5e colloque interdisciplinaire en instrumentation  C2I 2010
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5e colloque interdisciplinaire en instrumentation C2I 2010

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Description

Le colloque C2I (Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation) s'adresse aux chercheurs, industriels et enseignants intéressés par les progrès les plus récents de l'instrumentation scientifique. Cette nouvelle édition, au carrefour des disciplines, rassemble créateurs et utilisateurs venant d'horizons très différents : métrologie, CND, sciences de l'ingénieur, sciences de la vie, chimie, biologie, etc. Par cette sélection de contributions, le lecteur pourra confronter ses problématiques propres aux spécialités qui lui sont parfois étrangères.
Confirmant les liens de l'instrumentation avec la science fondamentale et l'industrie, C2I 2010 présente les thèmes d'avant-garde en instrumentation scientifique pluridisciplinaire :
- mesures en environnement et agroalimentaire, instrumentation et imagerie médicale et biophotonique,
- nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle non destructif,
- électronique et systèmes embarqués,
- intégration des capteurs aux structures,
- métrologie de la terre, du climat et de l'Univers,
- métrologie et instrumentation en nanosciences,
- microsystèmes, microcapteurs et microfluidique,
- traitement du signal et des données.
Avant-propos. Présentations plénières invitées. Session A-1. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques. Session B-1. Métrologie de la terre, du climat et de l'Univers. Session A-2. Métrologie et instrumentation en nanosciences. Session B-2. Intégration des capteurs aux structures. Session B-3. Mesures en environnement et agroalimentaire-I. Session B-4. Mesures en environnement et agroalimentaire-II. Session A-3. Nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle non destructif. Session B-6. Instrumentation et imagerie médicale et biophotonique. Session A-4. Electronique et systèmes embarqués. Session Poster-1. Session Poster-2.

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 13 janvier 2010
Nombre de lectures 21
EAN13 9782746240827
Langue Français
Poids de l'ouvrage 22 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,1162€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait

nouvelle édition, au carrefour des disciplines, rassemble créateurs et utilisateurs venant d'horizons très différents : métrologie, CND, sciences de l'ingénieur, sciences de la vie, chimie, biologie, etc. Par cette sélection de contributions, le lecteur pourra confronter ses problématiques propres aux spécialités qui lui sont parfois étrangères.
Confirmant les liens de l'instrumentation avec la science fondamentale et l'industrie, C2I 2010 présente les thèmes d'avant-garde en instrumentation scientifique pluridisciplinaire :
- mesures en environnement et agroalimentaire, instrumentation et imagerie médicale et biophotonique,
- nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle non destructif,
- électronique et systèmes embarqués,
- intégration des capteurs aux structures,
- métrologie de la terre, du climat et de l'Univers,
- métrologie et instrumentation en nanosciences,
- microsystèmes, microcapteurs et microfluidique,
- traitement du signal et des données.
Avant-propos. Présentations plénières invitées. Session A-1. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques. Session B-1. Métrologie de la terre, du climat et de l'Univers. Session A-2. Métrologie et instrumentation en nanosciences. Session B-2. Intégration des capteurs aux structures. Session B-3. Mesures en environnement et agroalimentaire-I. Session B-4. Mesures en environnement et agroalimentaire-II. Session A-3. Nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle non destructif. Session B-6. Instrumentation et imagerie médicale et biophotonique. Session A-4. Electronique et systèmes embarqués. Session Poster-1. Session Poster-2.' />




















e5 Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation



































' LAVOISIER, 2010
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN 978-2-7462-2516-9



Le Code de la propriØtØ intellectuelle n’autorisant, aux termes de l’article L. 122-5, d’une part,
que les "copies ou reproductions strictement rØservØes l’usage privØ du copiste et non
destinØes une utilisation collective" et, d’autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d’exemple et d’illustration, "toute reprØsentation ou reproduction intØgrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4). Cette reprØsentation ou reproduction, par quelque procØdØ que ce
soit, constituerait donc une contrefa on sanctionn Øe par les articles L. 335-2 et suivants du
Code de la propriØtØ intellectuelle.
Tous les noms de sociØtØs ou de produits citØs dans cet ouvrage sont utilisØs des fins
d identification et sont des marque s de leurs dØtenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, January 2010.






e5 colloque interdisciplinaire

en instrumentation


C2I 2010



26 27 janvier 2010
Ecole Nationale SupØrieure d IngØnieurs du Mans







coordonnØ par

Pascal Picart






Soutien institutionnel




















Laboratoires UMR CNRS de l UniversitØ du Maine












SociØtØs savantes


























SociØtØ de l’ElectricitØ
de l’Electronique et des
Technologies de l’Information
et de la Communication


ComitØ directeur

Dominique PLACKO, ENS Cachan
Daniel BALAGEAS, ONERA
Franois LEPOUTRE, CNAM
JosØ RAGOT, Nancy UniversitØ
Michel ROBERT, Nancy UniversitØ
Pascal PICART, ENSIM





ComitØ d’organisation

Jean-Fran ois BARDEAU, CN RS, UniversitØ du Maine
Mourad BENTAHAR, ENSIM
JosØ CALI, ESGT
Florent CARLIER, UniversitØ du Maine
Charles COUGNON, CNRS, UniversitØ du Maine
Dominique DEBARNOT, ENSIM
Gilbert LEGAY, CTTM
Denis MOUNIER, ENSIM
Guillaume PENELET, UniversitØ du Maine
Pascal PICART, ENSIM
Pascal RUELLO, UniversitØ du Maine
Jean Hugh THOMAS, UniversitØ du Maine
Safia VIEIRA, ENSIM
Nourdin YAAKOUBY, ENSIM




ComitØ scientifique

Patrice AKNIN, INRETS
Sylvain ALLANO, ENS Cachan
Jean-Claude ANDRE, CNRS-ST2I
Dominique AUSSERRE, UniversitØ du Maine
Daniel BALAGEAS, ONERA/DMSC
Jean-Fran ois BARDEAU, UniversitØ du Maine
Jean-Christophe BATSALE, ENSAM
Joan BAUSELLS, CNM Barcelona (Espagne)
Larbi BELLARBI, ENSET Rabat (Maroc)
Roger BERGER VACHON, UniversitØ Lyon 1
Olivier BONNAUD, UniversitØ de Rennes 1
Thierry BOSCH, ENSEEIHT
Alain BOSSEBOEUF, IEF
Samir BOUAZIZ, UniversitØ Paris XI
Ayache BOUAKAZ, INSERM - CHU - Tours
Ali BOUKABACHE, LAAS
Elbey BOURENNANE, UniversitØ de Bourgogne
Michael CANVA, Institut d’Optique
Florent CARLIER, UniversitØ du Maine
Bernard CATHALA, UniversitØ de Nantes
Jean-Marie CAUSSIGNAC, LCPC
Houcine CHAFOUK, ESIGELEC
FrØdØrique DE FORNEL, UniversitØ de Bourgogne
Gilles DESPAUX, UniversitØ Montpellier 2
AndrØ DITTMAR , INSA de Lyon
Dominique DUMAS, Nancy UniversitØ
Rachid EL GUERJOUMA, UniversitØ du Maine
Jean-Philippe ENEAU, Cap’Tronic
Pierre FERDINAND, CEA Saclay
Philippe GALLION, IEEE France
Patrick GARDA, UniversitØ Paris VI
Christ GLORIEUX, K.U. Leuven (Belgique) Bertrand GRANADO, ENSEA
Luc HEBRARD, UniversitØ de Strasbourg
Marc HIMBERT, CNAM, LNE Paris
Ghaleb HOBLOS, ESIGELEC
Dominique HOUZET, INPG
Jean ISNARD, SEE
Pierre JACQUOT, EPFL (Suisse)
Nicole JAFFREZIC, UniversitØ de Lyon 1
Pierre Yves JOUBERT, ENS CACHAN
Gilbert LEGEAY, CTTM
Michel LEMISTRE, ENS CACHAN
Sylvestre MAURICE, CESR Toulouse
Michel MENVIELLE, CNFGG
Patrick NETTER, CNRS
Fabienne NOUVEL, INSA de Rennes
Bernard PETIT, Arcelor Mittal MaiziŁres
Dominique PLACKO, ENS Cachan
Daniel ROYER, ESPCI
Pascal ROYER, UTT
Pierre SLANGEN, cole des Mines d’AlŁs
Paul SMIGIELSKI, UniversitØ de Strasbourg
Jean-Louis, STEHLE SOPRA
Yves SURREL, VISUOL
Didier THEILLIOL, Nancy-UniversitØ
Jean Marc THIRIET, UniversitØ de Grenoble
GØrald THOUAND, UniversitØ de Nantes
Fabrice TONDO, Arcelor Mittal MaiziŁres
FrØdØric TRUCHETET, UniversitØ de Bourgogne
VØronique VIE, UniversitØ de Rennes
Joseph ZYSS, ENS Cachan











TABLE DES MATIÈRES
Avant-propos
P. PICART ............................................ 17
Présentations plénières invitées .............................. 19
Vers de nouvelles définitions des unités SI
M.E. HIMBERT ......................................... 21
Instrumentations et capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg dédiés aux besoins
du secteur ferroviaire
P. FERDINAND, G. LAFFONT, L. MAURIN, N. ROUSSEL, J. BOUSSOIR, S. ROUGEAULT ... 29
Contrôle des conduits de précontraintes des ouvrages d’art par sondes capacitives
T. BORE, F. TAILLADE, D. PLACKO, M. HIMBERT ...................... 38
Biopuce à Plasmon de Surface
M. NAKKACH, A. DUVAL, J. HOTTIN, J. SPADAVECCHIA, A. BELLEMAIN, J. MOREAU,
M. CANVA ........................................... 47
Session A-1. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques ............ 55
Elaboration de microélectrodes par techniques basées sur la « Lithographie douce »
S. COTTE, A. BARAKET, F. BESSUEILLE, S. GOUT, D. LÉONARD, A. ERRACHID ...... 57
Holographique numérique en ligne
N. VERRIER, S. COËTMELLEC, M. BRUNEL, D. LEBRUN ................... 65
Etude et caractérisation d’un système microfluidique destiné au tri magnétique
d’espèces biologiques
R. FULCRAND, C. ESCRIBA, M. DILHAN, A. BOUKABACHE, A.-M. GUÉ .......... 73






