WO2022101183A1 - Device and method for estimating temperatures of a multi-layer comprising a plurality of layers of material - Google Patents

Device and method for estimating temperatures of a multi-layer comprising a plurality of layers of material Download PDF

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WO2022101183A1
WO2022101183A1 PCT/EP2021/081073 EP2021081073W WO2022101183A1 WO 2022101183 A1 WO2022101183 A1 WO 2022101183A1 EP 2021081073 W EP2021081073 W EP 2021081073W WO 2022101183 A1 WO2022101183 A1 WO 2022101183A1
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WO
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multilayer
temperatures
transfer function
waves
complex
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PCT/EP2021/081073
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Antoine GUILLE
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Terakalis
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    • G01K11/125—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance using changes in reflectance

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material. It applies, in particular, to the quality control or monitoring of any process for which the internal temperature is an important element for the quality of the manufactured product or the productivity of the process involved. More particularly, the present invention applies to the evaluation of the temperature layer by layer in a monolayer material having an internal or multilayer temperature variation. For example, the present invention applies to the detection and control of thermal barriers, to the measurement of temperature at the outlet of a coextrusion machine producing a multilayer assembly, to the monitoring of the annealing temperature for the polymerization of glue or plastic welding, and monitoring the freezing or cooking process.
  • Terahertz radiation has strong penetrating power. They potentially allow you to see through many materials that are non-conductive and do not contain water. They are low in energy and non-ionizing, which makes them less harmful.
  • the reflection, propagation or crossing of the corresponding millimeter and submillimeter waves makes it possible to measure physical characteristics of materials and assemblies, which are not visible in other frequency bands.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates, according to a first aspect, to a device for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material, which comprises:
  • the complex refractive index having a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation and - a means for determining the temperatures of the materials present in the multilayer, configured to select the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a deviation between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
  • the temperature of the different layers of the multilayer can be estimated.
  • the multilayer may comprise only a single layer of material presenting an internal temperature variation comparable to layers of different materials.
  • the means for receiving the transmitted waves is configured to receive the waves reflected by the multilayer.
  • the means for receiving the transmitted waves is configured to receive the waves transmitted by the multilayer.
  • reception means can receive, simultaneously or successively, the reflected waves and the transmitted waves.
  • the transmission means is configured to transmit the waves by traversing a band of frequencies comprised between 40 GHz to 2000 GHz.
  • the transmission means comprises a source and an optic configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic to receive the reflected waves and/ or transmitted by said zones.
  • the transmission means comprises a source and an optic configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic to receive the reflected waves and/ or transmitted by said zones.
  • the transmission means comprises a source and an optic configured to distribute the wave emitted by the source over a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic to receive the waves reflected and/or the waves transmitted by said zones.
  • the reception means is a heterodyne receiver
  • the transmission means comprising a first microwave source supplying a harmonic generator
  • the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer supplied by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high-frequency receiver
  • the device comprising means for slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a main high-frequency oscillator driving this servo means, said main oscillator forming , moreover, phase reference for the vector high frequency receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same harmonic rank.
  • this harmonic rank can be freely determined between one and a few tens.
  • the means for measuring the transfer function of the multilayer comprises means for measuring the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
  • the device comprises means for obtaining the thickness of at least one layer of the multilayer or of the total thickness of the multilayer.
  • the means for determining the temperatures of the materials comprises means for modeling the transfer function of the multilayer for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and of the thickness of each material in the multilayer and a means for bringing the modeled transfer function into coincidence with the measured transfer function.
  • the multilayer comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the means for determining temperatures breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
  • the temperature determination means is configured to implement a modeling of the diffusion of heat in the multilayer.
  • the present invention relates to a method for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material, which comprises:
  • - a step of determining the temperatures of the materials present in the multilayer, by selecting the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
  • the method comprises a preliminary step of storing the correspondence values obtained by measurement on samples of materials alone, that is to say in a single layer, brought to different temperatures.
  • This measurement can be carried out, in particular, in two ways:
  • thermocouple By bringing a material to high or low temperature and monitoring its return to ambient temperature by means of a thermocouple positioned at its core.
  • a heterodyne receiver is implemented, during the transmission step, a first microwave source is implemented supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising head a harmonic mixer powered by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver, the method comprising a step of slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of the said microwave sources and a step for controlling this servo-control with a main high-frequency oscillator forming, moreover, a phase reference for the receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same rank harmonic.
  • the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer are measured for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
  • the method which is the subject of the invention comprises a step of obtaining the thickness of at least one layer of the multilayer or of the total thickness of the multilayer, the step of determining the temperatures of the materials comprising a medium step of modeling the transfer function of the multilayer for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer and a step of bringing the function into coincidence modeled transfer and the measured transfer function.
  • the multilayer comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the temperature determination step breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
  • the temperature determination step implements a modeling of the diffusion of heat in the multilayer.
  • FIG. 1 represents, schematically, a first embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 2 represents, schematically, a second embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 3 represents, schematically, a third embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 4 represents, in the form of a block diagram, the functions implemented by one of the devices illustrated in FIGS. 1 to 3, and
  • FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the steps of a method which is the subject of the invention.
  • THz Terahertz
  • Complex refractive index this is a complex quantity whose real part is linked to the speed of propagation of the THz wave and the imaginary part to the attenuation of the wave by absorption phenomenon.
  • the ability of a material to transmit an electromagnetic wave is characterized by the complex refractive index.
  • the real part of this index gives the propagation speed of the wave in a material.
  • the imaginary part gives the absorption of the wave by the material during propagation.
  • Transfer function It is a complex quantity dependent on the frequency which makes it possible to calculate the amplitude and the phase of a reflected or transmitted signal according to an incident signal.
  • the transfer function describing the response of a multilayer material to an incident electromagnetic wave can be calculated by various widely used methods. A description of one of them can be found in the document “Claude Amra, Catherine Grézes-Besset, Optical thin layers and interferential filtering - Fields and multilayers, synthesis, resonances and modes..., Engineering techniques, AF3348V1, January 10, 2011. »
  • Multilayer material Material composed of different single materials assembled in the form of superimposed layers. In an ideal multilayered material, the interfaces separating the materials are all normal to a same direction. By extension, we call “multilayer” all the materials obtained by assembling simple materials so that, locally, in the lateral directions, it is possible to consider that they behave as an ideal multilayer material.
  • FIG. 1 shows a device 20 for estimating the temperatures of a multilayer 30 comprising a plurality of layers 31 and 32 of material.
  • the device 20 comprises:
  • the plurality of layers 31 and 32 of the multilayer 30 can comprise more than two layers and that the thicknesses of these layers are independent.
  • the plurality of layers 31 and 32 can also be composed of a single layer of material having different temperatures and therefore behaving like layers of different material, in terms of propagation of terahertz waves.
  • the means 21 for transmitting the plurality of waves of different frequencies between 40 GHz to 10 THz successively transmits the waves of the different frequencies.
  • the transmission means 21 transmits the waves 33 by traversing a band of frequencies comprised between 40 GHz to 2000 GHz. We thus have a multiplicity of measurements forming a spectrum of values.
  • light waves having several wavelengths are emitted simultaneously by the emission means 21 .
  • the transmission means 21 comprises a source and an optic (not shown) configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic (not shown) to receive the reflected waves and/or the waves transmitted by said zones.
  • the transmission means 21 comprises a source and an optic (not shown) configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer
  • the reception means comprising an optic (not shown) to receive the reflected waves and/or the waves transmitted by said zones. This produces, with the emitted wave 33, a scan of part of the surface of the multilayer 30. It is thus possible to locate local anomalies there, for example variations in thermal conduction representative of local defects.
  • the transmission means 21 comprises a source and an optic (not represented) configured to distribute the wave emitted by the source over a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic (not represented ) to receive the waves reflected and/or transmitted by said zones. It is thus possible to overcome point defects by obtaining means of temperatures over extended zones of the various layers 31 and 32 of the multilayer 30.
  • the reflected signal 34 is acquired in amplitude and in phase by the reception means 22.
  • the transfer function of the multilayer 30 measured by the measuring means 23 is a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves 34 received by the reception means 22 with respect to the waves 33 emitted by the means 21 of transmission.
  • the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer 30 is measured over a range of frequencies.
  • the amplitude and the phase of the reflected wave and/or of the transmitted wave being measured by the reception means 22, the response of the multilayer 30 in reflection and/or in transmission is given in the form of a complex spectrum. This is an experimental transfer function.
  • the means for measuring the transfer function of the multilayer comprises means for measuring the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
  • Each complex refractive index stored in memory 24 comprises a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and an imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation.
  • the means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30 selects the temperatures of these materials which minimize a difference between:
  • FIG. 2 shows a device 35 for estimating the temperatures of the multilayer 30, which comprises:
  • the means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30 the means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30.
  • the difference between the devices 20 and 35 is that the waves analyzed are the waves reflected or transmitted by the multilayer 30.
  • the transmitted signal 36 is acquired in amplitude and phase by the reception means 26.
  • the device 40 illustrated in FIG. 3 cumulates and combines the means of the devices 20 and 35.
  • a heterodyne detection chain capable of measuring a vector signal, in amplitude and in phase, is implemented.
  • At least one receiving means 22 or 26 is a heterodyne receiver.
