Literatura académica sobre el tema "Capteur à ondes acoustiques de surface"

Résumé Cet article présente un débitmètre à ultrasons conçu en tant que capteur intelligent pour la mesure des écoulements en surface libre ou en conduites fermées. Ce type de débitmètre peut être utilisé pour des applications industrielles ou de gestion de l’eau. Il répond à la forte demande des autorités de supervision des ressources en eau dans les régions semi-arides d’agriculture irriguée. Un état de l’art et les principes généraux des mesures de débits de liquide par ultrasons sont donnés. Le débitmètre original proposé utilise le principe de la mesure des délais entre les impulsions envoyées vers l’amont et vers l’aval dans le fluide. L’approche repose sur la mesure de la différence du temps de transit des ondes acoustiques sur une ou plusieurs cordes de mesure, réparties sur un intervalle suffisant, de manière à assurer la précision requise. Cette méthode permet une véritable intégration du profil des vitesses, ce qui assure une meilleure précision. La vitesse du son dans le fluide est éliminée des calculs grâce à l’utilisation des temps de transmission réciproques. Les calculs de débit sont assurés par un micro-contrôleur. Les calculs théoriques et les technologies proposées ont donné lieu à la réalisation d’un prototype expérimental. Une première application de ce débitmètre à ultrason est réalisée en laboratoire en conduite fermée dans une installation d’essai comportant une seule paire de transducteurs à ultrason. Une seconde application expérimentale est menée sur un banc d’essai comprenant un canal artificiel de forme trapézoïdale de dimensions géométriques bien déterminées avec une pente variable. Ces tests ont permis de vérifier la précision de l’appareil et de valider les techniques et les principes mis en oeuvre dans la conception du débitmètre.

A prototype circuit for potential optical integration was developed and evaluated for the generation of frequency-shift keyed (FSK) signals by simultaneously exploiting surface-acoustic wave (SAW) technology and the optical response of the GaAs field-effect transistor (FET).A SAW delay line to be utilized in the feedback path of an oscillator circuit was designed for operation at the fundamental frequency of 111 MHz and operated at its 12th harmonic (1.33 GHz). A low-noise FET was incorporated into the circuit in series with the SAW delay, and a low-power He:Ne laser was focussed through an optical modulator onto the FET structure. The gate bias, which controls the phase shift in the feedback loop of the oscillator, was applied via the open-circuit photovoltage induced at the Schottky-barrier junction of the FET.The optical modulator was driven by a pseudorandom bit generator to obtain FSK generation by the oscillator circuit. Results of the frequency spectrum of the oscillator signal as a function of bit rate and light intensity on the FET were obtained. The successful performance of the circuit indicated that integration of all these elements on GaAs would yield a useful device for FSK signal generation.Un prototype de circuit pour intégration optique potentielle a été développé et évalué pour la génération de signaux FSK (frequency-shift keyed), en exploitant simultanéement la technologie des ondes acoustiques de surface et la réponse optique du transistor GaAs à effet de champ.