10 C2I 2010
Capteur de pression passif à transduction électromagnétique
M.M. JATLAOUI, F. CHEBILA, P. PONS, H. AUBERT ..................... 81
Realization of chemical and bio-sensors based on active polymer microcavities
S. LOZENKO, N. DJELLALI, M. LEBENTAL, J. LAUTRU, J.P. LEFEVRE, J. DELAIRE,
I. LERAY, D. FAYE, T. WU, J. ZYSS .............................. 87
Reconnaissance antigènes-anticorps
Y. BERGAOUI, J.M. FOUGNION, N. FOURATI, C. ZERROUKI, A. ABDELGHANI ....... 91
Session B-1. Métrologie de la terre, du climat et de l’univers ............. 99
Mesures in situ en océanographie physique
M. LE MENN .......................................... 101
De la roue au radar
L. MOREAU, A. POLTI, J.L. DANGER, J.M. NICOLAS, R. FALLOURD, E. TROUVÉ ..... 110
Recherche des mottes de terre par analyse multirésolution
E. VANNIER, V. CIARLETTI .................................. 119
Télémétrie laser à deux modes
C. COURDE, M. LINTZ, A. BRILLET .............................. 128
Modélisation des antennes électriques du GPR EISS
M. BIANCHERI-ASTIER, V. CIARLETTI, A. REINEIX, C. CORBEL, .............. 136
ILMA: Ion Laser Mass Analyser, in-situ analysis of a carbonaceous asteroid
for the MARCO POLO spatial mission
H. COTTIN, C. BRIOIS, C. ENGRAND, N. GRAND, L. THIRKELL, R. THISSEN, P. PUGET,
J.-J. BERTHELIER, N. CARASCO, C. SZOPA, R. KALLENBACH, H. KRÜGER,
M. HILCHENBACH, A. MAKAROV ............................... 146
Session A-2. Métrologie et instrumentation en nanosciences ............. 153
Profilométrie des propriétés élastiques dans les matériaux nanoporeux Low-k
transparents par interférométrie opto-acoustique picoseconde
C. MECHRI, P. RUELLO, J.-M. BRETEAU, M. BAKLANOV, P. VERDONCK, V. GUSEV, ... 155
Rhéologie hautes fréquences de fluides complexes
S. SERFATY, E. CAPLAIN, P. GRIESMAR, M. GINDRE, J.-Y LE HUÉROU .......... 163
Températures de transition vitreuses des couches minces de polymères
A. ELOUAKILI, G. VIGNAUD, J.-F. BARDEAU, E. BALNOIS, Y. GROHENS ......... 172








Table des matières 11
Microscopie en champ proche multi-échelle
A. SINNO, L. CHASSAGNE, P. RUAUX, S. TOPÇU, Y. ALAYLI, G. LÉRONDEL, S. BLAIZE,
A. BRUYANT, P. ROYER .................................... 182
Développement d’une technique spectro-scopique Raman pour la caractérisation
d’objets nanométriques
V. LE NADER, A. BOUVRÉE, T. MAKIABADI, M. HUMEL, J.-Y. MEVELLEC, T. MINEA,
G. LOUARN .......................................... 191
Suivi de la libération de protéines à partir de microsphères de poly ( ε-caprolactone)
à l’aide d’un biocapteur conductimétrique
M. HNAIEN, E. RUFFI, F. LAGARDE, C. BORDES, S. BRIANÇON, N. JAFFREZIC-RENAULT . 200
Applications du réflectomètre du CEA/Le Ripault
H. PIOMBINI, P. VOARINO ................................... 208
Session B-2. Intégration des capteurs aux structures ................. 217
Des capteurs enfouis pour l’analyse du comportement des conducteurs
P. PLAINCHAULT, S. AUBIN, P. BRIAND, J.-M. AUBERLET, T. BOSCH ........... 219
Grandes Antennes Déformables
G. LESUEUR, H. GILLES, S. GIRARD, T. MERLET ...................... 228
Session B-3. Mesures en environnement et agroalimentaire-I ............ 237
La polymérisation de l’aniline par voie plasma pour l’élaboration de couches sensibles
à l’ammoniac
D. DEBARNOT, T. MÉRIAN, V. ROUESSAC, F. PONCIN-EPAILLARD ............. 239
Identification and Discrimination of Various Volatile Organic Compounds (VOCs) Using
a conductive Polymer Composites Sensor Array and Pattern Recognition Routines
Z. HADDI, A. EL BAKKALI, A. AMARI, M. CASTRO, J. LU, B. KUMAR, J.F. FELLER,
B. BOUCHIKHI ......................................... 248
Développement d’un biocapteur bactérien optique pour l’identification de métaux
lourds dans l’environnement
S. JOUANNEAU, M.-J. DURAND, H. CAPIAUX, T. CHARRIER, P. COURCOUX, P. PICART,
P. DANIEL, G. THOUAND ................................... 256
Chemical Ionisation Mass Spectrometer for Atmospheric Measurements of OH and
Peroxy Radicals
A. KUKUI, G. ANCELLET, G. LE BRAS ............................ 264







12 C2I 2010
Session B-4. Mesures en environnement et agroalimentaire-II ............ 273
Caméras proche-IR
J. BRETES ............................................ 275
Mise au point de capteurs « tout solide » pour le contrôle des boues de forage pétroliers
M. ROFFAT, C. MERCERON, C. BOHNKE, O. BOHNKE, S. LORANT, J. BREVIERE, P. EBERLE 283
Toxint’patch : un système portatif de détection de toxines sur puce patch-clamp
I. FONTEILLE, F. KERMARREC, N. WEISS, M. DE WAARD, C. ARNOULT, X. GIDROL,
N. PICOLLET-D’HAHAN .................................... 292
Session B-5. Traitement du signal et des données .................... 297
La droite de Williamson : une technique de régression linéaire injustement oubliée
F. AUGER, J.-C. OLIVIER ................................... 299
Diagnostic pour l’aide à la fiabilisation des systèmes embarqués
O. BENNOUNA, O. ROBIN, H. CHAFOUK, J.P. ROUX ..................... 307
Reconstruction en temps continu de champs acoustiques non stationnaires
par holographie instantanée
S. PAILLASSEUR, J.-H. THOMAS, J.-C. PASCAL ........................ 314
Localisation de mobiles par apprentissage en utilisant la stéréovision
Y. RUICHEK, S. NOGUEIRA, F. CHARPILLET ......................... 322
Session A-3. Nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle non destructif ... 331
Evaluation non-destructive d’écartement de pièces dans des assemblages aéronautiques
par la méthode des courants de Foucault
C.T. LONG, P.-Y. JOUBERT, E. VOURC’H ........................... 333
Magnétomètre à très haute sensibilité pour le contrôle non destructif par courant
de Foucault
R. HAMIA, C. CORDIER, C. DOLABDJIAN341
Système intégré pour l’imagerie à courants de Foucault d’assemblages rivetés
aéronautiques
P.-Y. JOUBERT, Y. LE DIRAISON ............................... 350
Modélisation de phénomènes de propagation en model sinusoïdal et impulsionnel
D. PLACKO, T. BORE ...................................... 358









Table des matières 13
Micro-transducteur ultrasonique capacitif à membrane de nanotubes de carbone
B. LEBENTAL, A. GHIS, F. BOURQUIN, J.-M. CAUSSIGNAC, P. CHENEVIER, N. CHEVALIER,
E. DELEVOYE, J.-M. FABBRI, A. MEGUEKAM SADO, S. NICOLETTI ............. 367
Système instrumental pour l’identification spatio-temporelle de signaux ultrasonores
transitoires
L. MARTINEZ, N. WILKIE-CHANCELLIER, C. GLORIEUX, B. SARENS, E. CAPLAIN ..... 376
Application des modes guidés à vitesse de groupe nulle à la caractérisation et au contrôle
non destructif des matériaux
D. ROYER, D. CLORENNEC, C. PRADA ............................ 384
Can nonlinear convolution improve damage characterization using acoustic methods?
A. NOVAK, M. BENTAHAR, V. TOURNAT, R. EL GUERJOUMA, L. SIMON .......... 393
Capteur optique pour fondants routiers
T. KAUFFMANN, I. DURICKOVIC, P. BOURSON, M. FONTANA, J.-M. CHASSOT, R. GRASSE,
M. MARCHETTI, R. CLAVERIE ................................. 399
Méthode d’holographie numérique couleur
P. TANKAM, P. PICART, D. MOUNIER, V. TOURNAT, V. GOUSSEV ............. 408
Session B-6. Instrumentation et imagerie médicale et biophotonique ........ 417
SPIRIT : Spectroscopie Proche Infrarouge par Imagerie Temporelle
W. UHRING, M. AMOUROUX, P. POULET, B. DUBOIS .................... 419
Détecteur à comptage de photon unique, ultra-rapide pour applications bio-photoniques
A. DOMINJON, E. CHABANAT, P. DEPASSE, R. BARBIER, J. BAUDOT, W. DULINSKI,
A. DOROKHOV, M. WINTER .................................. 427
Analyse en 3 dimensions des paramètres des pertes de substance des membres
inférieurs et leurs évolutions
P. BLAIN, O. VANHOOTEGHEM, F. MICHEL, V. MOREAU, M. DE LA BRASSINNE,
Y. RENOTTE, S. HABRAKEN437
Implémentation de nouvelles méthodes d’imagerie ultrasonore de contraste
sur un échographe ouvert
A. NOVELL, A. BOUAKAZ ................................... 445
Capteur acoustique résonant
H. BLASCO, J-Y. FERRANDIS, G. LÉVÊQUE, G. DESPAUX .................. 453
Mesure et acquisition de données de geste en kinésithérapie respiratoire
L. MARÉCHAL, C. BARTHOD, G. GAUTIER, J.-C. JEULIN ................... 460