  • the transmission means 21 comprises a first microwave source supplying a harmonic generator.
  • the heterodyne receiver comprises at the head a harmonic mixer fed by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver.
  • the device 20, 35 or 40 further comprises means for slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a main high-frequency oscillator controlling this means of enslavement.
  • the main oscillator also forms a phase reference for the vector high-frequency receiver.
  • the harmonic generator powered by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operate at the same harmonic rank.
  • this harmonic rank can be freely determined between one and a few tens.
  • the device 20, 35 or 40 comprises means 37 for obtaining the thickness of at least one layer 31 or 32 of the multilayer 30 or of the total thickness of the multilayer 30 and, preferably, of all the layers 31 and 32.
  • the means 37 for obtaining thickness may include a memory storing geometric characteristics of the multilayer 30.
  • the equipment for manufacturing the multilayer 30 may document this memory.
  • the means 37 for obtaining thickness may also include a thickness measurement sensor.
  • this measurement sensor is a device similar to device 20, 35 or 40, or even this device.
  • the multilayer 30 is isothermal and its temperature is known or measured. This is, for example, of ambient temperature.
  • the values read in memory 24 are then the refractive index values for this known uniform temperature.
  • the means 37 for obtaining thickness can also comprise a laser profilometer which provides a total thickness of the multilayer 30.
  • the means 25 for determining the temperatures of the materials comprises:
  • This modeling makes it possible to calculate the response of a multilayer sample, i.e. its transfer function, over the frequency range used according to the complex refractive indices and the thickness of each material. Thanks to the memory 24 comprising charts of correspondence between complex refractive indices and temperatures for each material, the determining means 25 calculates the theoretical transfer function giving the response of a multilayer 30 as a function of the thickness and the temperature. of each of the layers 31 and 32. If the thicknesses of the various layers 31 and 32 are not known, an optimization procedure makes it possible to determine the thickness and the temperature of each of the layers 31 and 32 to make the function of theoretical transfer and the experimental transfer function.
  • optimization procedure refers to any method for determining values that make it possible to make the theoretical and experimental transfer functions coincide.
  • the optimization procedures include brute force search, i.e. the systematic testing of all possible combinations of parameters in the search space, methods related to Newton's method, the simplex method and metaheuristic methods.
  • the optimization can be performed on the frequency or time data obtained by Fourier transformation of the frequency data.
  • the means 25 for determining temperatures is configured to implement a modeling of the diffusion of heat in the multilayer 30.
  • the electromagnetic modeling is thus coupled to a modeling of the diffusion of heat to constrain the problem, to take account boundary conditions and guarantee the continuity of the temperature field in the sample.
  • the multilayer 30 comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer 30.
  • the means 25 for determining temperatures breaks down this layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determines the temperatures of these layers of the same material.
  • the multilayer 30 may comprise only a single layer of material having an internal temperature variation comparable to layers of different materials.
  • the implementation of the device 20, 35 or 40 allows the estimation, or even the measurement, of the temperature of the different layers of the multilayer.
  • Figure 4 represents, in the form of a block diagram, the functions implemented by one of the devices illustrated in Figures 1 to 3.
  • the function 51 corresponds to the constitution of a calibration chart comprising, for each material making up the multilayer 30, complex refractive indices for a set, preferably a range of temperatures.
  • the real part of each complex refractive index is called n' and its imaginary part n”.
  • the determination of the complex refractive index of each of the layers 31 and 32 in a multilayer 30 has already been the subject of publications, for example, "T. Zwick, J. Haala and W. Wiesbeck, "A genetic algorithm for the evaluation of material parameters of compound multilayered structures," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 4, p. 1180-1187, April 2002, doi: 10.1 109/22.993422. »
  • Function 52 corresponds to the physical description of multilayer 30: materials of the different layers and, possibly, thickness.
  • Function 53 concerns the initialization of parameter values to be evaluated, generally, for each layer, a thickness and a temperature, for example the temperature of the medium in which the multilayer 30 is located.
  • Function 54 is the measurement performed by means 22 and/or 26 of reception.
  • Function 55 is the calculation of the experimental transfer function.
  • Function 56 is the optimization described above.
  • the output 57 of the estimated temperature values may include, in the case where the thicknesses of the layers 31 and 32 are not known beforehand, the value of these thicknesses.
  • FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the steps of a method 60 for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material.
  • Process 60 includes:
  • step 64 for measuring a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received with respect to the waves emitted,
  • step 66 of determining the temperatures of the materials present in the multilayer by selecting the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures and the measured transfer function.
  • the measurement on samples of materials alone at a uniform temperature can be carried out, in particular, in two ways:
  • thermocouple positioned at the heart of the material.
  • a heterodyne receiver is implemented, during the step 62 of transmission, a first microwave source is implemented supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer powered by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver, the method comprising a step of slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a step for controlling this servo-control with a main high-frequency oscillator forming, moreover, a phase reference for the receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at same harmonic rank.
  • step 62 of measuring the transfer function of the multilayer 30 the complex reflection coefficient and/or the coefficient complex transmission of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
  • the method 60 comprises a step of obtaining the thickness of at least one layer 31, 32 of the multilayer 30 or of the total thickness of the multilayer, the step 66 of determining the temperatures of the materials comprising a means step of modeling the transfer function of the multilayer 30 for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer and a step of bringing the modeled transfer function and the measured transfer function.
  • the multilayer 30 comprising at least one layer of the same material exhibiting a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the step 66 of determining temperatures breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
  • the step 66 of determining temperatures implements a modeling of the diffusion of heat in the multilayer 30.
  • the present invention applies when it is a question of evaluating the temperature layer by layer in a monolayer or multilayer material.
  • the case of a temperature gradient in a layer is reduced to a multilayer case by a step of discretization.
  • the present invention applies, in particular:
  • Temperature gradient measurement in a thermal barrier This can make it possible to highlight defects in the thermal barrier or at the interface between the barrier and its substrate, to study the behavior of materials or to monitor a layer deposition process.
  • Temperature measurement per layer in a multilayer assembly made by coextrusion The interest is to evaluate the temperature at the exit of the extrusion for a better control of the process.
  • Controlling the annealing temperature of an adhesive or mastic makes it possible to control the degree of polymerization.
  • controlling the temperature of a weld zone plastic of an assembly makes it possible to control the correct transformation of the material and, consequently, its quality of adhesion.
  • Measuring the thermal gradient on a food being frozen/cooked makes it possible to ensure that a sufficiently low/high temperature is reached in the core and thus to avoid excessive cooling or cooking which would be unnecessarily energy-consuming.

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Abstract

The device (40) for estimating temperatures of a multi-layer (30) comprising a plurality of layers (31, 32) of material comprises: - a means (21) for emitting, in the direction of the multi-layer, a plurality of waves (33) with frequencies from 40GHz to 10THz, - a means (22, 26) for receiving the emitted waves which are reflected and/or the waves transmitted by the multi-layer, - a means (23) for measuring a transfer function of the multi-layer, - a memory (24) for corresponding values between complex refraction indices and the temperature for each of the materials present in the multi-layer and for the wavelengths emitted and - a means (25) for determining temperatures of the materials present in the multi-layer, which means is configured to select the temperatures of materials present in the multi-layer which minimise a deviation between the measured transfer function and a modelled transfer function.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D’ESTIMATION DE TEMPÉRATURES D’UN MULTICOUCHE COMPORTANT UNE PLURALITÉ DE COUCHES DE MATÉRIAU DEVICE AND METHOD FOR ESTIMATING TEMPERATURES OF A MULTILAYER COMPRISING A PLURALITY OF LAYERS OF MATERIAL
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne un dispositif et un procédé d’estimation de températures d’un multicouche comportant une pluralité de couches de matériau. Elle s’applique, en particulier, au contrôle qualité ou au suivi de tout procédé pour lequel la température interne est un élément important pour la qualité du produit fabriqué ou la productivité de procédé impliqué. Plus particulièrement, la présente invention s’applique à l’évaluation de la température couche par couche dans un matériau monocouche présentant une variation de température interne ou multicouche. Par exemple, la présente invention s’applique à la détection et au contrôle de barrières thermiques, à la mesure de température en sortie d’une machine de coextrusion réalisant un assemblage multicouche, au suivi de la température de recuit de polymérisation de colle ou de soudure plastique, et au suivi de procédé de congélation ou de cuisson. The invention relates to a device and a method for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material. It applies, in particular, to the quality control or monitoring of any process for which the internal temperature is an important element for the quality of the manufactured product or the productivity of the process involved. More particularly, the present invention applies to the evaluation of the temperature layer by layer in a monolayer material having an internal or multilayer temperature variation. For example, the present invention applies to the detection and control of thermal barriers, to the measurement of temperature at the outlet of a coextrusion machine producing a multilayer assembly, to the monitoring of the annealing temperature for the polymerization of glue or plastic welding, and monitoring the freezing or cooking process.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
Les rayonnements térahertz ont un fort pouvoir pénétrant. Ils permettent potentiellement de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs et ne contenant pas d'eau. Ils sont peu énergétiques et non ionisants, ce qui les rend peu nocifs. La réflexion, la propagation ou la traversée des ondes millimétriques et submillimétriques correspondantes permet de mesurer des caractéristiques physiques de matériaux et assemblages, qui ne sont pas visibles dans d’autres bandes de fréquence. Terahertz radiation has strong penetrating power. They potentially allow you to see through many materials that are non-conductive and do not contain water. They are low in energy and non-ionizing, which makes them less harmful. The reflection, propagation or crossing of the corresponding millimeter and submillimeter waves makes it possible to measure physical characteristics of materials and assemblies, which are not visible in other frequency bands.