L'objectif de cette thèse est la conception d'un capteur de pression à ondes de surface utilisant le nitrure d'aluminium (AlN). Les études théoriques, la réalisation et la caractérisation du capteur de pression sur différentes structures à ondes de surface sont présentées. La modélisation du capteur est effectuée en utilisant un circuit équivalent basé sur le modèle de Mason et la méthode des modes couplés. Les paramètres des ondes de surfaces sont obtenus par calcul et analysés pour différentes structures telles que AlN/SiO2/Si, AlN/Si et AlN/Mo/Si. A partir de ces analyses, nous avons montré que la vitesse des ondes ainsi que le facteur de couplage peuvent dépendre du milieu de propagation. Pour chaque type de structure utilisant l'AlN, nous déterminons la plage d'épaisseur de la couche d'AlN pour laquelle la vitesse des ondes et le facteur de couplage présentent une faible dépendance au regard de l'épaisseur d'AlN. Les dispositifs à ondes de surface doivent être conçus, en particulier pour le choix des épaisseurs de différentes couches, en tenant compte de la précision du procédé de fabrication, afin de réduire les dispersions de caractéristiques des capteurs. En outre, nous avons analysé le comportement mécanique de la membrane en présence d'une pression et nous en avons déduit la sensibilité du capteur. Les effets des variations de température sur une structure à ondes de surface (SAW) sont étudiés. Pour des applications dans le domaine de la mesure de pressions, nous proposons une méthode de réduction des effets des variations de température. Pour le précédé de fabrication, nous proposons d'utiliser le micro-usinage de surface. Ce type de procédé de fabrication permet d'obtenir exactement les dimensions des membranes utilisées dans les capteurs de pression et il permet aussi de réaliser tout type de géométrie grâce au procédé d'arrêt de gravure du silicium. Les films de nitrure d'aluminium sont caractérisés au cours de la fabrication. Nous avons trouvé que pour améliorer le comportement piézoélectrique de l'AlN, trois voies sont possibles : utiliser une couche de molybdène sous l'AlN, réduire la rugosité de la couche se trouvant sous l'AlN jusqu'à 0,2 nm et augmenter l'épaisseur de l'AlN. Les pertes acoustiques de propagation, le facteur de couplage, l'effet d'une couche de Mo et l'effet du film mince de polyimide sur la fréquence centrale sont analysés expérimentalement. En conclusion, la sensibilité de pression mesurée de notre dispositif est présentée. Ce dernier résultat est très prometteur
The goal of this thesis is the design of a surface acoustic wave (SAW) pressure sensor using Aluminium Nitride (AlN). Theoretical studies, realization, and characterization of the pressure sensor on different SAW structures are presented. The modeling of the sensor was performed using an equivalent circuit based on Mason model and Coupling-Of-Mode. The theoretical study, SAW parameters in different structures of AlN/SiO2/Si, AlN/Si, and AlN/Mo/Si are calculated and analyzed. From these analysis, the wave velocity as well as coupling factor could depend on the wave propagation medium. For each structure using AlN, we establish the range of thickness of AlN layer, in which there is a weak dependence of the wave velocity and coupling factor on the AlN layer thickness. The SAW devices should be designed, in particular for the choice of the thicknesses of the different layers, by taking into account the accuracy of the manufacturing process, to reduce dispersion effects on the sensors characteristics. Besides, we also performed the mechanical analysis of the membrane under pressure and we have deduced the pressure sensitivity. The effect of frequency variation due to temperature change in SAW device using AlN is given. For pressure measurement applications, we propose a method to reduce temperature change effects. Concerning the fabrication process, we propose to use surface micro-machining. This kind of fabrication process allows to obtain exactly the dimensions of membranes used in pressure sensors and it also allows to have any kind of geometry due to the silicon etch stop wall. Characterizations of AlN film are done during fabrication process. We found that to increase the piezoelectric behavior of AlN, there are three possible ways: using a bottom Mo layer, decreasing the roughness of the layer below the AlN layer up to 0. 2nm and increasing the thickness of AlN. Acoustic propagation losses, coupling factor, effect of Mo layer and the effect of thin polyimide film on the center frequency are experimentally analyzed. Finally, the measured pressure sensitivity of our device is presented. This last result is promising