14 C2I 2010
Session A-4. Electronique et systŁmes embarquØs ................... 469
Centrale de mesure multi-capteurs intelligente et autonome
C. MARGUET, D. LIGOT, B. FAVRE .............................. 471
Implantation microÈlectronique díun multi-gÈnÈrateur de signaux chaotiques
M. AZZAZ, C. TANOUGAST, S. SADOUDI, A. DANDACHE .................. 480
MÈthode díextraction du TEB pour transmissions optiques ‡ 40 Gb/s utilisant
un oscilloscope en temps Èquivalent
S. PELLEVRAULT, Z. TOFFANO, A. DESTREZ ......................... 488
Session Poster-1 ....................................... 495
MagnÈtomËtre stabilisÈ par dÈcoupage intÈgrÈ en technologie CMOS 0,35µm
C. OUFFOUE, C. KERN, L. H…BRARD, V. FRICK ....................... 497
Micro-capteur pour la mesure en ligne et en continu de líencrassement dans les procÈdÈs
industriels et de traitement de líeau
J. CRATTELET, A. BOUKABACHE, L. SALVAGNAC, D. EST»VE, L. FILLAUDEAU, L. AURET . 506
A Novel Portable Electronic Nose Based on Semiconductor Thin Films Gas Sensor
to Distinguish Storage Days of Milk
A. AMARI, N. EL BARI, B. BOUCHIKHI ............................ 514
Fabrication de cellule nano calorimÈtrique ‡ trËs haute rÈsolution en parylËne autosuspendu
E. ANDR», A.F. LOP…ANDIA, J.-L. GARDEN, O. BOURGEOIS ................ 522
Etude expÈrimentale et numÈrique díun microcapteur plasmonique ‡ fibre optique
couplÈ ‡ une cellule microfluidique
T. MAKIABADI, M. KANSO, G. LOUARN ........................... 531
CaractÈrisation díoxyde de titane mÈsoporeux par ondes de Love
L. BLANC, A. TETELIN, G. TORTISSIER, C. BOISSI»RE, C. SANCHEZ, C. DEJOUS, D. REBI»RE . 540
VÈlocimËtre par rÈinjection optique
J. PERCHOUX, C. TANASOIU, F. BONY, T. BOSCH ...................... 548
Instrumentation en sismologie
R. PILLET ............................................ 556
DÈveloppement díun systËme lÈger de gravimÈtrie mobile : LiMoG
J. CALI, B. DE SAINT-JEAN, J. VERDUN, H. DUQUENNE ................... 564




Table des matières 15
Flow visualization in a screw/barrel system
A. ESPOSITO, J. BALCAEN, J.-Y. CHARMEAU, J. DUCHET-RUMEAU ............. 574
Damage diagnosis method of structures based on new instrumentation technologies
K. ZIDANI, L. CHELGHOUM, M. BRIOUA ........................... 582
3D Directional Coupler for Impulse UWB
J. LE KERNEC, M. KLEPAL, V. SOKOL ............................ 588
Optimisation de la cuisson de produits alimentaires en four tunnel industriel
A. SOMMIER, R. ROCCA POLIMENI, J. ROJAS, M. VIGNOLE ................. 597
Automatisation d’une cellule d’équilibre di phasique haute pression
A. SOMMIER, S. LAUGIER, P. SUBRA-PATERNAULT ..................... 604
Diagnostic par analyse des signatures de pannes de la génératrice d’une éolienne
O. BENNOUNA, N. HÉRAUD .................................. 610
Assessment of oil degradation during frying by an ultrasonic method
D. IZBAIM, B. FAIZ, A. MOUDDEN, N. TAIFI, I. ABOUDAOUD ................ 618
Complexation du plomb par la cyclodextrine
N. FOURATI, C. ZERROUKI, J.-M. FOUGNION, P. BOUTIN .................. 626
Session Poster-2 ....................................... 635
Un critère informationnel en imagerie pour l’échelle optimale d’observation
d’une scène bruitée
A. DELAHAIES, D. ROUSSEAU, J.-M. BRETEAU, F. CHAPEAU-BLONDEAU ......... 637
Détection et localisation de défauts simultanés de capteurs et d’actionneurs
par estimation
V. SIRCOULOMB, G. HOBLOS, H. CHAFOUK ......................... 645
Conception d’un capteur logiciel pour la détection de pannes oscillatoires
dans le système de commande de vol d’avion
D.H. TRINH, B. MARX, P. GOUPIL, J. RAGOT654
Classification de défauts d’engrenages de boites de vitesses automobiles
par les réseaux de neurones
D. CROMBEZ, H. CHAFOUK, G. HOBLOS ........................... 662
Simulation d’un implant EAS (Electric-Acoustic Stimulation) par un vocodeur hybride
F. SELDRAN, H. THAI-VAN, C. BERGER-VACHON, S. GALLÉGO .............. 671







16 C2I 2010
Geometrical characterization of a copper tube by the reassigned spectrogram
M. LAABOUBI, E. AASSIF, R. LATIF, G. MAZE, D. DÉCULTOT, A. MOUDDEN ....... 680
Mesures et Indicateurs
M. ROBERT, A. BRIFFAUX, J.-C. PONSART, V. MARION ................... 691
Séquences pseudo-aléatoires pour la radiométrie photothermique
H. LIU, V. GUGLIELMI, O. FAUGEROUX, B. CLAUDET, J.-L. BODNAR ........... 700
Modèle électromagnétique simplifié pour les problèmes d’imagerie quantitative
par courants de Foucault de fissures débouchantes
V. THOMAS, P.-Y. JOUBERT, E. VOURC’H, D. PLACKO ................... 709
Contrôle non-destructif des billes de roulement par spectroscopie
de résonnance ultrasonore
F. DENEUVILLE, M. DUQUENNOY, M. OUAFTOUH, F. JENOT, M. OURAK, S. DESVAUX . . 717
IR approach for 3D reconstrution of transparent objects
G. EREN, O. AUBRETON, F. MERIAUDEAU, D. FOFI, L.A. SANCHEZ SECADES,
F. TRUCHETET, A. ERÇIL ................................... 726
Implantation FPGA d’un excitateur ultrasonore à mesure d’impédance
A. HAMED, E. TISSERAND, P. SCHWEITZER, Y. BERVILLER ................. 734
Un imageur radar pour la perception et la caractérisation en milieu naturel
R. ROUVEURE, P. FAURE, M.-O. MONOD ........................... 743
PEP2, la Plateforme d’Etude Physiologique de la Parole du Laboratoire de Phonétique
et Phonologie
C. VINCENT, A. AMELOT, L. CREVIER-BUCHMAN, C. FOUGERON, K. HONDA, G. LO BUE,
S. MAEDA, J. VAISSIÈRE ................................... 751
Modélisation du processus de formation d’images échographiques
A. BENNAMANE, T. BOUTKEDJIRT, I. NOUIOUA ....................... 760
Système d’imagerie fonctionnelle proche infrarouge de la moelle épinière chez le chat
A. GOGUIN, F. LESAGE, S. ROSSIGNOL, H. LEBLOND, H. BENALI ............. 768
EpsiMu : outil de mesures micro-ondes
D.-S. BA, A. GHANMI, P. SABOUROUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776
Liste des auteurs ....................................... 785







AVANT PROPOS
C2I est à nouveau au carrefour des disciplines. L’édition 2010 est soutenue par
une large communauté scientifique comme en témoignent les parrainages par les
sociétés savantes qui garantissent l’interdisciplinarité de la formule : métrologie,
CND, sciences de l’ingénieur, sciences de la vie, chimie, biologie, etc. Sur l’élan de
èmela série débutée en 1998 à l’ENS Cachan, cette 5 édition du Colloque
Interdisciplinaire en Instrumentation, sur deux journées, s’adressant aux industriels,
chercheurs et enseignants, semble donc avoir trouvé son rythme de croisière.
Cette année, C2I propose 9 thèmes à l’avant garde des progrès actuels en
instrumentation scientifique : Electronique et systèmes embarqués ; Instrumentation
et imagerie médicale et biophotonique ; Intégration des capteurs aux structures ;
Mesures en environnement et agroalimentaire ; Métrologie de la terre, du climat et
de l'univers ; Métrologie et instrumentation en nanosciences ; Microsystèmes,
microcapteurs et microfluidiques ; Nouvelles méthodes pour les essais et le contrôle
non destructif ; Traitement du signal et des données. Les quatre conférences invitées
présentées en session plénière, issues de ces thèmes, illustrent l’apport transversal de
l’instrumentation à la recherche et aux problématiques sociétales. La première
conférence aborde la question de la traçabilité du système international d’unités,
base de toute mesure. Des expériences prometteuses ouvriront la voie à de nouvelles
matérialisations des unités et, le cas échéant, à la capacité d’établir des références
dans des domaines nouveaux, y compris à l’échelle des nanosystèmes. La seconde
conférence présente une initiative de R&D de la commission européenne traitant de
la surveillance de l’interface pantographe-caténaire des lignes ferroviaires à grande
vitesse. Les instrumentations et capteurs à fibres optiques à réseau de Bragg
développés pour ce projet ouvrent la voie à l’utilisation d’une nouvelle technologie
pour la surveillance ferroviaire, et à bien d’autres applications industrielles. La
troisième conférence invitée concerne la modélisation et le traitement des signaux,
étapes nécessaires à toute perspective instrumentale, de sondes capacitives utilisées
pour le contrôle non destructif de câbles de précontraints présents dans certains 18 C2I 2010
ouvrages d’art comme les ponts en béton. Cette conférence est un prélude à un
thème prépondérant de C2I 2010 : l’évaluation et le contrôle non destructif, dont
l’intérêt va croissant dans bon nombre de domaines. La quatrième conférence
plénière affirme le caractère pluridisciplinaire des biotechnologies et notamment des
capteurs biopuces. Ces nouvelles méthodes d’instrumentation affichent un fort
potentiel pour l’étude de l’ADN et pour faciliter le diagnostic de maladies
génétiques graves.
Une conférence tout public traitant de l’instrumentation sur le grand projet ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor) complète ce large panorama.
Si on examine en détail le contenu des différentes sessions, reflets de l’actualité
scientifique et technique, on constate la forte présence, plus que pour les autres
éditions de C2I, des thèmes liés à l’environnement et à l’agroalimentaire. Le
caractère interdisciplinaire de C2I s’en trouve renforcé, et la présence de spécialistes
issus d’un parterre élargi – biologie, chimie, physique, électronique – confirme que
C2I est bien un évènement qui rassemble des créateurs et des utilisateurs venant
d’horizons très différents. Ce spectre thématique est mis en valeur par la diversité
socio-économique des intervenants, issus du monde de la recherche, de l’industrie,
ou de l’enseignement : recherche académique, valorisation et diffusion des
connaissances y sont représentées et constituent les composantes principales du C2I.
De par la richesse de cette manifestation, les participants découvriront, dans des
spécialités qui leur sont parfois étrangères, un foisonnement d’idées dont les
transpositions à leurs problématiques propres permettront sans aucun doute de créer,
innover et confirmer la force des liens de l’instrumentation avec la science
fondamentale et l’industrie.