Dans un article publié en 2017 dans le journal Quantitative Infrared Thermography, il a été montré que le coefficient d’absorption d’un matériau peut être dépendant de sa température (Cyndie Poulin, Meriam Triki, Karim Bousmaki, Alexandre Duhant, Hervé Louche & Bertrand Wattrisse (2018) Terahertz thermometry system to measure temperature in the thickness of a solid polymer, Quantitative InfraRed Thermography Journal, 15 :1 , 37-53, DOI : 10.1080/17686733.2017.1362791 ). In an article published in 2017 in the journal Quantitative Infrared Thermography, it was shown that the absorption coefficient of a material can be dependent on its temperature (Cyndie Poulin, Meriam Triki, Karim Bousmaki, Alexandre Duhant, Hervé Louche & Bertrand Wattrisse (2018) Terahertz thermometry system to measure temperature in the thickness of a solid polymer, Quantitative InfraRed Thermography Journal, 15:1, 37-53, DOI: 10.1080/17686733.2017.1362791).
Cependant, la mesure d’un coefficient d’absorption ne permet pas de connaître les différentes températures internes de pièces à inspecter. However, the measurement of an absorption coefficient does not make it possible to know the different internal temperatures of the parts to be inspected.
On connaît les documents US 2009/0161724 qui vise à résoudre le problème technique de la précision de la température uniforme mesurée pour des objets ayant une température supérieure à 850 °C. Ce document traite plus particulièrement de la mesure de la température d’une plaque monocouche de silicium. On connaît aussi les documents US 5 785 426 et US 9 163 931 , qui présentent les mêmes limitations à des objets monocouches. We know the documents US 2009/0161724 which aims to solve the technical problem of the precision of the uniform temperature measured for objects having a temperature greater than 850°C. This document deals more particularly with the measurement of the temperature of a monolayer silicon wafer. Documents US Pat. No. 5,785,426 and US Pat. No. 9,163,931 are also known, which have the same limitations for single-layer objects.
EXPOSE DE L’INVENTION DISCLOSURE OF THE INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un dispositif d’estimation de températures d’un multicouche comportant une pluralité de couches de matériau, qui comporte : The present invention aims to remedy all or part of these drawbacks. To this end, the present invention relates, according to a first aspect, to a device for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material, which comprises:
- un moyen d’émission, en direction du multicouche, d’une pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - a means of transmission, in the direction of the multilayer, of a plurality of waves of different frequencies between 40 GHz to 10 THz,
- un moyen de réception des ondes émises réfléchies et/ou des ondes transmises par le multicouche, - a means for receiving reflected emitted waves and/or waves transmitted by the multilayer,
- un moyen de mesure d’une fonction de transfert du multicouche, grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes reçues par rapport aux ondes émises, - a means of measuring a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received in relation to the waves emitted,
- une mémoire de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises, l’indice de réfraction complexe présentant une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et la partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation et - un moyen de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche, configuré pour sélectionner les températures de matériaux présents dans le multicouche minimisant un écart entre la fonction de transfert mesurée et une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures. - a memory of correspondence values between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted, the complex refractive index having a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation and - a means for determining the temperatures of the materials present in the multilayer, configured to select the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a deviation between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
Grâce à ces dispositions, la température des différentes couches du multicouche peut être estimée. On note que le multicouche peut ne comporter qu’une seule couche de matériau présentant une variation de température interne assimilable à des couches de différents matériaux. Thanks to these arrangements, the temperature of the different layers of the multilayer can be estimated. It should be noted that the multilayer may comprise only a single layer of material presenting an internal temperature variation comparable to layers of different materials.
Dans des modes de réalisation, le moyen de réception des ondes émises est configuré pour recevoir les ondes réfléchies par le multicouche. In embodiments, the means for receiving the transmitted waves is configured to receive the waves reflected by the multilayer.
Dans des modes de réalisation, le moyen de réception des ondes émises est configuré pour recevoir les ondes transmises par le multicouche. In some embodiments, the means for receiving the transmitted waves is configured to receive the waves transmitted by the multilayer.
On note que le moyen de réception peut recevoir, simultanément ou successivement, les ondes réfléchies et les ondes transmises. It is noted that the reception means can receive, simultaneously or successively, the reflected waves and the transmitted waves.
Dans des modes de réalisation, le moyen d’émission, est configuré pour émettre les ondes en parcourant une bande de fréquences comprises entre 40GHz à 2000GHz. In some embodiments, the transmission means is configured to transmit the waves by traversing a band of frequencies comprised between 40 GHz to 2000 GHz.
On dispose ainsi d’une multiplicité de mesures formant un spectre de valeurs. We thus have a multiplicity of measurements forming a spectrum of values.
Dans des modes de réalisation, le moyen d’émission comporte une source et une optique configurée pour diriger l’onde émise par la source successivement vers une pluralité de zones du multicouche, le moyen de réception comportant une optique pour recevoir les ondes réfléchies et/ou transmises par lesdites zones. On réalise ainsi, avec l’onde émise, un balayage d’une partie de la surface du multicouche. On peut ainsi y repérer des anomalies locales, par exemple des variations de conduction thermique représentatives de défauts locaux. In some embodiments, the transmission means comprises a source and an optic configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic to receive the reflected waves and/ or transmitted by said zones. Thus, with the emitted wave, a scanning of part of the surface of the multilayer is carried out. Local anomalies can thus be identified there, for example thermal conduction variations representative of local defects.
Dans des modes de réalisation, le moyen d’émission comporte une source et une optique configurée pour répartir l’onde émise par la source sur une pluralité de zones du multicouche, le moyen de réception comportant une optique pour recevoir les ondes réfléchies et/ou les ondes transmises par lesdites zones. In some embodiments, the transmission means comprises a source and an optic configured to distribute the wave emitted by the source over a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic to receive the waves reflected and/or the waves transmitted by said zones.
On peut ainsi s’affranchir de défauts ponctuels en obtenant des moyennes de températures sur des zones étendues des différentes couches du multicouche. It is thus possible to overcome point defects by obtaining temperature averages over extended areas of the different layers of the multilayer.
Dans des modes de réalisation, le moyen de réception est un récepteur hétérodyne, le moyen d’émission comportant une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique, le récepteur hétérodyne comportant en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel ; le dispositif comportant un moyen d’asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et un oscillateur haute fréquence principal pilotant ce moyen d'asservissement, ledit oscillateur principal formant, de plus, référence de phase pour le récepteur haute fréquence vectoriel, le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnant au même rang harmonique. In embodiments, the reception means is a heterodyne receiver, the transmission means comprising a first microwave source supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer supplied by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high-frequency receiver; the device comprising means for slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a main high-frequency oscillator driving this servo means, said main oscillator forming , moreover, phase reference for the vector high frequency receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same harmonic rank.
On réalise ainsi un dispositif dont la conception permet une réalisation simple, peu coûteuse et dont le domaine de mesure peut être étendu en fréquence. De préférence, ce rang harmonique peut être librement déterminé entre un et quelques dizaines. A device is thus produced, the design of which allows simple, inexpensive production and the measurement range of which can be extended in frequency. Preferably, this harmonic rank can be freely determined between one and a few tens.
Dans des modes de réalisation, le moyen de mesure de la fonction de transfert du multicouche comporte un moyen de mesure du coefficient de réflexion complexe et/ou du coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. In some embodiments, the means for measuring the transfer function of the multilayer comprises means for measuring the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche du multicouche ou de l’épaisseur totale du multicouche. In some embodiments, the device comprises means for obtaining the thickness of at least one layer of the multilayer or of the total thickness of the multilayer.
Dans des modes de réalisation, le moyen de détermination de températures des matériaux comporte un moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche et un moyen de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée. In some embodiments, the means for determining the temperatures of the materials comprises means for modeling the transfer function of the multilayer for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and of the thickness of each material in the multilayer and a means for bringing the modeled transfer function into coincidence with the measured transfer function.
Dans des modes de réalisation, le multicouche comporte au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche, le moyen de détermination de températures décomposant ladite couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et déterminant les températures de ces couches du même matériau. In embodiments, the multilayer comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the means for determining temperatures breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
Dans des modes de réalisation, le moyen de détermination de températures est configuré pour mettre en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche. In some embodiments, the temperature determination means is configured to implement a modeling of the diffusion of heat in the multilayer.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé d’estimation de températures d’un multicouche comportant une pluralité de couches de matériau, qui comporte : According to a second aspect, the present invention relates to a method for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material, which comprises:
- une étape d’émission, en direction du multicouche, d’une pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - a stage of emission, in the direction of the multilayer, of a plurality of waves of different frequencies between 40GHz to 10THz,
- une étape de réception des ondes émises réfléchies et/ou des ondes transmises par le multicouche, - a step for receiving reflected emitted waves and/or waves transmitted by the multilayer,
- une étape de mesure d’une fonction de transfert du multicouche, grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes reçues par rapport aux ondes émises, - a measurement step of a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received compared to the waves emitted,
- une étape de lecture, en mémoire, de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises, l’indice de réfraction complexe présentant une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et la partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation et - a step of reading, in memory, correspondence values between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted, the complex refractive index having a real part representing the propagation speed of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation and
- une étape de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche, par sélection des températures de matériaux présents dans le multicouche minimisant un écart entre la fonction de transfert mesurée et une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures. - a step of determining the temperatures of the materials present in the multilayer, by selecting the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
Dans des modes de réalisation, le procédé comporte une étape préliminaire de mémorisation des valeurs de correspondance obtenues par mesure sur des échantillons de matériaux seuls, c’est-à-dire en monocouche, portés à différentes températures. In some embodiments, the method comprises a preliminary step of storing the correspondence values obtained by measurement on samples of materials alone, that is to say in a single layer, brought to different temperatures.