Dans ce travail, nous avons développé des capteurs ultrasonores interdigités (IDT) d’humidité exploitant des ondes acoustiques de surface (SAW) de type Rayleigh. Ces capteurs SAWIDT sont destinés à suivre d’une part l’humidité ambiante dans les bétons du génie civil et d’autre part, le monitoring du séchage des bétons réfractaires à haute température (jusqu’à 450°C). Dans ce dernier cas, une évaporation brusque de l’humidité résiduelle lors d’une première mise en œuvre conduit à un endommagement de la structure d’où l’intérêt de s’assurer de l’absence d’humidité en fin de séchage de la structure. Ces deux applications imposent de développer de nouveaux capteurs d’humidité capables d’opérer à haute température et de détecter de faibles taux d’humidité relative dans le cadre des bétons réfractaires et de forts taux d’humidité relative dans le cadre des bétons du génie civil. Par ailleurs, la présence d’eau liquide ne doit pas avoir de conséquence sur le fonctionnement de ces capteurs. Pour ce faire, les capteurs SAW-IDT en mode ligne à retard ont été privilégiés. Ces derniers ont la particularité d’être très sensibles aux aspects environnementaux grâce au confinement de l’énergie des ondes à l’extrême surface (environ une longueur d’onde). De plus, dans la configuration de ces capteurs SAW-IDT, il est possible d’adapter les matériaux qui les composent (substrats piézoélectriques, couches sensibles à l’humidité et électrodes) en fonction de l’application visée. Au cours de cette thèse, des capteurs SAW-IDT opérant à 30 MHz sur substrat de niobate de lithium et fonctionnalisés avec une couche polymérique d’alcool polyvinylique (PVA) pour les applications basse température et d’oxyde de silicium pour celles à haute température ont été réalisés et optimisés. Des premiers tests in situ ont pu être menés. Il a été ainsi montré les potentialités de ces types de capteurs d’humidité aussi bien pour le monitoring de l’humidité ambiante dans les structures en génie civil que le suivi du séchage des bétons réfractaires
In this work, we have developed ultrasonic humidity interdigital (IDT) sensors exploiting Rayleigh type Surface Acoustic Waves (SAW). These SAW-IDT sensors are intended to monitor ambient humidity in civil engineering concretes and to monitor the refractory concretes drying at high temperatures (up to 450°C). In the latter case, a sudden evaporation of the residual humidity during a first implementation leads to a damage to the structure from which the interest to ensure the absence of humidity at drying end of the structure. These two applications require the development of new humidity sensors capable of operating at high temperatures and detecting low relative humidity levels in the context of refractory concretes and high relative humidity levels in the context of engineering concretes civil. In addition, the presence of liquid water must not have any effect on the operation of these sensors. To do this, SAW-IDT delay line sensors have been favored. The latter have the particularity of being very sensitive to environmental aspects thanks to the confinement of the acoustic waves energy at the near surface (approximately one wavelength). In addition, in the configuration of these SAW-IDT delay line sensors, it is possible to adapt the materials that compose them (piezoelectric substrates, humidity sensitive layers and electrodes) according to the intended application. In this work, SAW-IDT delay line sensors operating at 30 MHz on lithium niobate substrate and functionalized with a polymeric polyvinyl alcohol (PVA) layer for low temperature applications and silica layer for high temperature applications have been realized and optimized. First in situ tests could be conducted. It has been shown the potential of these types of humidity sensors both for the monitoring of ambient humidity in civil engineering structures and the monitoring of the refractory concrete drying

Les capteurs à ondes de surface (SAW) présentent plusieurs intérêts, tels que leur robustesse, leur adaptabilité et leur faible coût de fabrication. Un des facteurs de performance de ce type de capteur est sa sensibilité. Généralement pour l’améliorer les efforts se concentrent sur la couche sensible. Une alternative innovante est l’augmentation de la surface active en porosifiant le substrat. L’ouverture du matériau piézoélectrique le long du chemin de propagation permettra, ainsi, la captation des espères dans les pores du substrat. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle architecture de capteur permettant l’usage du silicium poreux en tant que couche guidante et sensible
Surface wave sensors (SAW) have several advantages, such as robustness, adaptability and low manufacturing costs. One of the key performance factors of this type of sensor is its sensitivity. Generally to improve it, the efforts focus on the sensitive layer. An innovative alternative is the increase of the active surface by porosifying the substrate. The opening of the piezoelectric material along the path of propagation and its replacement by porous silicon will thus enable the capture of the species to be detected in the pores. The objective of this thesis is to propose a new sensor architecture allowing the use of porous silicon as a guiding and sensing layer