Pascal PICART, Coordinateur de C2I 2010
Dominique PLACKO, Comité Directeur
PRÉSENTATIONS PLÉNIÈRES INVITÉES




Vers de nouvelles définitions des unités SI


Traceability to SI units in a near future


Marc E. Himbert

Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM, EA 2367
Conservatoire national des arts et métiers, Case I 361,
61 rue du Landy F 93210 LA PLAINE SAINT DENIS
marc.himbert@cnam.fr

ABSTRACT. The set up of new technological devices or systems, the validation of refined
scientific models, more generally the ability to make decisions rely mainly on the confidence
which can be stated in the results obtained by measurement. This is the key role assessed to
the world wide organizations in metrology in order to improve world wide traceability in
measurement. Several promising experiments are on the way to improve the accuracy of the
present set of primary references in the International system of units (SI) and to give the way
to new definitions in the SI, linked to the assessment of fixed SI numerical values for
fundamental physical constants. Furthermore, these experiments and others address the need
for references, or for better references in new technological fields, including
nanotechnologies.
RÉSUMÉ. Le développement de nouvelles technologies et de nouveaux instruments, la
validation des modèles théoriques et plus généralement la capacité à prendre des décisions à
partir de résultats de mesures, reposent sur la confiance que l’on peut accorder à ceux-ci. La
mission des organisations internationales de métrologie est d’établir cette confiance et la
traçabilité des mesures à l’échelle mondiale. Des expériences prometteuses permettent
aujourd’hui d’envisager de nouvelles définitions des unités du Système international d’unités
(SI), afin d’obtenir une exactitude plus élevée. Les nouvelles définitions seront liées au gel
des valeurs numériques de constantes physiques fondamentales. Elles ouvriront la voie à de
nouvelles matérialisations des unités et, le cas échéant, à la capacité d’établir des références
dans des domaines nouveaux, y compris à l’échelle des nanosystèmes.
KEYWORDS: metrology, references, units, fundamental constants, traceability, physical
measurements, international system of units.
MOTS-CLÉS : métrologie, références, unités, constantes fondamentales, traçabilité, mesures
physiques, système international d’unités.
22 C2I 2010
1. Introduction
Measurement means comparison of an unknown property of a (physical) system
to a reference, with the help of an instrumental chain. The set up of new
technological devices or systems, the validation of refined scientific models, more
generally the ability to make decisions mainly rely on the confidence which can be
stated in the results obtained by measurement. Traceability to unambiguous
reference standards is one of the major requirements to assess confidence in the
experimental results. In most industrialized nations, references used for
measurements, controls, tests or analyses are the subject of documented connections
to a set of standards, materializing the units defined in the International system of
units (SI). The SI is a conceptual and practical reference system implemented and
“maintained” (in the active sense) under the control of an international treaty, the
Meter Convention, which gathers nowadays most of the developed and emergent
countries. During the past decades important efforts have been achieved at the
international level to define and promote harmonized ways to assess the compliance
of measured characteristics of products or systems to predefined specifications.
Written standards have properly define the common methodology in uncertainty
evaluation, and the last barriers to trade inferred from calibration processes have
been suppressed through the signature of the International Mutual Recognition
Arrangement of reference standards, based on a regular and periodic set of
international comparisons of references published in the key comparison database
(KCDB) on the site of the International Bureau of Weights and Measures (BIPM).
On the other hand, the term “fundamental physical constant” covers different
concepts. Most of them have been introduced in physical laws and are needed to
give a scale to the link between quantities of different kinds, and can be seen as
conversion coefficients: the speed of light in vacuum c, the Boltzmann constant k B
… A few others are dimensionless, and are scaling factors usually linked with the
development of interactions: the fine structure constant a… Some others rely on
properties of specific systems of nature, or on the behavior of specific devices: the
hyperfine splitting in a given atom, the action spectrum of a set of detectors…
Finally some have been introduced for convenience, originally as counting tools, to
link macroscopic and microscopic worlds: the Avogadro constant N…. Such a
classification is neither straightforward nor sustainable, as the fundamental
constants should be considered as constants inside the frame of a theoretical or a
modelized approach of the reality, i.e. of the perception of this reality through
measurement. Besides their role in setting up a generalized theoretical frame for
physics, fundamental physical constants play and will play a key role in the
forthcoming evolution of the references for measurement. Présentations plénières invitées 23
2. The references for measurement and the international system of units
2.1. The aim of the International system of units
The purpose of the SI is to provide to the scientific, industrial and societal
community a system of units covering the quantities involved in the field of
electrodynamics, thermodynamics, chemistry, biochemistry and living sciences from
a conventional choice of the definitions of a few “base” units; the SI is a system
covering, if needed, quantities linked to human perception; this is a coherent system,
as one can access by a unique suite of physical laws any quantity from “bases”, and
a rationalized system, as these laws do not include untimely numerical factor. The
SI today achieves this goal from definitions given to units of seven basic quantities:
length, time, mass, electric current intensity, thermodynamic temperature, product
quantity, light intensity. The evolution of the SI is decided by the Conférence
générale des poids et mesures (CGPM), stating on reports from the Comité
international des poids et mesures (CIPM) (BIPM, 2009).
2.2. The present definitions of the SI base units
These definitions do not suit in a common view:
- the meter corresponds to the freeze of the numerical value (in meters per
second) of the velocity of light c in vacuo (m 1983);
- the kilogram is still based on the choice of an international prototype (kg
1889);
- the definition of the second involves a cesium atomic clock operating in the
microwave domain (s 1967/68);
- the ampere is obtained from the Laplace electro-mechanical law, actually
setting the magnetic permeability value in vacuo to a fixed value (A 1948);
- the kelvin relies on the thermodynamic temperature (measurable) of the triple
point of pure water (K 1967/68);
- the mole ensures connection with chemistry by assessing the mass of a
collection of carbon atoms (mol 1971);
- the candela enables the radiometric measurement transposition of radiation in
the photometric field, where the Commission internationale de l’éclairage is the
proper international body (cd 1979). 24 C2I 2010
2.3. Difficulties and perspectives
Each of these definitions presents “pathological” aspects (Bordé, 2005), and
paths have been recently largely explored to improve the accuracy of the SI. The
prototype of the kilogram is neither sustainable nor easy to use; the meter, according
to the fixing of c, rely practically on the second and on optical frequency
measurements using frequency combs; the second rely on an atomic transition in the
microwave range, although most dimensional measurements are achieved by means
of optical interferometry, using waves of frequency 50,000 times larger; the direct
materialization of the ampere and of all electric and magnetic unit is achieved using
Lampard calculable capacitors, despite the fact much more reproducible devices can
be used as sustainable references using macroscopic electrical quantum effects;
considerable efforts have been made to set up an International temperature scale
from the lowest (a few mK) to the highest (optical pyrometry) temperatures to
approach the thermodynamic temperature, relying on phase-transition fixed points
of pure (!) elements…
Several promising experiments are going on to ensure the stability of the present
references. Most of them tend to rely on the references to fundamental constants.
They can open the way to new definitions in the SI, linked to the assessment of
fixed numerical values in SI units for some fundamental physical constants. In the
past, such an evolution has occurred for the definition of the meter: originally set as
a fraction of the Earth meridian (1794), it turns to a prototype made of an alloy of Pt
and Ir (1889), then was linked to the wavelength of an emitting transition in Kra
tom (1960) before being defined as presently by the path travelled by light in
vacuum during an assessed time.
3. Perspectives towards new definitions in the SI
3.1. Towards fixing the numerical values of constants of nature
Hence a new set of definitions of SI units could rely on fundamental principles
and effects, let’s say on fundamental physics, using the fundamental physical
constants that are introduced in the models, and using if necessary constants of
nature. These are permanent and uniform constants in the current state of knowledge