Cette mesure peut être réalisée, notamment, de deux façons : This measurement can be carried out, in particular, in two ways:
1 . Dans une étuve instrumentée permettant un contrôle de la température dans laquelle la mesure THz peut s’effectuer in situ. 1 . In an instrumented oven allowing temperature control in which the THz measurement can be carried out in situ.
2. En portant un matériau à haute ou basse température et en suivant son retour à température ambiante au moyen d’un thermocouple positionné en son cœur. 2. By bringing a material to high or low temperature and monitoring its return to ambient temperature by means of a thermocouple positioned at its core.
Le résultat obtenu donne les correspondances, respectivement les évolutions de la partie réelle et de la partie imaginaire de l’indice de réfraction complexe en fonction de la température. Dans des modes de réalisation, au cours de l’étape de réception, on met en œuvre un récepteur hétérodyne, au cours de l’étape d’émission on met en œuvre une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique, le récepteur hétérodyne comportant en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel, le procédé comportant une étape d'asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et une étape de pilotage de cet asservissement avec un oscillateur haute fréquence principal formant, de plus, référence de phase pour le récepteur, le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnant au même rang harmonique. The result obtained gives the correspondences, respectively the evolutions of the real part and the imaginary part of the complex refractive index as a function of the temperature. In embodiments, during the reception step, a heterodyne receiver is implemented, during the transmission step, a first microwave source is implemented supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising head a harmonic mixer powered by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver, the method comprising a step of slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of the said microwave sources and a step for controlling this servo-control with a main high-frequency oscillator forming, moreover, a phase reference for the receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same rank harmonic.
Dans des modes de réalisation, au cours de l’étape de mesure de la fonction de transfert du multicouche, on mesure le coefficient de réflexion complexe et/ou le coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. In embodiments, during the step of measuring the transfer function of the multilayer, the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer are measured for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de l’invention comporte une étape d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche du multicouche ou de l’épaisseur totale du multicouche, l’étape de détermination de températures des matériaux comportant une étape moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche et une étape de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée. In some embodiments, the method which is the subject of the invention comprises a step of obtaining the thickness of at least one layer of the multilayer or of the total thickness of the multilayer, the step of determining the temperatures of the materials comprising a medium step of modeling the transfer function of the multilayer for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer and a step of bringing the function into coincidence modeled transfer and the measured transfer function.
Dans des modes de réalisation, le multicouche comporte au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche, l’étape de détermination de températures décomposant ladite couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et déterminant les températures de ces couches du même matériau. In some embodiments, the multilayer comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the temperature determination step breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
Dans des modes de réalisation, l’étape de détermination de températures met en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche. In embodiments, the temperature determination step implements a modeling of the diffusion of heat in the multilayer.
Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. The advantages, aims and particular characteristics of this method being similar to those of the device which is the subject of the present invention, they are not repeated here.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation du dispositif objet de l’invention, Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the non-limiting description which follows of at least one particular embodiment of the device and of the method which is the subject of the present invention, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 represents, schematically, a first embodiment of the device which is the subject of the invention,
La figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation du dispositif objet de l’invention, FIG. 2 represents, schematically, a second embodiment of the device which is the subject of the invention,
La figure 3 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation du dispositif objet de l’invention, FIG. 3 represents, schematically, a third embodiment of the device which is the subject of the invention,
La figure 4 représente, sous forme d’un schéma bloc, les fonctions mises en œuvre par l’un des dispositifs illustrés en figures 1 à 3, et FIG. 4 represents, in the form of a block diagram, the functions implemented by one of the devices illustrated in FIGS. 1 to 3, and
La figure 5 représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un procédé objet de l’invention. FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the steps of a method which is the subject of the invention.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. For greater clarity, identical or similar elements are identified by identical reference signs in all the figures.
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle. Note that the figures are not to scale.
On définit, préliminairement à la description, les termes ci-dessous : We define, preliminary to the description, the terms below:
Térahertz (en abrégé THz) est relatif à la bande de fréquences du spectre électromagnétique allant de 40GHz à 10THz. Terahertz (abbreviated as THz) relates to the frequency band of the electromagnetic spectrum ranging from 40GHz to 10THz.
Indice de réfraction complexe : il s’agit d’une grandeur complexe dont la partie réelle est liée à la vitesse de propagation de l’onde THz et la partie imaginaire à l’atténuation de l’onde par phénomène d’absorption. La capacité d’un matériau à transmettre une onde électromagnétique est caractérisée par l’indice de réfraction complexe. La partie réelle de cet indice donne la vitesse de propagation de l’onde dans un matériau. La partie imaginaire donne l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation. Ces indices dépendent, en général, de la fréquence de l’onde THz. Complex refractive index: this is a complex quantity whose real part is linked to the speed of propagation of the THz wave and the imaginary part to the attenuation of the wave by absorption phenomenon. The ability of a material to transmit an electromagnetic wave is characterized by the complex refractive index. The real part of this index gives the propagation speed of the wave in a material. The imaginary part gives the absorption of the wave by the material during propagation. These indices generally depend on the frequency of the THz wave.
Fonction de transfert : C’est une grandeur complexe dépendante de la fréquence qui permet de calculer l’amplitude et la phase d’un signal réfléchi ou transmis en fonction d’un signal incident. La fonction de transfert décrivant la réponse d’un matériau multicouche à une onde électromagnétique incidente peut-être calculée par différentes méthodes largement répandues. On trouvera la description de l’une d’entre elles dans le document « Claude Amra, Catherine Grèzes-Besset, Couches minces optiques et filtrage interférentiel - Champs et multicouches, synthèse, résonances et modes..., Technique de l’ingénieur, AF3348V1 , 10 janvier 201 1 . » Transfer function: It is a complex quantity dependent on the frequency which makes it possible to calculate the amplitude and the phase of a reflected or transmitted signal according to an incident signal. The transfer function describing the response of a multilayer material to an incident electromagnetic wave can be calculated by various widely used methods. A description of one of them can be found in the document “Claude Amra, Catherine Grèzes-Besset, Optical thin layers and interferential filtering - Fields and multilayers, synthesis, resonances and modes..., Engineering techniques, AF3348V1, January 10, 2011. »
Matériau multicouche : Matériau composé de différents matériaux simples assemblés sous forme de couches superposées. Dans un matériau multicouche idéal, les interfaces séparant les matériaux sont toutes normales à une même direction. Par extension, nous appelons « multicouche » tous les matériaux obtenus par assemblage de matériaux simples de sorte que, localement, dans les directions latérales, il est possible de considérer qu’ils se comportent comme un matériau multicouche idéal. Multilayer material: Material composed of different single materials assembled in the form of superimposed layers. In an ideal multilayered material, the interfaces separating the materials are all normal to a same direction. By extension, we call "multilayer" all the materials obtained by assembling simple materials so that, locally, in the lateral directions, it is possible to consider that they behave as an ideal multilayer material.
On observe, en figure 1 , un dispositif 20 d’estimation de températures d’un multicouche 30 comportant une pluralité de couches 31 et 32 de matériau. Le dispositif 20 comporte : FIG. 1 shows a device 20 for estimating the temperatures of a multilayer 30 comprising a plurality of layers 31 and 32 of material. The device 20 comprises:
- un moyen 21 d’émission, en direction du multicouche 30, d’une pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - a means 21 for transmitting, in the direction of the multilayer 30, a plurality of waves of different frequencies between 40 GHz to 10 THz,
- un moyen 22 de réception des ondes émises réfléchies 34 par le multicouche 30, - un moyen 23 de mesure d’une fonction de transfert du multicouche 30, - a means 22 for receiving the emitted waves reflected 34 by the multilayer 30, - a means 23 for measuring a transfer function of the multilayer 30,
- une mémoire 24 de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises et - a memory 24 of correspondence values between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted and
- un moyen 25 de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche 30. - a means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30.
On note que la pluralité de couches 31 et 32 du multicouche 30 peut comporter plus de deux couches et que les épaisseurs de ces couches sont indépendantes. La pluralité de couches 31 et 32 peut aussi être composée d’une seule couche de matériau présentant des températures différentes et se comportant donc comme des couches de matériau différents, en termes de propagation des ondes térahertz. It is noted that the plurality of layers 31 and 32 of the multilayer 30 can comprise more than two layers and that the thicknesses of these layers are independent. The plurality of layers 31 and 32 can also be composed of a single layer of material having different temperatures and therefore behaving like layers of different material, in terms of propagation of terahertz waves.