L'etude concerne des dispositifs a ondes acoustiques de surface utilises pour la detection des gaz. Les travaux effectues au cours de la derniere decennie ont montre l'interet de tels dispositifs. Dans cette etude, les mecanismes de propagation des ondes elastiques dans les structures multicouches sont presentes sous forme matricielle, permettant de s'affranchir des hypotheses limitatrices liees a la methode des perturbations habituellement utilisee. Des oscillateurs pilotes par des lignes a retard a ondes acoustiques de surface, ont ete realises et caracterises. La presence de depot a proprietes d'absorption selective sur les lignes transforme celles-ci en detecteur de gaz. Le modele etudie et caracterise est celui de la detection du no#2 par une couche de phthalocyanine de cuivre

Récemment, les systèmes multicapteurs ont trouvé de nombreuses applications dans des domaines tels que l’industrie agroalimentaire, l’environnement, la médecine et la défense. Parmi les technologies existantes, les capteurs à ondes acoustiques de surface sont l’une des plusprometteuses et fait l’objet de nombreuses recherches. Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent le développement d’algorithmes permettant la reconnaissance de composés chimiques et l’estimation de leur concentration. Cette étude décrit une méthode permettant d’estimer les paramètres des phénomènes de transduction. L’intérêt de ces derniers est mis en évidence expérimentalement dans des applications consistant à identifier des toxiques chimiques, des capsules de café contrefaites et à détecter la présence de DMMP et de 4-NT en présence d’interférents
Recently, gas sensor arrays have found numerous applications in areas such as the food, the environment, the medicine and the defenseindustries. Among the existing technologies, the surface acoustic wave technology is one of the most promising and has been the subject of abundant research. The work described in this manuscript concerns the development of algorithms allowing the recognition of chemical compounds and the estimation of their concentration. This study describes a method for estimating the parameters of transduction phenomena. Their interest is demonstrated experimentally in applications consisting in identifying toxic chemical compounds, counterfeit coffee capsules and in detecting the presence of DMMP and 4-NT in the presence of interfering compounds

Le contrôle de la propagation des ondes élastiques repose principalement sur la conception de milieu artificiel à base de matériaux structurés pour obtenir une ingénierie avancée de la dispersion de la propagation. Au cours de la thèse, la dispersion du mode guidé de polarisation transverse horizontale (mode de Love) dans la structure bi-couche SiO2/Quartz (Coupe ST-90°) a été numériquement étudié et les applications résultantes explorées. Les propriétés des cristaux phononiques (CPns) à base de trous micro-usinés dans la couche SiO2 ont été étudié, ainsi que l’interaction de ce mode avec des plots déposés à la surface de cette couche guidante. Dans le cas des CPns à trous nous avons montré qu’il est possible d’ouvrir des bandes interdites, cette propriété a été exploitée pour le design d’un résonateur cavité. Les performances de ce résonateur sont étudiées en fonction des paramètres géométriques qui le caractérisent. Il est aussi proposé d’étudier l’interaction des modes de cavité avec les modes de résonance des plots déposés à la surface de la cavité. Ceci peut mieux confiner les modes et donc améliorer drastiquement le facteur de qualité. On s’est intéressé aussi à l’interaction du mode Love avec des métasurfaces à base de plots déposés à la surface de SiO2. Les couplages entre des plots de géométries identiques ou non ont donné lieu aux divers phénomènes comme analogue acoustique de Autler-Townes Splitting, résonance Fabry-Perot, transparence induite acoustiquement et résonance Fano. Les résultats présentés pourraient être utilisés pour des applications potentielles telles que le traitement du signal, le contrôle des ondes, les métamatériaux et les biocapteurs
The control of the propagation of elastic waves relies mainly on the design of artificial medium based on structured materials to obtain an advanced engineering of the dispersion of the propagation. During the thesis, the dispersion of the shear horizontal polarised guided mode (Love mode) in the bi-layer SiO2/Quartz (90ST-cut) structure was numerically investigated and the resulting applications explored. The properties of phononic crystals (PnCs) based on micro-machined holes in the SiO2 layer, and the interaction of this mode with pillars deposited on the surface of this guiding layer, have been studied. In the case of holey PnCs we have shown that it is possible to open band gaps, this property has been exploited for the design of a cavity resonator. The performances of this resonator are studied according to the geometrical parameters characterizing it. It is also proposed to study the interaction of the cavity resonator’s modes with the resonant modes of pillars deposited on the surface of the cavity. This has the effect of a better confinement of the modes and thus a drastic improvement of the quality factor. We also investigated the interaction between the Love mode and metasurfaces based on pillars deposited on the surface of SiO2. The couplings between pillars of identical or not geometries gave rise to various phenomena like acoustic analogue of Autler-Townes Splitting, Fabry-Perot resonance, acoustically induced transparency and Fano resonance. The results presented in this study could be used for potential applications such as signal processing, wave control, metamaterials and biosensors