that can be verified experimentally; the combined adjustment of the values is
regularly proposed by the international group Codata. Much stronger anchoring into
fundamental physics of the definitions of the basic units in the SI is on the way
(Mills et al., 2006). It will clarify the traceability schemes, even if the practical
materialization will be harder. It will improve the ultimate accuracy of the set of
references. It will facilitate the set up of references for nanosystems. Présentations plénières invitées 25
However, as the main purpose of the SI is to give reliable, sustainable, uniform
and accurate references for scientific, industrial and societal measurements, changes
will could only when the present experimental determinations of the involved
fundamental physical constants will be almost as accurate as the present
materialisation of the units are.
3.2. Mass unit and electrical units
One of the major challenges is a change in the definition of the unit of mass
(Mills et al., 2005). By nature not sustainable, the International prototype is not
sustainable, but it has guaranteed for more than one century the traceability of mass
measurements at the 1 to 10 micrograms scale. A lot of different ways have been
investigated: Electrostatic balance, joining force and voltage with a known capacity;
magnetic balance [the dual experiment in magnetism]; time of flight of neutrons;
gyromagnetic factor of protons; recoil occurring when a photon is absorbed (or
emitted) by an atom [link to h/m]…
Two main research directions are carried out and should give in a near future
results at a relevant accuracy:
- Counting atoms or ions. The construction of a mono-crystalline sphere made of
isotopically pure silicon, and the characterization of its structural and geometrical
properties, engaged by a European consortium and by other international
cooperation between National metrology institutes can create a link between the
mass of an atom (Si, or any other through atomic mass spectrometry) and a
macroscopic mass (this can be seen also as a kind of measurement of the Avogadro
constant N).
- Using electrical references and watt balance experiments. Conservation
standards in electricity involve macroscopic quantum effects: Josephson effect,
which leads by a simple frequency measurement to uniform and permanent electric
-9tension references (reproducibility much better than 10 ); quantum Hall effect,
leading to the development of resistance references; furthermore the set up of
electronic pumps based on the mono-electronic effect, gives access to a current by a
simple frequency measurement, leading to e. The theoretical description of these
effects may rely on models where the Josephson effect comes down to “counting”
tensions in units of h/2e and the quantum Hall effect is associated with resistance
2levels with sub-multiple values of h/e (e is the elementary charge and h is the
Planck constant). A so called « watt balance » experiment establishes a link between
mass and Planck constant in the following way: on one hand, one « weighs » the
Laplace force on a current loop in a magnetic field; on the other hand, one
« counts » the induction electromotive force in the same moving loop; details of the
geometry and map of the B-field disappear in the formulas to link the weighing 26 C2I 2010
mass to h. Five experiments are currently in progress in USA, CH, CN, F and at the
BIPM.
The first orientations chosen by the relevant international committees tends to
take benefit of the Planck constant measurements to define the kilogram and to use
electrical quantum effects to get the elementary charge e, which could be fixed to
define the ampere. It means that the value of the magnetic permeability in vacuum
would no longer be fixed… Of course this choice depends on the accuracy of the
forthcoming measurements.
3.3. Other base units
The path to a new definition of Kelvin is also studied, which could give in the
future a new materialization of the temperature scale. It would fix the value of the
Boltzmann constant k (Bordé et al., 2009). Many experimental attempts are on the B
way, among them Ultra high resolution spectroscopy (extremely high resolution
molecular spectroscopy experiments in IR), Speed of sound measurement in cavity
(the speed of sound in gases give access to the gas constant R and to k ), Noise B
thermometry, Permittivity measurements,…
For the second, the use of clocks working directly in the optical field (at
frequencies 50,000 times higher than with today’s cesium) is highly promising.
Stability and reproducibility quite better than the present Cs clocks’ ones have been
observed either on atoms trapped in optical lattices or on single ions. However at the
present time the best system is not clearly identified. By the way, any change would
replace a « natural constant » such as the Cs ground state hyperfine splitting with
another one linked to another atomic transition.
4. Constant-based definitions and materialisation of the units
As it seems to be difficult – or hopeless – to make a direct, scientifically relevant
and understandable link between the name of the unit and a fundamental constant
(as it had been done for the meter in 1983), one possibility is to replace the present
definition of the units with constant based definitions. This can be illustrated for the
kilogram, claiming for instance that the kilogram is the mass which ensures that the
2 -1numerical value of the Planck constant h is 6,64xxxxx kgm s (introduction of
quantum physics in the definitions of the SI units). The definition of the ampere
could rely on a fixed value for e (natural constants in quantum electrodynamics).
The mole could by associated to a fixed value for N (numbering for chemistry). The
meter would remain based on c (electrodynamics and relativity). The
thermodynamic temperature would be defined with k (statistical physics and BPrésentations plénières invitées 27
information theory). Formally the definitions of the second (atomic constant) and
the candela (photometric model) would change to be set in terms of « natural » and
« modelized » constants, respectively.
Such changes could occur in a foreseeable future (Mills et al., 2005). If the
definitions of most of the SI units are related to the fixing of the numerical values of
fundamental constants, the quantities to be measured will strictly match the
quantities in the physical laws, that is to say the way physics is modelized using
‘not-even-wrong’ theoretical models. The situation will not be so different from the
so-called theoreticians’ approach where, in expressions, numerical values of
constants are usually set to one. However the historical continuity has to be strictly
observed in the evolution of the definition of units, giving rise to the specific values
matching the previous measurements.
Users might be puzzled by such « constant based » definitions, which seem
much harder to understand and memorize than the previous ones. Instructions and
recommendations about the way to get materialization of the units will be provided.
This is, for instance, presently the case for the meter and the second, as the CIPM
listed a set of recommended atomic lines (BIPM, 2009). In the first stage,
traceability will be improved in accuracy, and the traceability chains towards
practical measurements will remain unchanged.
One can foresee that such an evolution of the SI units would have an impact on
instrumentation: the set up of new technical methods precedes and follows the
adjustment of unit definitions, as it has been demonstrated in the past (e.g. for GPS
and for optical wavelength and frequency counting for dimensional metrology,
according to the change in the definition of the meter in 1983). For references
associated with micro and nanosystems, progress can be expected as fundamental
physical constants are mainly involved et the atomic level. This new SI would
clarify the proper definition of the quantities being measured. It would help fighting
the development of specific reference materials (roughness, etc.) badly linked to SI.
As most of the advances will rely on quantum physics and quantum optics,
which are familiar to scientist but not at all to most users of measurement, the
expected changes in the SI could be understood in the future as the beginning of a
fourth epistemological gap (Himbert, 2009) in the history of measurement.
NOTE. — The author is personal member of the Consultative Committee of Units
(CCU) advising the International Committee of Weights and Measures 28 C2I 2010
5. Bibliography
BIPM: see information on the BIPM website: www.bipm.org and references therein
Bordé, Ch.J., « Base units of the SI, fundamental constants and modern quantum physics »,
Phil. Trans. Roy. Soc., vol. A 363, p. 2177-2201, 2005.
Bordé Ch.J. and Himbert M. editors, « Experimental determination of the Botzmann
constant », Comptes rendus de l’Académie des Sciences, Phsique, Special issue, to appear
2009.
Himbert M., « A brief history of measurement », Eur. Phys. J. Special Topics 172, 25–35
(2009)
Mills I.M., Mohr P.J., Quinn T.J., Taylor B.N., Williams E.R., « Redefinition of the
kilogram: a decision whose time has come », Metrologia, vol.42, p.71-80, 2005.
Mills T.J., Taylor B.N., Williams E.R., «
kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM
recommendation 1 (CI-2005) », Metrologia, vol.43, p.227-246, 2006.
Instrumentations et capteurs à fibres optiques
à réseaux de Bragg dédiés aux besoins du
secteur ferroviaire
Du concept aux essais terrain
Pierre Ferdinand — Guillaume Laffont — Laurent Maurin —
Nicolas Roussel — Jonathan Boussoir — Stéphane Rougeault