En figures 1 à 3 ne sont pas représentées les réflexions multiples qui se font à l’intérieur du multicouche 30. In FIGS. 1 to 3, the multiple reflections that occur inside the multilayer 30 are not represented.
Préférentiellement, le moyen 21 d’émission de la pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz émet successivement les ondes des différentes fréquences. Dans des modes de réalisation préférentiels, le moyen d’émission 21 émet les ondes 33 en parcourant une bande de fréquences comprises entre 40GHz à 2000GHz. On dispose ainsi d’une multiplicité de mesures formant un spectre de valeurs. Preferably, the means 21 for transmitting the plurality of waves of different frequencies between 40 GHz to 10 THz successively transmits the waves of the different frequencies. In preferred embodiments, the transmission means 21 transmits the waves 33 by traversing a band of frequencies comprised between 40 GHz to 2000 GHz. We thus have a multiplicity of measurements forming a spectrum of values.
Dans des variantes, des ondes lumineuses présentant plusieurs longueurs d’onde sont émises simultanément par le moyen d’émission 21 . In variants, light waves having several wavelengths are emitted simultaneously by the emission means 21 .
Dans des modes de réalisation, le moyen d’émission 21 comporte une source et une optique (non représentée) configurée pour diriger l’onde émise par la source successivement vers une pluralité de zones du multicouche, le moyen de réception comportant une optique (non représentée) pour recevoir les ondes réfléchies et/ou les ondes transmises par lesdites zones. On réalise ainsi, avec l’onde émise 33, un balayage d’une partie de la surface du multicouche 30. On peut ainsi y repérer des anomalies locales, par exemple des variations de conduction thermique représentatives de défauts locaux. In some embodiments, the transmission means 21 comprises a source and an optic (not shown) configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic (not shown) to receive the reflected waves and/or the waves transmitted by said zones. This produces, with the emitted wave 33, a scan of part of the surface of the multilayer 30. It is thus possible to locate local anomalies there, for example variations in thermal conduction representative of local defects.
Dans des modes de réalisation, le moyen d’émission 21 comporte une source et une optique (non représentée) configurée pour répartir l’onde émise par la source sur une pluralité de zones du multicouche, le moyen de réception comportant une optique (non représentée) pour recevoir les ondes réfléchies et/ou transmises par lesdites zones. On peut ainsi s’affranchir de défauts ponctuels en obtenant des moyens de températures sur des zones étendues des différentes couches 31 et 32 du multicouche 30. In some embodiments, the transmission means 21 comprises a source and an optic (not represented) configured to distribute the wave emitted by the source over a plurality of zones of the multilayer, the reception means comprising an optic (not represented ) to receive the waves reflected and/or transmitted by said zones. It is thus possible to overcome point defects by obtaining means of temperatures over extended zones of the various layers 31 and 32 of the multilayer 30.
Le signal réfléchi 34 est acquis en amplitude et en phase par le moyen de réception 22. The reflected signal 34 is acquired in amplitude and in phase by the reception means 22.
La fonction de transfert du multicouche 30 mesurée par le moyen 23 de mesure est une grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes 34 reçues par le moyen 22 de réception par rapport aux ondes 33 émises par le moyen 21 d’émission. The transfer function of the multilayer 30 measured by the measuring means 23 is a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves 34 received by the reception means 22 with respect to the waves 33 emitted by the means 21 of transmission.
Le coefficient de réflexion complexe et/ou le coefficient de transmission complexe du multicouche 30 est mesuré sur une plage de fréquences. L’amplitude et la phase de l’onde réfléchie et/ou de l’onde transmise étant mesurées par le moyen de réception 22, la réponse du multicouche 30 en réflexion et/ou en transmission est donnée sous forme d’un spectre complexe. Il s’agit d’une fonction de transfert expérimentale. The complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer 30 is measured over a range of frequencies. The amplitude and the phase of the reflected wave and/or of the transmitted wave being measured by the reception means 22, the response of the multilayer 30 in reflection and/or in transmission is given in the form of a complex spectrum. This is an experimental transfer function.
Le moyen de mesure de la fonction de transfert du multicouche comporte un moyen de mesure du coefficient de réflexion complexe et/ou du coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. The means for measuring the transfer function of the multilayer comprises means for measuring the complex reflection coefficient and/or the complex transmission coefficient of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
Chaque indice de réfraction complexe conservé en mémoire 24 comporte une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et une partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation. Each complex refractive index stored in memory 24 comprises a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and an imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation.
Le moyen 25 de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche 30 sélectionne les températures de ces matériaux qui minimisent un écart entre : The means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30 selects the temperatures of these materials which minimize a difference between:
- la fonction de transfert mesurée et - the measured transfer function and
- une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures. - a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
On observe, en figure 2, un dispositif 35 d’estimation de températures du multicouche 30, qui comporte : FIG. 2 shows a device 35 for estimating the temperatures of the multilayer 30, which comprises:
- le moyen 21 d’émission, - the transmission means 21,
- un moyen 26 de réception des ondes 36 transmises par le multicouche 30, similaire au moyen 22 de réception du dispositif 20 - a means 26 for receiving the waves 36 transmitted by the multilayer 30, similar to the means 22 for receiving the device 20
- le moyen 23 de mesure d’une fonction de transfert du multicouche 30, - the means 23 for measuring a transfer function of the multilayer 30,
- la mémoire 24 et - memory 24 and
- le moyen 25 de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche 30. - the means 25 for determining the temperatures of the materials present in the multilayer 30.
Ainsi, la différence entre les dispositifs 20 et 35 est que les ondes analysées sont les ondes réfléchies ou transmises par le multicouche 30. Le signal transmis 36 est acquis en amplitude et en phase par le moyen de réception 26. Thus, the difference between the devices 20 and 35 is that the waves analyzed are the waves reflected or transmitted by the multilayer 30. The transmitted signal 36 is acquired in amplitude and phase by the reception means 26.
Le dispositif 40 illustré en figure 3 cumule et combine les moyens des dispositifs 20 et 35. The device 40 illustrated in FIG. 3 cumulates and combines the means of the devices 20 and 35.
Dans des modes de réalisation, une chaine de détection hétérodyne capable de mesurer un signal vectoriel, en amplitude et en phase, est mise en œuvre. In embodiments, a heterodyne detection chain capable of measuring a vector signal, in amplitude and in phase, is implemented.
Dans ces modes de réalisation, au moins un moyen de réception 22 ou 26 est un récepteur hétérodyne. Le moyen 21 d’émission comporte une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique. Le récepteur hétérodyne comporte en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel. Le dispositif 20, 35 ou 40 comporte, de plus, un moyen d'asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et un oscillateur haute fréquence principal pilotant ce moyen d'asservissement. L’oscillateur principal forme, de plus, référence de phase pour le récepteur haute fréquence vectoriel. Le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnent au même rang harmonique. In these embodiments, at least one receiving means 22 or 26 is a heterodyne receiver. The transmission means 21 comprises a first microwave source supplying a harmonic generator. The heterodyne receiver comprises at the head a harmonic mixer fed by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver. The device 20, 35 or 40 further comprises means for slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a main high-frequency oscillator controlling this means of enslavement. The main oscillator also forms a phase reference for the vector high-frequency receiver. The harmonic generator powered by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operate at the same harmonic rank.
L’homme du métier pourra se référer à l’un des documents EP0420767 et LJS5119035 pour la mise en œuvre de cette chaîne de mesure. On réalise ainsi un dispositif dont la conception permet une réalisation simple, peu coûteuse et dont le domaine de mesure peut être étendu en fréquence. De préférence, ce rang harmonique peut être librement déterminé entre un et quelques dizaines. Those skilled in the art may refer to one of the documents EP0420767 and LJS5119035 for the implementation of this measurement chain. A device is thus produced, the design of which allows simple, inexpensive production and the measurement range of which can be extended in frequency. Preferably, this harmonic rank can be freely determined between one and a few tens.
Préférentiellement, le dispositif 20, 35 ou 40, comporte un moyen 37 d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche 31 ou 32 du multicouche 30 ou de l’épaisseur totale du multicouche 30 et, préférentiellement, de toutes les couches 31 et 32. Preferably, the device 20, 35 or 40 comprises means 37 for obtaining the thickness of at least one layer 31 or 32 of the multilayer 30 or of the total thickness of the multilayer 30 and, preferably, of all the layers 31 and 32.
Pour chaque couche 31 ou 32, la connaissance de l’épaisseur de cette couche permet de réduire le champ de valeurs recherchées ou exploré. Il accélère donc la vitesse de détermination des températures, tout en réduisant le risque d’une erreur d’estimation de température. La connaissance de l’épaisseur totale du multicouche 30 présente les mêmes avantages. For each layer 31 or 32, knowledge of the thickness of this layer makes it possible to reduce the field of values sought or explored. It therefore accelerates the speed of determining temperatures, while reducing the risk of a temperature estimation error. Knowledge of the total thickness of the multilayer 30 has the same advantages.
Le moyen 37 d’obtention d’épaisseur peut comporter une mémoire conservant des caractéristiques géométriques du multicouche 30. Par exemple, le matériel de fabrication du multicouche 30 peut documenter cette mémoire. The means 37 for obtaining thickness may include a memory storing geometric characteristics of the multilayer 30. For example, the equipment for manufacturing the multilayer 30 may document this memory.