Les résonateurs à ondes acoustiques de surface peuvent être utilisés en tant que capteur pour la mesure de température et de contrainte. La fonction capteur s’appuie sur l’exploitation de la variation de fréquence des résonateurs qui dépend de la variation de la grandeur mesurée. La technologie employée actuellement, à miroirs de Bragg, montre ses limites en termes de performances aux fréquences élevées (supérieures à 1 GHz).L’objectif de ces travaux fut ainsi d’étudier les possibilités et performances des cristaux phononiques. Cette technologie désigne l’ensemble des matériaux possédant des structures arrangées périodiquement permettant de contrôler la propagation des ondes élastiques. Elle constitue une alternative potentielle aux miroirs de Bragg dans un résonateur, offrant un confinement spatial omnidirectionnel et un degré supplémentaire d’optimisation.Une structure phononique à réseau carré de piliers a été numériquement et expérimentalement étudiée. Par combinaison de résonances locales et de réflexions multiples de Bragg, des bandes interdites ont pu être ouvertes et exploitées. La fréquence d’étude a été choisie à environ 450 MHz, en utilisant l’electroformage nickel pour la fabriquation des piliers. Dans cette gamme de fréquence, il a été mis en évidence des bandes interdites par le biais de caractérisations large bande. Un résonateur phononique a pu être conçu, fabriqué, et caractérisé par des mesures électriques et optiques. Un facteur de qualité d’environ 950 a été obtenu avec une réflexion quasi-totale de l’onde incidente atteinte en moins de dix périodes. Les mesures ont pu être confronté aux simulations, ce qui a notamment permis d’expliquer les phénomènes observés et les mécanismes mis en jeu
Surface acoustic wave resonators can be used as sensors for temperature and strain monitoring. The idea is to take advantage of the variation in frequency of the resonators that depends on the measured quantity. Currently, the technology used, based on Bragg mirrors, shows its limits in terms of performance at high frequencies (above 1 GHz).The aim of this PhD thesis work was to study the potential and performance of a new technology based on the use of phononic crystals. This technology refers to periodically arranged materials, acting on acoustic waves’ propagation. Phononic crystals represent an alternative to classical Bragg mirror technology, allowing an omnidirectional spatial confinement and an additional degree of freedom for optimization.A square lattice pillar based phononic crystal was theoretically and experimentally investigated. Based on the combination of Bragg scattering and local resonances, we were able to create acoustic band gaps that could be exploited. The operating frequency considered was about 450 MHz, using nickel electroplating to fabricate pillars. In this frequency range, we demonstrated the presence of acoustic band gaps using wide band electrical characterization. A phononic resonator was designed, fabricated and characterized by electrical and optical methods. A quality factor of about 950 was obtained, with total reflection of acoustic wave reached within less than ten periods. Comparison of measurements and simulations allowed us to explain the acoustic phenomena involved

Ces travaux ont visé le développement d'une plateforme complète de détection de gaz pour environnement sévère haute température. Cette plateforme intègre un dispositif à ondes acoustiques de surface sur substrat Langasite, une résistance chauffante, une couche sensible inorganique nanostructurée et est placée dans une enceinte hermétique. Des températures de l'ordre de 450 °C ont été atteintes et des tests de cyclages ont démontré un fonctionnement reproductible en accord avec les modèles théoriques. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant le fort potentiel du couplage entre dispositifs acoustiques et couches sensibles mésoporeuses présentant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm.