CEA, LIST
Laboratoire de Mesures Optiques
F-91191 Gif-sur-Yvette, France
pierre.ferdinand@cea.fr

RÉSUMÉ. Du fait de la prochaine dérégulation du secteur ferroviaire, la commission
européenne a lancé plusieurs initiatives de R&D. En effets, dès lors que toute compagnie
pourra faire circuler ses trains dans n’importe quel pays de l’Union, cela suscite des
inquiétudes de la part des compagnies historiques. Deux projets, SMITS et CATIEMON
traitant de la surveillance de l’interface pantographe-caténaire sont présentés : l’un fondé
sur des mesures par Capteurs à Fibres Optiques (CFO) à réseaux de Bragg intégrés dans la
tête de pantographe, et l’autre sur une « porte » de contrôle équipée de capteurs et placée en
des nœuds stratégiques du réseau. Grace à ces projets, la technologie de mesure par CFO à
réseaux de Bragg a prouvé son potentiel en répondant à des besoins en mesures innovantes,
dans des conditions difficiles (mesure à grande vitesse, au potentiel, climat hivernal). Les
instrumentations et capteurs développés ouvrent la voie à l’utilisation d’une nouvelle
technologie pour la surveillance ferroviaire, et à bien d’autres applications industrielles.
ABSTRACT. In answer to the deregulation of the railway sector to come, the European
Commission launched R&D programs. Since any company will make its trains circulate in
any country of the Union, it arouses anxieties of the historical companies. Two projects,
SMITS and CATIEMON dealing with the pantograph-catenary interface monitoring are
presented: the first deals with Fiber Bragg Grating-based sensors (FBG) embedded into the
head of pantographs, and the second with a control gate equipped with FBG sensors and
installed at strategic locations of a railway grid. In these projects, the FBG sensing
technology has proved its potential by answering needs of innovative measurement, in harsh
conditions (high-speed measurements, under high voltage, in severe climatic conditions).
Developed instrumentations and sensors open the way to the use of this new technology for
monitoring in railway sector, as well as for many other industrial applications
MOTS-CLÉS : Capteur à Fibre Optique, capteur à réseau de Bragg, mesure, surveillance,
train, TVG, ligne de contact, pantographe, caténaire.
KEYWORDS : Optical Fiber Sensor, Fiber Bragg Grating, measurement, monitoring, train,
Very high speed train, pantograph, catenary. 30 C2I 2010
1. Introduction
Le secteur ferroviaire est actuellement en cours de dérégulation, du fait des
directives de la commission européenne (Anonyme, 2001). Cette ouverture à la
concurrence signifie que toute compagnie pourra, à l’avenir, faire circuler ses trains
dans l’ensemble de l’Union. Ce nouveau paradigme engendre des interrogations de
la part des compagnies historiques, tant celles s’occupant de l’infrastructure que
celles exploitant le matériel roulant. La principale problématique concerne
l’interface entre ces deux mondes désormais séparés, à savoir le(s) point(s) de
contact entre le fil d’alimentation au niveau de la ligne de contact et le(s)
pantographe(s) de(s) motrices. Cette interface apparaît comme « critique », et la
surveillance de plusieurs paramètres que sont les forces de contact, les impacts et la
température est requise, essentiellement dans le cadre d’une maintenance avancée.
Dans ce contexte, la commission européenne, initiatrice de cette évolution
e eéconomique, a lancé un certain nombre d’initiatives de recherche (5 et 6 Programmes
Cadres de R&D) pour résoudre les questions techniques. A cette occasion, plusieurs
projets européens ont été soutenus ces dernières années, dont les projets SMITS puis
CATIEMON, auxquels nous avons participé. Le premier, dédié à la surveillance
embarquée à bord des trains, a reposé sur la mise en place de Capteurs à Fibres
Optiques à réseaux de Bragg à proximité des bandes de contact du pantographe,
tandis que le second s’est attaché à la surveillance à poste fixe, au niveau d’un
portique équipé de capteurs et pouvant faire office de douane placée à des nœuds
stratégiques d’un réseau, de manière à contrôler les convois y pénétrant.
2. Les nouveaux besoins de surveillance dans le secteur du rail
2.1. La surveillance embarquée de l’interaction pantographe caténaire
La dérégulation du secteur ferroviaire, ainsi que l’augmentation des vitesses
d’exploitation commerciales, en particulier concernant la très grande vitesse où il est
question aujourd’hui d’aller jusqu’à 360 km/h dès 2016 (Anonyme, 2008), font de
l’interface pantographe/caténaire (au travers de laquelle un train puise son énergie
électrique), l’un des éléments sensibles d’une rame commerciale dont la défaillance
peut occasionner, par son arrêt soudain, une perte d’exploitation, non seulement
pour l’opérateur, mais aussi pour tous les exploitants de la ligne ferroviaire en
question.
La mise en place d’un outil permettant dans un premier temps la mesure, pour la
mise au point, à terme, d’un pilotage en temps réel de la force de contact entre le
pantographe et sa ligne contact, est donc tout à fait pertinente puisqu’il serait alors
possible d’assurer, par un ajustement permanent de cette force (aujourd’hui Présentations plénières invitées 31
principalement réalisé à l’aide de courbes maîtresses dépendant de la vitesse du
train), des conditions optimales de captage du courant et d’usure des bandes de
contact, facilitant ainsi la mise en place d’une maintenance prédictive.
De façon symétrique au portique d’inspection du projet CATIEMON qui permet
de réaliser des mesures à poste fixe avec pour vocation d’informer le gestionnaire de
l’infrastructure des conditions réelles d’exploitation de son réseau via un
échantillonnage local représentatif, la mesure continue de la force de contact
proposée dans SMITS, à l’aide de fibres optiques positionnées dans la tête de
pantographe et d’un système embarqué permet quant à elle à son exploitant de
maîtriser en permanence les conditions d’exploitation du matériel roulant, eu égard
aux spécifications du gestionnaire de l’infrastructure, en tout point du réseau.
2.2. Un portique d’inspection
La sécurité d’un réseau ferré est l’une des problématiques majeures de ses
exploitants. Il s’agit pour eux de s’assurer qu’à tout moment, aucun train au
pantographe défectueux ou mal ajusté ne pénètre sur leur réseau, étant alors porteur
de risques graves pour l’infrastructure, dont les conséquences peuvent être la
destruction de la ligne de contact. Intégrant capteurs et instrumentations, le rôle d’un
portique d’inspection est justement de diagnostiquer les convois, pour si besoin
stopper ceux présentant un danger immédiat, et d’évaluer l’impact de chacun d’eux
en terme d’usure de l’infrastructure. Le portique d’inspection prototype, développé
lors du projet CATIEMON regroupe différentes technologies (télémètre laser, nappe
laser + caméra) ainsi que des CFO à réseaux de Bragg du CEA (capteur de
déplacement 3D et de déformations). Mais, seuls les CFO réalisent l’éventail
complet des mesures : i) déplacement 3D de la ligne ; ii) déformations locales de la
ligne de contact ; iii) oscillations de cette dernière via un bras de rappel instrumenté.
3. Les capteurs à réseau de Bragg développés pour la surveillance ferroviaire
3.1. Mesures en ligne de force de contact par un pantographe instrumenté
A l’heure actuelle, il n’y a pas, de façon systématique, de mesure des efforts de
contact entre un pantographe et sa ligne de contact : sur le TGV utilisé courant 2005
pour les essais de qualification pendant le projet SMITS par exemple,
l’asservissement en force du pantographe répondait à une courbe maîtresse faisant
intervenir entre autres paramètres, le carré de la vitesse, permettant ainsi d’assurer
un captage de courant dans des conditions d’exploitation commerciale standard. 32 C2I 2010
Dans le cadre d’essais, une solution consiste à instrumenter les supports d’archet
du pantographe à l’aide de jauges de mesure d’efforts, permettant à l’aide de deux
équations d’équilibre, l’une en forces et l’autre en moments, de calculer en temps
réel la position du fil de contact et des efforts qu’il exerce sur le support d’archet.
Cette solution est satisfaisante car elle fournit une information globale pour le
pantographe, mais elle ne permet pas de dissocier les efforts exercés sur chacune des
deux bandes de contact équipant par exemple les pantographes CX25 des TGV.
A contrario d’une mesure globale, la solution proposée par le consortium SMITS
a consisté à transformer chacune des bandes de contact en un capteur d’efforts
individuel, au plus proche du point de contact.
En effet, du fait de la nature des efforts qui lui sont appliqués, la bande de
contact se comporte globalement comme une poutre en flexion 3 points. La mesure
en temps réel de cette flexion à l’aide de capteurs de déformations adéquats (i.e.,
suffisamment résolvants car la bande de contact, très rigide, se déforme peu d’une
part, mais aussi insensibles aux perturbations électromagnétiques compte tenu de la
proximité de haute tension d’autre part) et en nombre suffisant, permet donc de
réaliser, à l’aide d’un modèle de comportement mécanique adéquat, une mesure
individuelle d’efforts.
Compte tenu des contraintes spécifiques liées à la haute tension (jusqu’à 25 kV),
le choix de Capteurs à Fibres Optiques (CFO) à réseaux de Bragg s’est montré très
judicieux. A cet effet, 2 lignes de CFO totalisant 8 réseaux de Bragg pour 4 points
de mesure par bande en température (détection d’échauffements excessifs pouvant
entraîner la détérioration de la bande de carbone) et en déformations (mesure des
efforts de contact et de frottement entre le pantographe et sa ligne de contact) ont été
mises en place dans les bandes de contact du pantographe par l’IPHT Jena et
Morganite Electrical Carbon Ltd (figure 1).


Figure 1. Pantographe instrumenté,
avec vue de détail des câbles à fibre optique Présentations plénières invitées 33
3.2. Mesures à poste fixe des déplacements 3D du fil de contact
Le capteur développé comporte 3 extensomètres (intégrant chacun un réseau de
Bragg ainsi qu’un dispositif mécanique à ressort de réduction du déplacement) qui
constituent les arêtes d’un tétraèdre inversé surplombant la caténaire, son sommet
étant fixé en un point (figure 2a). Ceci permet de remonter aux mouvements 3D du fil.
3.3. Détection d’impacts par bras de rappel instrumenté
Dans ce but, un réseau de Bragg est collé le long de la partie cylindrique d’un
bras de rappel de la caténaire (figure 2b). Lorsqu’il se déforme ou subit un impact,
au passage d’un convoi, on détecte les variations de la longueur d’onde du réseau.

Figure 2a. Tétraèdre formé de 3 capteurs de déplacements à réseau de Bragg

Figure 2b. Réseau de Bragg collé sur un bras de rappel du fil de contact
3.4. Capteurs de déformations de la ligne de contact
Pour mesurer les déformations du fil de contact, des fibres contenant 20 réseaux
de Bragg séparés, de 25 et 50 cm, ont été collées le long de ce fil (figure 3), par un
procédé « de terrain » innovant. Effectuées en plusieurs points du fil, ces mesures
sont reliées à la force. Puis, répétées sur divers trains commerciaux, elles définissent
une distribution des déformations du fil, permettant d’identifier les trains « à risque ». 34 C2I 2010

Figure 3. Ligne de 20 réseaux de Bragg multiplexés collée sur le fil de contact
4. Les systèmes de mesure à vocation industrielle pour Capteurs de Bragg
4.1. L’instrumentation embarquée mise au point dans le projet SMITS
Les 4 lignes de fibre optique permettant l’interrogation des réseaux de Bragg
intégrés à la tête de pantographe ont été reliées, depuis le toit de la motrice, à un
système de mesure pour CFO à réseaux de Bragg installé, pour les essais en ligne,
dans une voiture spécialement aménagée en laboratoire d’essai. Compte tenu des
performances imposées par le cahier des charges pour atteindre la résolution du
Newton en effort vertical, la mise au point d’un système de mesure spécifique fondé
sur une source accordable et permettant la mesure simultanée sur 4 lignes, en temps
réel à 500 Hz, de chacune des 16 longueurs d’onde de Bragg avec une résolution
meilleure que le pm, nous a été confiée (Laffont, 2005).


Figure 4. Instrumentation embarquée à bord du TGV Duplex utilisé pour les essais en
ligne avec vue d’ensemble de l’intérieur de la voiture d’essai
Présentations plénières invitées 35
Les mesures réalisées par ce système optoélectronique ont été comparées en
temps réel, pendant toute la durée des essais sur la ligne TGV entre Paris et
Vendôme, aux mesures de référence à 20 Hz du système utilisé par la SNCF-AEF
pour les paramètres de force de contact, position du fil de contact ainsi que les
températures relevées par les réseaux de Bragg au sein de chacune des deux bandes.
Dans ces conditions, où plus de 6 000 km sur 5 jours d’essai ont été parcourus
jusqu’à 320 km/h en vitesse de pointe, le système de mesure du CEA LIST a pu
fournir, sans aucune défaillance, toutes les mesures requises (Maurin, 2007).
4.2. Le portique d’inspection développé dans le projet CATIEMON
Les capteurs de ce portique ont été scrutés au kHz, simultanément sur 6 voies, à
3l’aide d’une seule instrumentation dénommée BraggFit reposant sur une approche
client – serveur de mesure spectrale de résolution 1 pm (figure 5).
Dans une telle architecture, un PC portable sert à configurer le serveur que
constitue l’instrumentation. Equipée de cartes réseaux Ethernet et Wifi, elle permet
les connexions distantes pour paramétrer et récupérer les mesures, tout en restant à
distance de sécurité. Un second système dénommé BraggLight a aussi été conçu
(figure 6).
Compact, il peut scruter une unique ligne de réseaux de Bragg multiplexés à une
cadence de 200 Hz. Il est alimenté par USB (liaison qui sert également au transfert
3des data), et vient en appoint du système BraggFIT, étant particulièrement
intéressant pour suivre en temps réel l’installation des lignes de capteurs à réseaux
de Bragg sur le terrain, alors que l’on ne dispose pas d’alimentation électrique, ou
que les câbles de déport par fibre optique ne sont pas encore installés par exemple.



