Un thermopile est un dispositif qui convertit la chaleur en électricité en utilisant l'effet thermoélectrique.

Il se compose de plusieurs thermocouples, qui sont des paires de fils faits de métaux différents qui génèrent une tension lorsqu'ils sont exposés à une différence de température. Les thermocouples sont connectés en série ou parfois en parallèle pour former un thermopile, qui produit une tension de sortie plus élevée qu'un seul thermocouple. Les thermopiles sont utilisés pour diverses applications, telles que la mesure de la température, la génération d'énergie et la détection du rayonnement infrarouge.

Comment fonctionne un thermopile ?

Un thermopile fonctionne sur le principe de l'effet thermoélectrique, qui est la conversion directe des différences de température en tension électrique et vice versa. Cet effet a été découvert par Thomas Seebeck en 1826, qui a observé qu'un circuit fait de deux métaux différents produisait une tension lorsque l'une des jonctions était chauffée et l'autre refroidie.

Un thermopile est essentiellement une série de thermocouples, chacun consistant en deux fils de métaux différents avec une grande puissance thermoélectrique et des polarités opposées.

La puissance thermoélectrique est une mesure de la quantité de tension qu'un matériau génère par unité de différence de température. Les fils sont joints à deux jonctions, l'une chaude et l'autre froide. Les jonctions chaudes sont placées dans une région avec des températures plus élevées, tandis que les jonctions froides sont placées dans une région avec des températures plus basses. La différence de température entre les jonctions chaudes et froides provoque un courant électrique qui circule dans le circuit, générant une tension de sortie.

La tension de sortie d'un thermopile est proportionnelle à la différence de température à travers le dispositif et au nombre de paires de thermocouples.

La constante de proportionnalité est appelée le coefficient de Seebeck, qui est exprimé en volts par kelvin (V/K) ou millivolts par kelvin (mV/K). Le coefficient de Seebeck dépend du type et de la combinaison de métaux utilisés dans les thermocouples.

Le diagramme ci-dessous montre un thermopile simple avec deux ensembles de paires de thermocouples connectés en série.

Les deux jonctions supérieures de thermocouple sont à la température T1, tandis que les deux jonctions inférieures de thermocouple sont à la température T2. La tension de sortie du thermopile, ΔV, est directement proportionnelle à la différence de température, ΔT ou T1 – T2, à travers la couche de résistance thermique et au nombre de paires de thermocouples. La couche de résistance thermique est un matériau qui réduit le transfert de chaleur entre les régions chaude et froide.

Diagramme d'un thermopile de température différentielle

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Résistance
       Thermique
        Couche
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Les thermopiles peuvent également être construits avec plus de deux ensembles de paires de thermocouples pour augmenter la tension de sortie.

Les thermopiles peuvent également être connectés en parallèle, mais cette configuration est moins courante car elle augmente la sortie de courant plutôt que la tension de sortie.

Les thermopiles ne répondent pas à la température absolue, mais seulement aux différences de température ou aux gradients de température.

Par conséquent, ils peuvent être utilisés pour mesurer le flux de chaleur, qui est le taux de transfert de chaleur par unité de surface. Le flux de chaleur peut être calculé en divisant la tension de sortie par la résistance thermique et la surface du dispositif.

Les thermopiles utilisent le rayonnement infrarouge comme moyen de transfert de chaleur et sont également utilisés pour la mesure de la température sans contact.

Le rayonnement infrarouge est un rayonnement électromagnétique avec des longueurs d'onde comprises entre 700 nm et 1 mm, ce qui correspond à des températures comprises entre 300 K et 5000 K. Le rayonnement infrarouge est émis par tout objet ayant une température non nulle et peut être détecté par un capteur thermopile.

Types de capteurs thermopiles

Un capteur thermopile est un dispositif qui utilise un ou plusieurs thermopiles pour mesurer la température ou le rayonnement infrarouge provenant d'un objet ou d'une source.

Les capteurs thermopiles sont basés sur des principes de mesure sans contact et présentent divers avantages par rapport aux capteurs à contact, tels qu'une plus grande précision, une réponse plus rapide, une plage plus large et un entretien moindre.

Il existe différents types de capteurs thermopiles, selon le nombre, la configuration et le matériau des thermocouples, ainsi que la conception de l'absorbeur infrarouge et du filtre. Certains des types courants de capteurs thermopiles sont :

• Capteur thermopile à élément unique : Ce type de capteur n'a qu'un seul thermopile avec une seule jonction chaude et une seule jonction froide. La jonction chaude est attachée à un absorbeur infrarouge mince, généralement une membrane micro-usinée sur une puce de silicium. La jonction froide est connectée à un dissipateur de chaleur ou à une température de référence. Le capteur mesure la différence de température entre les jonctions chaude et froide, qui est proportionnelle au rayonnement infrarouge absorbé par la membrane. Ce type de capteur est adapté pour mesurer des niveaux de rayonnement infrarouge faibles à moyens et a un temps de réponse rapide.

• Capteur thermopile multi-éléments : Ce type de capteur a plusieurs thermopiles disposés en parallèle ou en série. Chaque thermopile a ses propres jonctions chaude et froide, qui sont connectées à un absorbeur infrarouge commun et à un dissipateur de chaleur commun. Le capteur mesure la somme des tensions de sortie de chaque thermopile, qui est proportionnelle au rayonnement infrarouge total absorbé par la membrane. Ce type de capteur est adapté pour mesurer des niveaux de rayonnement infrarouge élevés et a une sensibilité élevée.

• Capteur thermopile en réseau : Ce type de capteur a un réseau de thermopiles disposés en lignes et en colonnes sur un substrat. Chaque thermopile a ses propres jonctions chaude et froide, qui sont connectées à des absorbeurs infrarouges individuels et à des dissipateurs de chaleur. Le capteur mesure la tension de sortie de chaque thermopile séparément, qui est proportionnelle au rayonnement infrarouge local absorbé par chaque absorbeur. Ce type de capteur peut créer une image bidimensionnelle de la distribution du rayonnement infrarouge et peut détecter la position, la forme et le mouvement d'un objet.

• Capteur thermopile pyroélectrique : Ce type de capteur combine un matériau pyroélectrique avec un thermopile. Un matériau pyroélectrique est un matériau qui génère une charge électrique lorsqu'il est chauffé ou refroidi. Le matériau pyroélectrique est attaché aux jonctions chaudes des thermopiles, tandis que les jonctions froides sont connectées à un dissipateur de chaleur. Le capteur mesure la tension de sortie des thermopiles plus la charge de sortie du matériau pyroélectrique, qui