Le moyen 37 d’obtention d’épaisseur peut aussi comporter un capteur de mesure d’épaisseurs. Par exemple, ce capteur de mesure est un dispositif similaire au dispositif 20, 35 ou 40, voire ce dispositif. Pendant la mesure d’épaisseur d’au moins une couche, le multicouche 30 est isotherme et sa température est connue ou mesurée. Il s’agit, par exemple, de la température ambiante. Les valeurs lues en mémoire 24 sont alors les valeurs d’indices de réfraction pour cette température uniforme connue. The means 37 for obtaining thickness may also include a thickness measurement sensor. For example, this measurement sensor is a device similar to device 20, 35 or 40, or even this device. During the thickness measurement of at least one layer, the multilayer 30 is isothermal and its temperature is known or measured. This is, for example, of ambient temperature. The values read in memory 24 are then the refractive index values for this known uniform temperature.
Le moyen 37 d’obtention d’épaisseur peut aussi comporter un profilomètre laser qui fournit une épaisseur totale du multicouche 30. The means 37 for obtaining thickness can also comprise a laser profilometer which provides a total thickness of the multilayer 30.
Dans des modes de réalisation, le moyen 25 de détermination de températures des matériaux comporte : In embodiments, the means 25 for determining the temperatures of the materials comprises:
- un moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche 30 pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche 30 et - a means of modeling the transfer function of the multilayer 30 for the wavelengths emitted, according to the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer 30 and
- un moyen de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée par le moyen de mesure 23. - a means of bringing the modeled transfer function into coincidence with the transfer function measured by the measuring means 23.
Cette modélisation permet de calculer la réponse d’un échantillon multicouche, c’est- à-dire sa fonction de transfert, sur la plage de fréquences utilisée en fonction des indices de réfraction complexes et de l’épaisseur de chaque matériau. Grâce à la mémoire 24 comportant des abaques de correspondance entre indices de réfraction complexes et températures pour chaque matériau, le moyen de détermination 25 calcule la fonction de transfert théorique donnant la réponse d’un multicouche 30 en fonction de l’épaisseur et de la température de chacune des couches 31 et 32. Si les épaisseurs des différentes couches 31 et 32 n’est pas connue, une procédure d’optimisation permet de déterminer l’épaisseur et la température de chacune des couches 31 et 32 pour faire coïncider la fonction de transfert théorique et la fonction de transfert expérimentale. This modeling makes it possible to calculate the response of a multilayer sample, i.e. its transfer function, over the frequency range used according to the complex refractive indices and the thickness of each material. Thanks to the memory 24 comprising charts of correspondence between complex refractive indices and temperatures for each material, the determining means 25 calculates the theoretical transfer function giving the response of a multilayer 30 as a function of the thickness and the temperature. of each of the layers 31 and 32. If the thicknesses of the various layers 31 and 32 are not known, an optimization procedure makes it possible to determine the thickness and the temperature of each of the layers 31 and 32 to make the function of theoretical transfer and the experimental transfer function.
Le terme « procédure d’optimisation » fait référence à toute méthode de détermination de valeurs permettant de faire coïncider les fonctions de transfert théorique et expérimentale. De façon non exhaustive, les procédures d’optimisation comportent la recherche par force brute, c’est-à-dire le test systématique de toutes les combinaisons de paramètres possibles dans l’espace de recherche, les méthodes apparentées à la méthode de Newton, la méthode du simplexe et les méthodes méta-heuristiques. L’optimisation peut être réalisée sur les données fréquentielles ou bien temporelles obtenues par transformation de Fourier des données fréquentielles. The term "optimization procedure" refers to any method for determining values that make it possible to make the theoretical and experimental transfer functions coincide. In a non-exhaustive way, the optimization procedures include brute force search, i.e. the systematic testing of all possible combinations of parameters in the search space, methods related to Newton's method, the simplex method and metaheuristic methods. The optimization can be performed on the frequency or time data obtained by Fourier transformation of the frequency data.
Préférentiellement, le moyen 25 de détermination de températures est configuré pour mettre en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche 30. On couple ainsi la modélisation électromagnétique à une modélisation de la diffusion de la chaleur pour contraindre le problème, tenir compte des conditions aux limites et garantir la continuité du champ de température dans l’échantillon. Preferably, the means 25 for determining temperatures is configured to implement a modeling of the diffusion of heat in the multilayer 30. The electromagnetic modeling is thus coupled to a modeling of the diffusion of heat to constrain the problem, to take account boundary conditions and guarantee the continuity of the temperature field in the sample.
Dans des modes de réalisation, le multicouche 30 comporte au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche 30. Le moyen 25 de détermination de températures décompose cette couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et détermine les températures de ces couches du même matériau. Ainsi, le multicouche 30 peut ne comporter qu’une seule couche de matériau présentant une variation de température interne assimilable à des couches de différents matériaux. In some embodiments, the multilayer 30 comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer 30. The means 25 for determining temperatures breaks down this layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determines the temperatures of these layers of the same material. Thus, the multilayer 30 may comprise only a single layer of material having an internal temperature variation comparable to layers of different materials.
Comme on le comprend à la lecture de la description qui précède, la mise en œuvre du dispositif 20, 35 ou 40 permet l’estimation, voire la mesure, de la température des différentes couches du multicouche. As can be understood from reading the preceding description, the implementation of the device 20, 35 or 40 allows the estimation, or even the measurement, of the temperature of the different layers of the multilayer.
La figure 4 représente, sous forme d’un schéma bloc, les fonctions mises en œuvre par l’un des dispositifs illustrés en figures 1 à 3. Figure 4 represents, in the form of a block diagram, the functions implemented by one of the devices illustrated in Figures 1 to 3.
La fonction 51 correspond à la constitution d’un abaque de calibration comportant, pour chaque matériau composant le multicouche 30, des indices de réfraction complexe pour un ensemble, préférentiellement, une plage de températures. Dans la suite, la partie réelle de chaque indice de réfraction complexe est appelée n’ et sa partie imaginaire n”. La détermination de l’indice de réfraction complexe de chacune des couches 31 et 32 dans un multicouche 30 a déjà fait l’objet de publications, par exemple, « T. Zwick, J. Haala and W. Wiesbeck, "A genetic algorithm for the evaluation of material parameters of compound multilayered structures," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 4, pp. 1180-1187, April 2002, doi : 10.1 109/22.993422. » The function 51 corresponds to the constitution of a calibration chart comprising, for each material making up the multilayer 30, complex refractive indices for a set, preferably a range of temperatures. In the following, the real part of each complex refractive index is called n' and its imaginary part n”. The determination of the complex refractive index of each of the layers 31 and 32 in a multilayer 30 has already been the subject of publications, for example, "T. Zwick, J. Haala and W. Wiesbeck, "A genetic algorithm for the evaluation of material parameters of compound multilayered structures," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 4, p. 1180-1187, April 2002, doi: 10.1 109/22.993422. »
La fonction 52 correspond à la description physique du multicouche 30 : matériaux des différentes couches et, éventuellement, épaisseur. Function 52 corresponds to the physical description of multilayer 30: materials of the different layers and, possibly, thickness.
La fonction 53 concerne l’initialisation de valeurs de paramètres à évaluer, généralement, pour chaque couche, une épaisseur et une température, par exemple la température du milieu dans lequel se trouve le multicouche 30. Function 53 concerns the initialization of parameter values to be evaluated, generally, for each layer, a thickness and a temperature, for example the temperature of the medium in which the multilayer 30 is located.
La fonction 54 est la mesure effectuée par le moyen 22 et/ou 26 de réception. Function 54 is the measurement performed by means 22 and/or 26 of reception.
La fonction 55 est le calcul de la fonction de transfert expérimentale. Function 55 is the calculation of the experimental transfer function.
La fonction 56 est l’optimisation décrite ci-dessus. Function 56 is the optimization described above.
La sortie 57 des valeurs de température estimées peut comporter, dans le cas où les épaisseurs des couches 31 et 32 n’est pas préliminairement connue, la valeur de ces épaisseurs. The output 57 of the estimated temperature values may include, in the case where the thicknesses of the layers 31 and 32 are not known beforehand, the value of these thicknesses.
La figure 5 représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un procédé 60 d’estimation de températures d’un multicouche comportant une pluralité de couches de matériau. Le procédé 60 comporte : FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the steps of a method 60 for estimating the temperatures of a multilayer comprising a plurality of layers of material. Process 60 includes:
- une étape préliminaire 61 de mémorisation des valeurs de correspondance obtenues par mesure sur des échantillons de matériaux seuls, c’est-à-dire en monocouche, portés successivement à différentes températures uniformes, - a preliminary step 61 of storing the correspondence values obtained by measurement on samples of materials alone, that is to say in a single layer, brought successively to different uniform temperatures,
- une étape 62 d’émission, en direction du multicouche, d’une pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - une étape 63 de réception des ondes émises réfléchies et/ou des ondes transmises par le multicouche, - a step 62 of emission, in the direction of the multilayer, of a plurality of waves of different frequencies comprised between 40 GHz to 10 THz, - a step 63 for receiving reflected emitted waves and/or waves transmitted by the multilayer,
- une étape 64 de mesure d’une fonction de transfert du multicouche, grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes reçues par rapport aux ondes émises, - a step 64 for measuring a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received with respect to the waves emitted,
- une étape 65 de lecture, en mémoire, de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises, l’indice de réfraction complexe présentant une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et la partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation et - a step 65 of reading, in memory, values of correspondence between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted, the complex refractive index having a real part representing the propagation speed of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation and
- une étape 66 de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche, par sélection des températures de matériaux présents dans le multicouche minimisant un écart entre une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures et la fonction de transfert mesurée. - a step 66 of determining the temperatures of the materials present in the multilayer, by selecting the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures and the measured transfer function.