3Figure 5. Système BraggFIT surveillant le Figure 6. Système compact monocanal
portique d’inspection BraggLight pour le contrôle de terrain 36 C2I 2010
5. Les essais embarqués et à poste fixe
5.1. Les essais TGV du projet SMITS
Des essais en ligne jusqu’à 320 km/h entre Paris et Vendôme ont été réalisés sur
plus de 6 000 km à bord d’un TGV Duplex tout spécialement équipé. La mesure
simultanée par le système développé par le CEA LIST des 16 longueurs d'onde de
Bragg des réseaux présents sur les 4 lignes optiques équipant le pantographe a
permis la mesure en temps réel à 500 Hz des efforts de contact exercés sur chacune
des bandes de contact, ainsi que leur température en divers points. Toutes ces
mesures ont été comparées en temps réel aux mesures réalisées à 20 Hz par le
dispositif de référence de la SNCF-AEF. Le système de mesure du CEA LIST a
fourni, sans anicroche, toutes les mesures requises pendant toute la durée des essais.
5.2. Les essais du portique d’inspection du projet CATIEMON (Heustrich, Suisse)
Une motrice BLS a permis de calibrer, de nuit, les capteurs vis-à-vis de la force
de contact (jusqu’à 90 N) et de la vitesse du train (jusqu’à 100 km/h) ; afin de relier
ces deux grandeurs aux déformations et déplacements mesurés. Puis, les mesures ont
été collectées lors du passage de convois commerciaux, permettant d’établir la
distribution de la déformation moyenne d’une section de ligne de contact (figure 7).

Figure 7. Histogramme des déformations moyennes d’une section de ligne de contact
obtenu à partir de mesures sur des trains franchissant le portique
L’approche a consisté à détecter les pics de déformation dus à chaque bande de
frottement du train considéré, puis de les moyenner sur l’ensemble des réseaux de
Bragg de la ligne. Cette procédure a permis l’identification de trains dont l’impact
sur l’infrastructure sort du gabarit (figure 7 : entre 150 pm et 250 pm) (Laffont,
2008). Présentations plénières invitées 37
6. Conclusion
Les projets présentés répondent de manière complémentaire à la problématique
de la surveillance de l’interface pantographe-caténaire, sujet devenu majeur dans le
contexte de dérégulation du secteur ferroviaire européen. SMITS vise
l’instrumentation embarquée à bord de trains, et utilise des CFO à réseaux de Bragg
intégrés dans la tête de pantographe, tandis que CATIEMON concerne le
développement d’une « douane » de contrôle, entre autres équipée de capteurs de
Bragg, vérifiant l’interaction pantographe-caténaire de tout train s’approchant d’une
zone sensible du réseau, pour identifier ceux à risque pour l’infrastructure. Ces
développements ouvrent de nouvelles perspectives aux utilisateurs, du secteur
ferroviaire, mais aussi de tout domaine concerné par la surveillance structurelle.
7. Bibliographie
Anonyme, Livre blanc : “La politique européenne des transports à l’horizon 2010 : l’heure
des choix”, Commission Européenne, 2001, http://ec.europa.eu/transport/white_paper/
documents/doc/lb_texte_complet_fr.pdf.
Anonyme, “La SNCF veut pousser ses TGV à 360 km/h pour mieux rivaliser avec l’avion”
Dépêche AFP du 14 oct. 2008,
http://afp.google.com/article/ALeqM5gzPcZz3wTv2ZOLGzBY_ZJ3MjsKA.
CATIEMON, contrat n° TST4-CT-2005-12105, Consortium : Siemens [D], Morganite [UK],
IPHT [D], CEA [F], Cybernetix [FR], Eurailscout [NE], BLS [CH], Furrer & Frey [CH].
P. Ferdinand, G. Laffont, N. Roussel, J. Boussoir, L. Maurin and S. Rougeault, “High
Performance Fiber Bragg Grating Systems for Smarts Structures: Application to overhead
Contact Line Monitoring in the Railway Industry”, Structural Health Monitoring 2009,
Vol. 1, pp. 641-648, edited by Fu-Kuo Chang, DESTech publication,
http://www.destechpub.com.
G. Laffont, N. Roussel, L. Maurin, J. Boussoir, B. Clogenson, L. Auger, S. Magne and P.
Ferdinand, “Wavelength tunable fiber ring laser for high-speed interrogation of fiber
thBragg grating sensors”, 17 Intern. Conf. on Optical Fibre Sensors (OFS-17), May 23-27,
2005, Bruges, Belgium. SPIE Vol. 5855.
L. Maurin, P. Ferdinand, G. Laffont, N. Roussel, J. Boussoir et S. Rougeault, “High speed
real-time contact measurements between a smart train pantograph with embedded fibre
Bragg grating sensors and its overhead contact line”, Structural Health Monitoring 2007,
Vol. 2, pp. 1808-1815, edited by Fu-Kuo Chang, DESTech publication,
http://www.destechpub.com.
SMITS, contrat n° G3RD-CT-2002-00812, Consortium : Siemens [D], Morganite Electrical
Carbon Ltd [UK], SNCF [F], IPHT [D], CEA LIST [F], BLS [CH]. Contrôle des conduits de précontraintes des
ouvrages d’art par sondes capacitives
Approches expérimentale et théorique comparées


Thierry Bore* — Frédéric Taillade* — Dominique Placko**
— Marc Himbert***

*Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
58 boulevard Lefebvre, 75732 Paris, France
thierry.bore@lcpc.fr - frédéric.taillade@lcpc.fr

**Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie,
ENS de Cachan
61 avenue du Président Wilson, F-94235 Cachan cedex, France
dominique.placko@ens-cachan.fr

***Conservatoire National des Arts et Métiers
31 rue de Landy Case I 361, 93210 La Plaine-Saint-Denis
marc.himbert@cnam.fr

RÉSUMÉ. L’objectif de cet article est de proposer une méthode de modélisation et de
traitement des signaux d’une sonde capacitive utilisée pour le contrôle non destructif de
dispositifs de conduits de précontraintes extérieures, présent dans certains ouvrages d’art.
Un modèle par sources ponctuelles réparties (DPSM) est exploité dans une approche
paramétrique, illustrant la possibilité de construire une estimée des propriétés internes de
l’objet (ici des valeurs de permittivités relatives), à partir des informations collectées par le
capteur pour différentes positions des électrodes. Les valeurs de permittivités relatives
constituent un bon indicateur de la constitution des matériaux sein du conduit.
ABSTRACT. The purpose of this paper is to propose a method of modelling and signal
processing for a capacitive probe used in the non destructive testing of pre-stress steels,
present in the bridges, for example. A distributed points sources method (DPSM) has been
carried out in a parametric approach, illustrating the possibility of estimating some internal
properties of the object (here of the values of some relative permittivity), starting from the
information collected by the sensor for various positions of the electrodes. The monitoring of
relative permittivity can bring interesting information and constitute a good indicator about
the formation of products of corrosion within the sheath.
MOTS-CLÉS : Electrostatique, Méthode Capacitive, Conduit de Précontrainte extérieure.
KEYWORDS: Electrostatics, Capacitive Method, External Post-Tensioned Ducts. Présentations plénières invitées 39
1. Introduction
De nombreux ouvrages d’art, en particulier les ponts en béton utilisent la
précontrainte extérieure, que ce soit dès leur construction ou lors du renforcement de
la structure. Les câbles de précontrainte sont généralement placés dans des gaines en
polyéthylène haute densité (PEHD), où l’espace résiduel est rempli sous haute
pression par un coulis à base de liant hydraulique ou de cire d’origine pétrolière
(figure 1 gauche). Depuis plusieurs années, les gestionnaires doivent faire face à une
recrudescence des ruptures affectant les brins élémentaires, puis les torons, voire les
câbles entiers, dans des zones non protégées par le coulis, particulièrement en
présence de poches d’air ou d’eau.

Figure 1. Coupe d’un conduit de précontrainte et sonde capacitive
L’objectif consiste essentiellement à déceler des défauts d’injection dans des
conduits, et l’on préfèrera des moyens non destructifs aux procédures d’auscultation
destructives (caméra endoscopique, par exemple, qui nécessite une ouverture du
conduit), ou de mise en œuvre complexe (rayons gamma). La méthode de référence
reste aujourd’hui le sondage au marteau qui consiste à taper sur la gaine et à écouter
directement le son émis afin de déceler des creux. Cette technique de contrôle a été
complétée par le développement au LCPC d’une sonde capacitive. Les électrodes
métalliques placées à la surface du conduit forment un condensateur dont la capacité
varie en fonction de la nature des matériaux traversés par les lignes de champ.
Nous présenterons ici une modélisation de la sonde capacitive associée à un
conduit de précontrainte « type ». Cette modélisation a été réalisé par la technique
DPSM (Distributed Points Source Method) développée initialement à l’ENS de
Cachan (Placko et al., 2002 ; Placko et al., 2007). Des calculs réalisés sur un conduit
« type » ont été programmés et comparés à des calculs aux éléments finis, ainsi qu’à
des grandeurs expérimentales obtenues sur des corps d’épreuve à géométrie connue. G
G
40 C2I 2010
2. Description de la méthode des sources ponctuelles réparties
L’idée exploitée consiste à mailler uniquement les surfaces actives émettant une
grandeur physique (champ électrique, pression acoustique, etc.), telles que les
surfaces de capteurs, et plus généralement les interfaces entre les différents milieux.
A chacune des mailles est associée une ou plusieurs sources ponctuelles, dont il est
généralement assez simple d’obtenir l’interaction avec le milieu environnant sous
forme analytique. Le problème initial, complexe, est par conséquent ramené à la
superposition d’un grand nombre de problèmes élémentaires, qui, dans un cadre
linéaire, peuvent être résolus par superposition.
Le « poids » de chacune des sources élémentaires, dont le maillage se substitue
dès lors aux surfaces actives définies dans le cadre du problème réel, est déterminé
grâce aux conditions aux limites entre les différents milieux (surfaces de capteurs,
interfaces, etc.). En exprimant ces conditions limites sous la forme d’une matrice de
résolution globale et en l’inversant on peut obtenir les valeurs des sources DPSM.
Les sources ainsi obtenues permettent de calculer analytiquement en tout point de
l’espace une grandeur scalaire (potentiel, pression, etc.) et la grandeur vectorielle
associée (champ électrique, vitesse, etc.). En électrostatique, avec des milieux
diélectriques, les conditions aux limites sont la continuité du potentiel électrique V
et de la composante normale du vecteur déplacement D = ε.E .
3. Comparaison aux données expérimentales
3.1. Modélisation d’un conduit « type »
Pour aborder la modélisation de notre problème, nous avons décidé de nous
concentrer sur un conduit simplifié sans torons métalliques (figure 2). Cette
configuration est très proche de la réalité du point de vue électrostatique, les
produits de corrosion étant dans la partie supérieure de la gaine et les câbles dans sa
partie inférieure. Le laboratoire dispose d’un corps d’essai très proche de ce conduit
simplifié : une validation de notre modélisation pourra être réalisée.

