Les capteurs à ondes élastiques de surface : applications pour la mesure des basses pressions et des hautes températures, Surface Acoustic Wave sensors : applications for the measurement of low pressures and high temperatures

Pascal Nicolay

Description

Sous la direction de Omar Elmazria, Frédéric Sarry
Thèse soutenue le 10 décembre 2007: Nancy 1
La thèse traite des capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) et plus particulièrement de leur application pour la mesure des basses pressions et des hautes températures. Le premier chapitre est consacré à l’histoire des dispositifs SAW, depuis 1965. Les principes de fonctionnement des capteurs SAW sont décrits, ainsi que leurs avantages concurrentiels. La seconde partie du document concerne les outils théoriques utilisés pour la modélisation des ondes élastiques et pour la prévision de leur sensibilité aux perturbations. Des formules pour le calcul de la sensibilité à la déformation ou à la variation de température sont démontrées. Les approches de Nalamwar/Epstein et Tiersten sont toutes deux présentées pour le calcul de l’effet des déformations. La troisième partie de la thèse est consacrée à l’étude théorique et expérimentale d’un nouveau concept de capteur SAW de pression (proposé par l’auteur), pour la mesure précise du vide primaire et secondaire. Les résultats expérimentaux confirment l’ensemble des prévisions théoriques. Cette innovation a été brevetée fin 2006. Un design « ultime » de type MEMS est proposé pour maximiser les performances du capteur. Enfin, la dernière partie du document traite des capteurs SAW « wireless » passifs comme une solution prometteuse pour la mesure des hautes températures. La problématique des matériaux est abordée, ainsi que celle du calcul du TCD pour des structures bicouche. L’effet du champ de déformations généré par la dilatation thermique différente des couches est pris en compte pour améliorer la précision du calcul théorique du TCD. Cette approche est étayée par des résultats théoriques et expérimentaux.
-Capteurs SAW
The thesis deals with the application of SAW sensors for low pressure and high temperature measurements. The first chapter is devoted to the history of SAW devices, from 1965. The principles of SAW sensors are described, as well as their industrial and economical potentials. The second part is devoted to the theoretical tools, used to model the basic properties of elastic waves as well as their sensitivity to external disturbances. Formulas for calculating the sensitivity of devices under strain or temperature changes are inferred. The approaches of Nalamwar/Epstein and Tiersten to take into account the effect of strain fields are both presented. The third part is devoted to the study of a new SAW pressure sensor concept (suggested by the author), for the accurate measurement of primary and secondary vacuum. The experimental results confirm the theoretically predicted sensor parameters: measuring range, sensitivity, precision and response time. A patent is pending for this innovation. A more efficient MEMS-type design is elaborated to maximize the level of performances. Finally, the thesis deals with wireless passive SAW sensor as a very promising solution for measurement at high temperature. The issue of materials is discussed, as well as the classical way to calculate the Temperature Coefficient of Delay (TCD) for multilayered structures. The effect of the strain field induced in the SAW structure by the differential thermal expansion of the different layers is taken into account to improve the accuracy of TCD calculations. This original theoretical approach is supported by experimental and theoretical results.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10096/document

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

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Faculté des Sciences et Techniques
U.F.R. Sciences et Techniques de la Matière et des
Procédés
École doctorale EMMA





LES CAPTEURS A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE.
APPLICATIONS POUR LA MESURE DES BASSES PRESSIONS ET
DES HAUTES TEMPERATURES.


Thèse présentée et soutenue publiquement le 10 Décembre 2007
pour l’obtention du


DOCTORAT EN PHYSIQUE DES MICROSYSTEMES


de l’Université Henri Poincaré, Nancy
(Spécialité : Plasmas, Optique, Electronique et Microsystèmes)

par


Pascal NICOLAY


Rapporteurs:

M. S. Ballandras, Directeur de Recherches au CNRS, Besançon
M. S. Zhgoon, Professeur au Power Engineering Institute, Moscou

Examinateurs:

M. P. Bergonzo, Ing.-Chercheur au CEA-Saclay (HdR), Gif-sur-Yvette
M. O. Elmazria, Professeur à l'Université Henri Poincaré (UHP), Nancy
M. H. Kambara, Ingénieur de Recherche (PhD), ALCATEL-ADIXEN, Annecy
M. D. Rebière, Professeur à l'Université de Bordeaux 1, Bordeaux
M. F. Sarry, Maître de Conférences à l'UHP (HdR), Nancy

Invités :