Ces travaux ont donc visé le développement d’une plateforme complète de détection de gaz pour environnement sévère haute température. Cette plateforme intègre un dispositif à ondes acoustiques de surface sur substrat Langasite, une résistance chauffante, une couche sensible inorganique nanostructurée et est placée dans une enceinte hermétique. Des températures de l’ordre de 450°C ont été atteintes et des tests de cyclages ont démontré un fonctionnement en accord avec les modèles théoriques et une reproductibilité des mesures. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm
Measuring pollutants concentrations in gas and vapors emissions are important environmental issues. This work presents a stand-alone portable device for high temperature assessment. The system includes a Langasite (LGS) acoustic sensor, a ceramic heater and a platform with RF connections for remote in-situ measurements. The packaging consists in a hermetic stainless steel cell which enables safe gas detection. In situ temperature measurements have been achieved and the thermal behavior was successfully investigated in the temperature range 25-450°C. The designed cell highlights good agreement with theoretical models and reproducibility of the measures. Volatile organic compounds exposures have been investigated and promising ppm level detections have been obtained

La fonctionnalisation de surface de transducteurs à ondes acoustiques guidées (SH-SAW) est décrite dans le but d'obtenir des couches minces fonctionnelles pour la détection des métaux dissous et la reconnaissance antigène/anticorps. Dans le cadre de l'élaboration des capteurs chimiques, une molécule chélatante, à fonction thiourée, a été synthétisée, caractérisée puis immobilisée par liaison amide sur le dispositif. Cette immobilisation a été réalisée par l'intermédiaire d'une couche mince d'amines primaires déposée par adsorption chimique du 3-aminopropyltriehoxysilane (APTES) sur le capteur. Les propriétés acoustiques du dispositif sont principalement liées aux propriétés physiques des couches déposées (épaisseur, rugosité, homogénéité) ce qui a permis de valider cette méthode de fonctionnalisation pour les capteurs chimiques. Ces dispositifs ont ensuite été introduits dans un système d'analyse pour montrer leurs sensibilités aux cations Cd2+ en milieu liquide. Dans le but de développer des capteurs à reconnaissance antigène/anticorps, un peptide antigénique a été immobilisé par liaison α-oxo-semicarbazone sur une monocouche autoassemblée (SAMs). Le greffage du peptide et la reconnaissance de l'anticorps ont été suivis en temps réel sur le transducteur piézoélectrique. La microscopie de fluorescence ainsi qu'une analyse de surface par AFM ont permis de confirmer ces interactions spécifiques. Dans le cas du couple HA/anti-HA étudié le domaine de linéarité de la réponse du capteur est compris entre 0,1 µg. ML-1 et 5,0 µg. ML-1. Aux vues de ces résultats, la caractérisation gravimétrique de ce type d'interaction biomoléculaire est une voie complémentaire à la fluorescence utilisée communément en analyse biologique
The surface functionalization of guided-SH-SAW (Shear Horizontal – Surface Acoustic Wave) transducers was carried out to prepare layers for heavy metals chelation and antibodies recognition. For the preparation of the chemical sensors, a thiourea molecule acting as a chelating agent for heavy metals was grafted on the top-layer of the transducer. This covalent immobilization was obtained by amide bonds through primary amine groups immobilized on the device by the chemisorption of the 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES). The acoustic properties of the devices were mainly related to the nanometric thickness of the layers, which proved chemisorption of APTES was an efficient method to prepare a chemical acoustic sensor. The thiourea modified transducer was inserted in a microfluidic analysis system to prove its sensitivity for cadmium ions in liquid media. In the aim to develop bio-chemical sensors based on antigen/antibody recognition, a functionalization way based on SAMs of semicarbazyde functions leading to an α-oxo-semicarbazone bond with antigenic peptide is described. The first interest was to observe in real-time the immobilization of the peptide on the surface, followed by the monitoring of the antibody recognition (linear sensitivity range for HA antibody: 0. 1 µg. ML-1 to 5. 0 µg. Ml-1). Based on these results, this gravimetric determination is a promising complementary route for antibodies analysis