Au cours de l’étape préliminaire 61 , la mesure sur des échantillons de matériaux seuls à température uniforme peut être réalisée, notamment, de deux façons : During the preliminary step 61 , the measurement on samples of materials alone at a uniform temperature can be carried out, in particular, in two ways:
- dans une étuve instrumentée permettant un contrôle de la température dans laquelle la mesure THz peut s’effectuer in situ où - in an instrumented oven allowing temperature control in which the THz measurement can be carried out in situ where
- en portant un matériau à haute ou basse température et en suivant les valeurs d’indices de réfraction complexes mesurées pendant son retour à température ambiante au moyen d’un thermocouple positionné au cœur du matériau. - by bringing a material to high or low temperature and by following the complex refractive index values measured during its return to ambient temperature by means of a thermocouple positioned at the heart of the material.
Le résultat obtenu donne les correspondances, respectivement les évolutions de la partie réelle et de la partie imaginaire de l’indice de réfraction complexe en fonction de la température. The result obtained gives the correspondences, respectively the evolutions of the real part and the imaginary part of the complex refractive index according to the temperature.
Dans des modes de réalisation, au cours de l’étape 63 de réception, on met en œuvre un récepteur hétérodyne, au cours de l’étape 62 d’émission on met en œuvre une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique, le récepteur hétérodyne comportant en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel, le procédé comportant une étape d'asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et une étape de pilotage de cet asservissement avec un oscillateur haute fréquence principal formant, de plus, référence de phase pour le récepteur, le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnant au même rang harmonique. In embodiments, during the step 63 of reception, a heterodyne receiver is implemented, during the step 62 of transmission, a first microwave source is implemented supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer powered by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver, the method comprising a step of slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a step for controlling this servo-control with a main high-frequency oscillator forming, moreover, a phase reference for the receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at same harmonic rank.
Dans des modes de réalisation, au cours de l’étape 62 de mesure de la fonction de transfert du multicouche 30, on mesure le coefficient de réflexion complexe et/ou le coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. In some embodiments, during step 62 of measuring the transfer function of the multilayer 30, the complex reflection coefficient and/or the coefficient complex transmission of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
Dans des modes de réalisation, le procédé 60 comporte une étape d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche 31 , 32 du multicouche 30 ou de l’épaisseur totale du multicouche, l’étape 66 de détermination de températures des matériaux comportant une étape moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche 30 pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche et une étape de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée. In some embodiments, the method 60 comprises a step of obtaining the thickness of at least one layer 31, 32 of the multilayer 30 or of the total thickness of the multilayer, the step 66 of determining the temperatures of the materials comprising a means step of modeling the transfer function of the multilayer 30 for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer and a step of bringing the modeled transfer function and the measured transfer function.
Dans des modes de réalisation, le multicouche 30 comportant au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche, l’étape 66 de détermination de températures décomposant ladite couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et déterminant les températures de ces couches du même matériau. In some embodiments, the multilayer 30 comprising at least one layer of the same material exhibiting a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, the step 66 of determining temperatures breaking down said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
Dans des modes de réalisation, l’étape 66 de détermination de températures met en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche 30. In some embodiments, the step 66 of determining temperatures implements a modeling of the diffusion of heat in the multilayer 30.
Les différentes étapes du procédé 60 sont explicitées en regard de la description des figures 1 à 4. The different steps of the method 60 are explained with regard to the description of Figures 1 to 4.
La présente invention s’applique dès lors qu’il s’agit d’évaluer la température couche par couche dans un matériau monocouche ou multicouche. Le cas d’un gradient de température dans une couche se ramène à un cas multicouche par une étape de discrétisation. The present invention applies when it is a question of evaluating the temperature layer by layer in a monolayer or multilayer material. The case of a temperature gradient in a layer is reduced to a multilayer case by a step of discretization.
La présente invention s’applique, notamment : The present invention applies, in particular:
- Au contrôle de barrières thermiques : - Control of thermal barriers:
Mesure de gradient de température dans une barrière thermique. Cela peut permettre de mettre en évidence des défauts dans la barrière thermique ou bien à l’interface entre la barrière et son substrat, d’étudier le comportement de matériaux ou encore de monitorer un procédé de dépôt de couches. Temperature gradient measurement in a thermal barrier. This can make it possible to highlight defects in the thermal barrier or at the interface between the barrier and its substrate, to study the behavior of materials or to monitor a layer deposition process.
- A la mesure de température en sortie d’extrusion polymère, élastomère : - At the temperature measurement at the exit of polymer extrusion, elastomer:
Mesure de la température par couche dans un assemblage multicouche réalisé par coextrusion. L’intérêt est d’évaluer la température en sortie de l’extrusion pour une meilleure maîtrise du procédé. Temperature measurement per layer in a multilayer assembly made by coextrusion. The interest is to evaluate the temperature at the exit of the extrusion for a better control of the process.
- au suivi et contrôle (en anglais monitoring) de la température de recuit de colle de soudure plastique : - the follow-up and control (in English monitoring) of the annealing temperature of plastic welding glue:
La maitrise de la température du recuit d’une colle ou d’un mastic permet de contrôler le degré de polymérisation. De même, la maîtrise de la température d’une zone de soudure plastique d’un assemblage permet de contrôler la bonne transformation de la matière et, en conséquence, sa qualité d’adhésion. Controlling the annealing temperature of an adhesive or mastic makes it possible to control the degree of polymerization. Similarly, controlling the temperature of a weld zone plastic of an assembly makes it possible to control the correct transformation of the material and, consequently, its quality of adhesion.
- au suivi et contrôle de procédés de congélation/cuisson : - monitoring and control of freezing/cooking processes:
La mesure de gradient thermique sur un aliment en cours de congélation/cuisson permet de s’assurer qu’une température suffisamment basse/haute est atteinte en cœur et ainsi d’éviter un refroidissement ou une cuisson excessive qui serait inutilement consommateur d’énergie. Measuring the thermal gradient on a food being frozen/cooked makes it possible to ensure that a sufficiently low/high temperature is reached in the core and thus to avoid excessive cooling or cooking which would be unnecessarily energy-consuming.
- plus généralement au contrôle qualité ou au suivi et contrôle de tout procédé pour lequel la température interne est un élément important pour la qualité du produit fabriqué ou la productivité de procédé impliqué. - more generally to quality control or monitoring and control of any process for which the internal temperature is an important element for the quality of the manufactured product or the productivity of the process involved.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (20, 35, 40) d’estimation de températures d’un multicouche (30) comportant une pluralité de couches (31 , 32) de matériau, qui comporte : 1. Device (20, 35, 40) for estimating the temperatures of a multilayer (30) comprising a plurality of layers (31, 32) of material, which comprises:
- un moyen (21 ) d’émission, en direction du multicouche, d’une pluralité d’ondes (33) de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - a means (21) for transmitting, in the direction of the multilayer, a plurality of waves (33) of different frequencies between 40 GHz to 10 THz,
- un moyen (22, 26) de réception des ondes émises réfléchies et/ou des ondes transmises par le multicouche, - a means (22, 26) for receiving reflected emitted waves and/or waves transmitted by the multilayer,
- un moyen (23) de mesure d’une fonction de transfert du multicouche, grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes reçues par rapport aux ondes émises, - a means (23) for measuring a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received compared to the waves emitted,
- une mémoire (24) de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises, l’indice de réfraction complexe présentant une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et la partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation et - a memory (24) of correspondence values between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted, the complex refractive index having a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during the propagation and
- un moyen (25) de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche, configuré pour sélectionner les températures de matériaux présents dans le multicouche minimisant un écart entre la fonction de transfert mesurée et une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures. - a means (25) for determining the temperatures of the materials present in the multilayer, configured to select the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
2. Dispositif (20, 35, 40) selon la revendication 1 , dans lequel le moyen (21 ) d’émission, est configuré pour émettre les ondes en parcourant une bande de fréquences comprises entre 40GHz à 2000GHz. 2. Device (20, 35, 40) according to claim 1, wherein the transmission means (21) is configured to transmit the waves by traversing a frequency band between 40 GHz to 2000 GHz.
3. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le moyen (21 ) d’émission comporte une source et une optique configurée pour diriger l’onde émise par la source successivement vers une pluralité de zones du multicouche (30), le moyen de réception comportant une optique pour recevoir les ondes réfléchies et/ou transmises par lesdites zones. 3. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 or 2, wherein the emission means (21) comprises a source and an optic configured to direct the wave emitted by the source successively towards a plurality of zones of the multilayer (30), the reception means comprising optics to receive the waves reflected and/or transmitted by said zones.
4. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen (21 ) d’émission comporte une source et une optique configurée pour répartir l’onde émise par la source sur une pluralité de zones du multicouche (30), le moyen de réception (22, 26) comportant une optique pour recevoir les ondes réfléchies et/ou transmises par lesdites zones. 4. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 3, wherein the emission means (21) comprises a source and an optic configured to distribute the wave emitted by the source over a plurality of zones of the multilayer (30), the reception means (22, 26) comprising optics to receive the waves reflected and/or transmitted by said zones.
5. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen (22, 26) de réception est un récepteur hétérodyne, le moyen d’émission comportant une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique, le récepteur hétérodyne comportant en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel ; le dispositif comportant un moyen d'asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et un oscillateur haute fréquence principal pilotant ce moyen d'asservissement, ledit oscillateur principal formant, de plus, référence de phase pour le récepteur haute fréquence vectoriel, le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnant au même rang harmonique. 5. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 5, wherein the receiving means (22, 26) is a heterodyne receiver, the transmitting means comprising a first microwave source supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer supplied by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver; the device comprising means for slaving the transmission frequency of one of said microwave sources to the frequency of the other of said microwave sources and a main high-frequency oscillator driving this servo means, said main oscillator forming , moreover, phase reference for the vector high frequency receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same harmonic rank.
6. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen (23) de mesure de la fonction de transfert du multicouche (30) comporte un moyen de mesure du coefficient de réflexion complexe et/ou du coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. 6. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 5, in which the means (23) for measuring the transfer function of the multilayer (30) comprises a means for measuring the complex reflection coefficient and /or the complex transmission coefficient of the multilayer for the different wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
7. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte un moyen (37) d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche (31 , 32) du multicouche (30) ou de l’épaisseur totale du multicouche. 7. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 6, which comprises means (37) for obtaining thickness of at least one layer (31, 32) of the multilayer (30) or of the total thickness of the multilayer.
8. Dispositif (20, 35, 40) selon la revendication 7, dans lequel le moyen (25) de détermination de températures des matériaux comporte un moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche (30) pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche et un moyen de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée. 8. Device (20, 35, 40) according to claim 7, in which the means (25) for determining the temperatures of the materials comprises means for modeling the transfer function of the multilayer (30) for the wavelengths emitted , as a function of the complex refractive index and the thickness of each material in the multilayer and a means for bringing the modeled transfer function into coincidence with the measured transfer function.
9. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le multicouche (30) comporte au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche, le moyen (25) de détermination de températures décomposant ladite couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et déterminant les températures de ces couches du même matériau. 9. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 8, wherein the multilayer (30) comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer , the temperature determining means (25) decomposing said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
10. Dispositif (20, 35, 40) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le moyen (25) de détermination de températures est configuré pour mettre en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche (30). 10. Device (20, 35, 40) according to one of claims 1 to 9, in which the means (25) for determining temperatures is configured to implement a modeling of the diffusion of heat in the multilayer (30 ).
11 . Procédé (60) d’estimation de températures d’un multicouche (30) comportant une pluralité de couches (31 , 32) de matériau, qui comporte : 11 . Method (60) for estimating the temperatures of a multilayer (30) comprising a plurality of layers (31, 32) of material, which comprises:
- une étape (62) d’émission, en direction du multicouche, d’une pluralité d’ondes de fréquences différentes comprises entre 40GHz à 10THz, - a step (62) of emission, in the direction of the multilayer, of a plurality of waves of different frequencies comprised between 40 GHz to 10 THz,
- une étape (63) de réception des ondes émises réfléchies et/ou des ondes transmises par le multicouche, - a step (63) for receiving reflected emitted waves and/or waves transmitted by the multilayer,
- une étape (64) de mesure d’une fonction de transfert du multicouche, grandeur complexe dépendant de la fréquence et représentative de la réduction d’amplitude et du déphasage des ondes reçues par rapport aux ondes émises, - a step (64) for measuring a transfer function of the multilayer, a complex quantity depending on the frequency and representative of the reduction in amplitude and the phase shift of the waves received with respect to the waves emitted,
- une étape (65) de lecture, en mémoire (24), de valeurs de correspondance entre des indices de réfraction complexes et la température pour chacun des matériaux présents dans le multicouche et pour les longueurs d’onde émises, l’indice de réfraction complexe présentant une partie réelle représentant la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau et la partie imaginaire représentant l’absorption de l’onde par le matériau lors de la propagation et- a step (65) of reading, in memory (24), correspondence values between complex refractive indices and the temperature for each of the materials present in the multilayer and for the wavelengths emitted, the refractive index complex having a real part representing the speed of propagation of the wave in the material and the imaginary part representing the absorption of the wave by the material during propagation and
- une étape (66) de détermination de températures des matériaux présents dans le multicouche, par sélection des températures de matériaux présents dans le multicouche minimisant un écart entre la fonction de transfert mesurée et une fonction de transfert modélisée avec les valeurs de correspondance mémorisées pour ces températures. - a step (66) for determining the temperatures of the materials present in the multilayer, by selecting the temperatures of materials present in the multilayer minimizing a difference between the measured transfer function and a transfer function modeled with the correspondence values stored for these temperatures.
12. Procédé (60) selon la revendication 11 , dans lequel, au cours de l’étape (63) de réception, on met en œuvre un récepteur hétérodyne, au cours de l’étape (62) d’émission on met en œuvre une première source hyperfréquence alimentant un générateur harmonique, le récepteur hétérodyne comportant en tête un mélangeur harmonique alimenté par une deuxième source hyperfréquence formant un oscillateur local et un récepteur haute fréquence vectoriel, le procédé comportant une étape d'asservissement de la fréquence d'émission de l’une des dites sources hyperfréquence à la fréquence de l’autre des dites sources hyperfréquence et une étape de pilotage de cet asservissement avec un oscillateur haute fréquence principal formant, de plus, référence de phase pour le récepteur, le générateur harmonique alimenté par la première source hyperfréquence et le mélangeur harmonique du récepteur hétérodyne fonctionnant au même rang harmonique. 12. Method (60) according to claim 11, in which, during the step (63) of reception, a heterodyne receiver is implemented, during the step (62) of transmission, a first microwave source supplying a harmonic generator, the heterodyne receiver comprising at the head a harmonic mixer supplied by a second microwave source forming a local oscillator and a vector high frequency receiver, the method comprising a step of controlling the transmission frequency of one of said microwave sources at the frequency of the other of said microwave sources and a step for controlling this servo-control with a main high-frequency oscillator forming, moreover, a phase reference for the receiver, the harmonic generator supplied by the first microwave source and the harmonic mixer of the heterodyne receiver operating at the same harmonic rank.
13. Procédé (60) selon l’une des revendications 1 1 ou 12, dans lequel, au cours de l’étape (62) de mesure de la fonction de transfert du multicouche (30), on mesure le coefficient de réflexion complexe et/ou le coefficient de transmission complexe du multicouche pour les différentes longueurs d’ondes émise, la réponse du multicouche en réflexion et/ou en transmission étant donnée sous forme d’un spectre complexe. 13. Method (60) according to one of claims 11 or 12, wherein, during the step (62) of measuring the transfer function of the multilayer (30), the complex reflection coefficient is measured and /or the complex transmission coefficient of the multilayer for the various wavelengths emitted, the response of the multilayer in reflection and/or in transmission being given in the form of a complex spectrum.
14. Procédé (60) selon l’une des revendications 11 à 13, qui comporte une étape d’obtention d’épaisseur d’au moins une couche (31 , 32) du multicouche (30) ou de l’épaisseur totale du multicouche, l’étape (66) de détermination de températures des matériaux comportant une étape moyen de modélisation de la fonction de transfert du multicouche (30) pour les longueurs d’onde émises, en fonction de l’indices de réfraction complexe et de l’épaisseur de chaque matériau dans le multicouche et une étape de mise en coïncidence de la fonction de transfert modélisée et de la fonction de transfert mesurée. 14. Method (60) according to one of claims 11 to 13, which comprises a step of obtaining the thickness of at least one layer (31, 32) of the multilayer (30) or of the total thickness of the multilayer , the step (66) of determining the temperatures of the materials comprising a means step of modeling the transfer function of the multilayer (30) for the wavelengths emitted, as a function of the complex refractive index and of the thickness of each material in the multilayer and a step of bringing the modeled transfer function into coincidence with the measured transfer function.
15. Procédé (60) selon l’une des revendications 11 à 14, dans lequel le multicouche (30) comporte au moins une couche d’un même matériau présentant une variation de température dans le sens perpendiculaire aux faces du multicouche, l’étape (66) de détermination de températures décomposant ladite couche en une pluralité de couches du même matériau ayant des températures différentes et déterminant les températures de ces couches du même matériau. 15. Method (60) according to one of claims 11 to 14, in which the multilayer (30) comprises at least one layer of the same material having a temperature variation in the direction perpendicular to the faces of the multilayer, step (66) for determining temperatures decomposing said layer into a plurality of layers of the same material having different temperatures and determining the temperatures of these layers of the same material.
16. Procédé (60) selon l’une des revendications 11 à 15, dans lequel l’étape (66) de détermination de températures met en œuvre une modélisation de la diffusion de la chaleur dans le multicouche (30). 16. Method (60) according to one of claims 11 to 15, in which the step (66) of determining temperatures implements a modeling of the diffusion of heat in the multilayer (30).
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