M. P. Alnot, Professeur à l'Université Henri Poincaré (UHP), Nancy
M. J.-M. Doerler, P-DG de la société Doerler Mesures, Vandoeuvre
Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés et Applications - UMR CNRS 7040
Faculté des Sciences et Techniques, Université Henri Poincaré, BP 239 – 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy Cedex iiiii
A mes parents, Christiane et Jean Marcel,ivRemerciements
Lestravauxprésentésdanscedocumentsontlefruitd’uneffortcollectifderecherche
etdéveloppement,menédepuistroisansparuneéquipedechercheurs,d’ingénieursetde
techniciens,universitairescommeindustriels.
Je dois à l’ensemble de ces personnes d’avoir pu à la fois apporter ’ma petite pierre à
l’édifice’etassouvirenfinmapassiondévorantepourlessciences.
Je dois également à l’ensemble du personnel du LPMIA, de l’université Henri Poin
caré et de la société DOERLER Mesures d’avoir pu travailler dans une ambiance extrê
mementpositiveetamicale,propiceautravailetsourced’unegrandemotivation.
Parmi tous ces collègues, collaborateurs et amis qui m’ont épaulé durant ma thèse,
j’aimeraisremercierplusparticulièrement:
– MM. Dominique Mulot, Jean Georges Mussot, Jean François Pautex et Jean Luc
Briançon, pour leur appui technique (atelier mécanique, électronique et informa
tique),
– M. Nicolas Marché, Mlle Sabrina Perrault et M. Anthony Fournier, mes stagiaires
de l’école de l’air, pour la qualité de leurs travaux, leur implication et leur sympa
thie,
– Mlle. Félicidade Moreira, MM. Thierry Aubert, Denis Beyssen et Philippe Kirsch,
mes’collègues doctorants’,pourleurcollaborationactiveettouslesbonsmoments
passés,
– Mme.CatherineRoch,responsabledelacelluledevalorisationdel’université,pour
sesnombreuxconseils,sapatienceettoussesefforts,
– MM.BadreddineAssouar,DidierRouxel,MohammedBelmahi,StéphaneHeuraux
etJamalBougdira,tantpourleurdisponibilitéquepourleuraidescientifique,tech
niqueetmorale,
– MM.SergeïZhgoonetSylvainBallandras,mesdeuxrapporteursdethèse,pourleur
considérationetleursconseils,
– MM. Philipe Bergonzo et Dominique Rebière, pour m’avoir fait l’honneur d’être
vvi
membredemonjurydethèse,
– Mme Anne Jonquières, MM. Denis Grandclaude, Alfred Binder, Rene Fachberger,
EnriqueEspinosaetEmmanuelWenger,chercheursextérieursauLPMIA,pourleur
bienveillance, leur ouverture d’esprit et toutes les discussions passionnantes qui
furentlesnôtres,
– MM. Hisanori Kambara, Roland Bernard, Fabrice Tondo, Jacque Beltz et Thierry
Doerler, nos partenaires industriels, pour leur aide financière et intellectuelle, mais
également (et surtout!) pour leur grande sympathie et leur confiance toujours re
nouvellée.
Je tiens à remercier plus vivement encore MM. Laurent Bouvot, Laurent Le Brizoual
et Frédéric Sarry, pour leur disponibilité et leur aide précieuse tout au long de ma thèse,
etcedanstouslesdomainesabordés.
Enfin,j’aimeraistémoignerdemaprofondereconnaissanceenversM.OmarElmazria,
qui fût pour moi un directeur de thèse exceptionnel, M. Jean Marie Doerler et M. Patrick
Alnot.Riendetoutcecin’auraitétépossiblesanseuxetjeleurdoissansnuldouted’avoir
pu vivre dans de si bonnes conditions cette splendide aventure humaine que fût pour moi
l’accomplissement d’une thèse de doctorat au sein du Laboratoire de Physique des Mi
lieuxIonisésetApplicationsdel’UniversitédeNancy,France.vii
Quand Laplace eut publié sa Mécanique Céleste, l’empereur Napoléon le fit venir.
L’empereur était furieux.
Comment, s’écria t il en apercevant Laplace, vous faites tout le système du monde, vous
donnez les lois de toute la création et dans tout votre livre vous ne parlez pas une seule
fois de l’existence de Dieu!
Sire, répondit Laplace, je n’ai pas eu besoin de cette hypothèse.
Victor Hugo, Choses vues, 1887viiiTabledesmatières
Introduction 2
1 Historique 3
1.1 Lesorigines:de1963à1969 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Undéveloppementfulgurant:de1970à1985 . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Unepériodedematuration:de1985ànosjours... . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 LesSAWaujourd’hui:étatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 LescapteursSAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.1 Principe(s)defonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.2 Avantagesconcurrentielsetpremièresapplicationscommercialisées 31
1.6 AutresapplicationsdesdispositifsSAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 Lesondesélastiquesdesurface 37
2.1 Lesprincipauxtypesd’ondesélastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Modélisationetrésolutionnumériquedanslecasnon piézoélectrique . . 41
2.2.1 Ondesplanesprogressivesenmilieuanisotrope . . . . . . . . . . 41
2.2.2desurfaceenmilieuanisotrope . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3 Modélisationetrésolutionnumériquedanslecaspiézoélectrique . . . . . 65
2.3.1 Qu’est cequelapiézoelectricité? . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.2 Ondesplanesdansuncristalpiézoélectrique. . . . . . . . . . . . 68
2.3.3desurfaceenmilieu . . . . . . . . . . . . 72
2.3.4 Ondesdesurfacedansunestructurebicouchepiézoélectrique . . 74
3 Sensibilitéauxperturbations 79
3.1 Modélisationdel’effetdelatempérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2del’effetd’unedéformationmécanique . . . . . . . . . . . 83
4 CapteurSAWdepression 95
4.1 Contextedel’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Lescapteursdepression:généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 LesSAWàmembranedéformable . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.1 Etatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 Niveaudeperformanceslimite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4 LecapteurSAW’Pirani’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1 Modèlethéorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.2 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
ix