboratoire, mais aussi résister aux contraintes combinées dues aux cycles thermiques, aux attaques chimiques et aux vibrations mécaniques dans des scénarios réels.

Indicateurs de dérive à long terme : variation de résistance inférieure à 2 % après 5 000 heures à 250 °C (IEC 60751-2)

La norme IEC 60751-2 spécifie les normes de fiabilité que la plupart des entreprises espèrent atteindre. En ce qui concerne les spécifications relatives à la dérive négative, on considère qu’un capteur présentant une dérive de résistance inférieure à 2 % a conservé cette dérive après un fonctionnement continu de 5 000 heures à 250 degrés Celsius. Pour valider ces spécifications, les fabricants réalisent des essais de vieillissement accéléré qui simulent l’environnement dans lequel l’équipement sera utilisé. Ces essais comprennent notamment l’utilisation de nombreuses chambres climatiques afin de reproduire divers environnements (par exemple, chaud et humide), ainsi que le fonctionnement de l’équipement à pleine puissance pour dépasser les spécifications prévues. La température de fonctionnement de l’équipement est également soumise à des cycles rapides (par exemple, passage à 300 degrés en moins d’une minute). Pour obtenir ces résultats, les fabricants utilisent des matériaux dotés de structures cristallines stables. La fabrication de ces matériaux exige un dopage spécifique, un recuit soigneux afin de soulager les contraintes accumulées, et une microstructure adéquate verrouillée de façon à atteindre la performance finale souhaitée.

Compromis entre temps de réponse et précision dans la surveillance thermique des convertisseurs haute puissance

Le choix d’un thermistor approprié lors de l’utilisation de convertisseurs haute puissance (> 200 degrés Celsius) implique des compromis entre le temps de réponse et la précision des mesures. Les capteurs à couches épaisses offrent des temps de réponse inférieurs à une demi-seconde, ce qui est assez bon, mais présentent une dérive de précision d’environ 1,5 degré Celsius en cas de variations rapides de la charge. En revanche, certaines pastilles de thermistor immergées dans des revêtements protecteurs atteignent une précision de 0,3 degré Celsius même en cas de variations rapides de température supérieures à 50 degrés Celsius par seconde ; toutefois, leur temps de réponse dépasse 3 secondes. Dans le cas des éléments de protection des IGBT, les conséquences d’une erreur sont très graves : elles peuvent entraîner soit une coupure inutile du système, soit, à l’inverse, une surchauffe et la destruction du composant. La plupart des ingénieurs considèrent ce type de conception de système et la précision des mesures comme un paramètre plus critique que le temps de réaction.

Applications des thermistors haute température : détection et protection

Coupures PTC par surchauffe des enroulements du moteur avec points de commutation nets (120 °C - 200 °C)

Pour un nombre croissant de moteurs industriels, les thermistances PTC deviennent essentielles en tant que dispositifs de protection internes des enroulements des moteurs industriels. Ces dispositifs sont compacts et présentent, à l’état au repos, une faible résistance. Lorsqu’ils atteignent une température seuil (généralement comprise entre 120 et 200 °C), ils augmentent considérablement leur résistance et interrompent le circuit électrique afin d’empêcher toute élévation supplémentaire de la température et d’éviter tout dommage. Ils sont conçus de façon à ne pas basculer alternativement entre les états « marche » et « arrêt » à chaque variation de température (hausse ou baisse). Dans le cas des moteurs servo, qui peuvent fonctionner normalement autour de 150 °C, la majorité des thermistances PTC utilisées à des fins de protection offrent une précision de ± 5 % sur des milliers de cycles de chauffage et de refroidissement. Ce critère est reconnu comme satisfaisant aux exigences de la norme IEC 60751-2. Ils sont fabriqués à partir de céramiques robustes, ce qui leur permet de résister à des environnements exigeants caractérisés par la présence de vibrations. Grâce à ces qualités, les thermistances PTC peuvent assurer une protection thermique fiable sans nécessiter de capteurs ou de systèmes de commande supplémentaires.

Mécanismes de défaillance et stratégies d'atténuation pour les thermistances à haute température

Les hautes températures engendrent des mécanismes de défaillance spécifiques pour les thermistances. Ces mécanismes comprennent notamment les cycles thermiques répétés, qui provoquent des microfissurations différentielles dues à des dilatations inégales ; les modifications induites par la chaleur des propriétés résistives, résultant d’une oxydation accélérée ; la dégradation des joints d’étanchéité, entraînant un décalage de l’étalonnage sous l’effet de contaminants ; et la fatigue des soudures, qui constitue l’une des principales causes de défaillance électromécanique liée aux vibrations.

Nous devons commencer par les matériaux afin d'améliorer les stratégies d'atténuation. Prenons des substances telles que les céramiques dopées, capables de freiner le réarrangement problématique des structures cristallines. Il existe également des boîtiers métalliques soudés au laser, qui assurent un étanchéité quasi idéale contre les influences environnementales. On trouve aussi des intercouches de disiliciure de molybdène, qui jouent un rôle tampon entre les différents matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique distincts. En complément d'autres solutions, la liaison par fil d'or est privilégiée à celle par fil d'aluminium, car elle présente de meilleures performances que l'aluminium aux températures supérieures à +400 °C, seuil au-delà duquel l'or, le fil métallique ou d'autres matériaux entrent en défaillance. Toutefois, les solutions modernes les plus performantes ne reposent pas uniquement sur des composants structurels. Par exemple, les ingénieurs peuvent détecter les dommages avant qu'ils ne se propagent, grâce à une surveillance intégrée de la résistance. Dans ces cas, le caractère prédictif de cette approche s'avère idéal, car il est crucial dans les applications dépourvues de redondance.

Questions fréquemment posées  

Quels matériaux sont utilisés dans les thermistances à haute température ?

Les thermistances à haute température sont généralement fabriquées en céramique, car elles peuvent être constituées de systèmes d’oxydes de métaux de transition dopés, reposant sur le manganèse, le nickel et le cobalt, et sont privilégiées pour leur faible taux de défaillance à haute température.

Que signifie le frittage co-compacté multicouche appliqué aux thermistances ?
Dans le frittage co-compacté multicouche, des couches alternées de thermistances et de couches d’isolation sont fusionnées lors d’une seule opération de frittage, afin de créer des structures monolithiques mieux capables de supporter les contraintes que les méthodes conventionnelles.

Comment les thermistances PTC protègent-elles les enroulements de moteur ?
Les thermistances PTC assurent une autoprotection en augmentant leur résistance jusqu’à ce que le circuit soit interrompu, empêchant ainsi tout dommage supplémentaire.