Figure 2. Géométrie 3D modélisée Présentations plénières invitées 41
3.2. Calcul de la capacité
Les produits de corrosion peuvent être caractérisés de façon intéressante par leur
variation de permittivité. Une mesure de capacité, réalisée par l’extérieur du tube,
peut donc apporter des informations pertinentes si on arrive à remonter aux
informations sur les permittivités de milieux internes à la gaine. La modélisation
mise en place va nous aider à répondre à ce problème, tant sur l’optimisation de la
sonde que sur les algorithmes de traitement de signaux associés.
La valeur de la capacité est calculée en utilisant les sources DPSM placées à la
surface des électrodes (Cruau, 2005). Lorsque deux objets conducteurs chargés sont
placés en influence, l’équilibre électrostatique peut s’écrire :
qt = c .V + c .V⎧ 1 11 1 12 2
[1] ⎨
qt = c .V + c .V⎩ 2 21 1 22 2
où les c sont des coefficients ne dépendant que de la configuration géométrique. ij
Les lignes de champ sont essentiellement concentrées entre les deux
conducteurs, celles qui partent à l’infini montrent que le système n’est pas en
influence totale.
En utilisant la définition générale de la capacité et les équations précédentes on
peut obtenir l’expression qui donne q en fonction de la différence de tension V - V 2 1
et de la capacité du système :
c .c − c .c11 22 12 21q = capa(V −V ) avec capa = [2] 2 1
c + c + c + c11 22 12 21
En utilisant différentes tensions d’excitation, tous les coefficients c peuvent être ij
calculés, on obtient alors la capacité du système grâce à la formule précédente.
3.3. Comparaisons mesures/simulations
Une fois réalisés le maillage DPSM du conduit « type » et l’algorithme de calcul
de la capacité, nous avons cherché à réaliser des comparaisons entre mesures et
simulations pour valider notre modèle. Le laboratoire dispose d’un conduit de test
très proche de notre conduit « type », les mêmes matériaux mais avec des épaisseurs
différentes (en réalité avec des épaisseurs variant le long du conduit). Néanmoins
cela peut être une bonne manière de tester notre modèle. 42 C2I 2010
La deuxième idée a été de comparer notre modèle avec les simulations 2D en
éléments finis (Taillade et al., 2008) réalisées avec le logiciel commercial Comsol.
Toutes ces simulations et mesures apparaissent sur la figure suivante où la valeur de
la capacité est représentée en fonction de la position du centre des électrodes.

Figure 3. Capacité mesurée ou calculée en fonction de la position
On constate d’abord une bonne adéquation entre les mesures et la simulation
DPSM bien que les configurations ne soient pas exactement les mêmes, par ailleurs
le calcul DPSM (en rouge) est très proche de la seconde mesure (en vert). La plus
grande différence réside dans le milieu de la courbe (ces positions correspondent au
cas où les électrodes se situent dans la partie basse du conduit, lorsqu’elles sont en
face de la zone du conduit remplie de ciment). Les mesures ont l’air d’être
perturbées alors que le calcul DPSM est constant. Une autre différence apparaît
quand le centre des électrodes est proche de 45° (ces positions correspondent à
l’entrée de la première électrode dans la zone de la pâte blanche), la simulation
DPSM montre un rebond plus prononcé que celui des mesures, qui peut être dû à la
différence entre la configuration de simulation et celle des mesures dans lesquels les
épaisseurs de la couche de pâte blanche ne sont pas exactement les mêmes, ce qui
influe sur la valeur de la capacité.
Cette figure nous permet aussi de nous intéresser à la comparaison entre
simulation DPSM et EF : le calcul DPSM semble être plus proche des mesures. La
simulation aux éléments finis montre une sorte d’oscillation lorsque les électrodes
sont dans la partie basse du conduit. Cela peut provenir d’un problème de maillage.
La technique DPSM permet facilement de bouger les objets les uns par rapport aux
autres : cela ne nécessite que le calcul d’une nouvelle matrice globale de résolution.
Ce n’est pas le cas pour les éléments finis : chaque fois que l’on déplace un objet on
doit réaliser un nouveau maillage ce qui peut induire des variations dans le calcul
des grandeurs. Présentations plénières invitées 43
4. Approche paramétrique
On cherche ici à exploiter le modèle dans une approche paramétrique : nous
allons dans un premier temps réaliser une simulation de « plan d’expérience » en
faisant varier dans le modèle deux paramètres internes du conduit de précontrainte.
Ensuite, nous présenterons un algorithme pour l’estimation de ces paramètres à
partir des grandeurs évaluées par le même modèle. L’objectif est naturellement la
mise au point d’un capteur et d’un algorithme de traitement des signaux permettant
d’obtenir une estimée correcte des paramètres à partir des grandeurs mesurées.
4.1. Description de l’étude paramétrique
Les milieux susceptibles de provoquer de la corrosion sont les deux milieux qui
apparaissent dans les zones supérieures du conduit : le ménisque rempli d’air et la
couche de pâte blanche. L’idée consiste à calculer la valeur de la capacité C par le θ
modèle DPSM, l’indice θ étant associé à un angle correspondant à la position des
électrodes de mesure (on retiendra 7 positions de calculs : θ =0°, 15°, 30°, 45°, 60°,
75°, 90°). On fait varier la valeur de la permittivité des deux zones de 1 à 50 (ε r3
correspond à la valeur de la permittivité du ménisque et ε à la valeur de la r 4
permittivité de la couche de pâte blanche).

Figure 4. Capacité pour deux positions en fonction de ε et ε r3 r 4
Les figures précédentes représentent la valeur de la capacité pour deux positions
(θ =0° et θ = 45°) en fonction des deux paramètres retenus. Elles nous apportent
quelques renseignements quand à la sensibilité de la sonde : les variations de
capacité sont très faibles pour des valeurs de ε et ε supérieures à 20. Dans la r3 r 4
suite du problème on appellera X le vecteur contenant l’ensemble des valeurs de
ε et Y le vecteur contenant l’ensemble des valeurs de ε (de dimensions 2 500). r3 r 4#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
#
"
#
%
#
"
#
#
#
44 C2I 2010
4.2. Paramétrisation et estimation des paramètres
La paramétrisation consiste à réduire la dimension de l’espace vectoriel
d’observation (ensemble des valeurs de mesure). On propose de constituer les
fonctions gi d’une nouvelle base G de dimension p = 7 sur laquelle vont être projetés
les signaux pour chaque position θ des électrodes de mesure de la façon suivante :
1 1 1 X Y X Y
− − − −
3 3 8 5 3 5 3 [3] f (X ,Y ) = a + a .X + a .Y + a .(X .Y ) + a .e + a .e + a .e .eθ 1,θ 2,θ 3,θ 4,θ 5,θ 6,θ 7,θ
Ce qui peut s’écrire sous la forme matricielle suivante :
F = M.A [4] θ θ
avec M la matrice des vecteurs de base et A le vecteur des coefficients a : θ
⎛ ⎞ ⎛ a ⎞1,θ1 1 1 X Y X Y⎜ ⎟ ⎜ ⎟− − − −
3 3 8 5 3 5 3⎜ ⎟M = 1 X Y (X.Y ) e e e .e et A = [5] ⎜ ⎟θ
⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ a p,θ⎝ ⎠⎝ ⎠
Pour chaque position de mesure on peut donc projeter CFet sur M : θθ
M '.C = M '.F = M '.M.A [6] θ θ θ
Ce qui nous permet d’obtenir les coefficients :
−1 A = (M '.M ) .M '.C [7] θ θ
Pour obtenir une estimation des paramètres X et Y correspondant à un vecteur de
mesure c , on réunit dans une matrice T les vecteurs A et on forme la relation k θ
suivante :
⎛ ⎞c ⎛ a a ⎞ 1⎛ ⎞0 1,0 p,0 ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
⎜ ⎟ c = = . = T.G [8] ⎜ ⎟⎜ ⎟k
X Y⎜ ⎟− −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟c a a 5 390 1,90 p,90⎝ ⎠ e .e⎝ ⎠ ⎝ ⎠Présentations plénières invitées 45
Les valeurs de X et de Y sont obtenues par inversion de la matrice T, à partir des
données contenues dans le vecteur c . On vérifie dans un premier temps la validité k
de l’inversion en estimant X et de Y à partir de données c issues de notre plan k
d’expérience : on peut constater la bonne décorrélation des estimations selon X et Y
(figures du haut). La robustesse vis-à-vis du bruit additif gaussien est ensuite testée
avec différents rapports signaux à bruit. Les figures 5 (bas) montrent un résultat
acceptable pour Rsb = 40 db. On constate l’erreur due à la projection, qui affecte
plus particulièrement les faibles valeurs de permittivités selon Y. La prochaine étape
consistera à estimer X et Y selon des données mesurées.

Figure 5. Estimation des paramètres epsr3 et epsr4
5. Conclusion
Au cours de cet article, nous avons montré la faisabilité d’un capteur pour la
mesure des paramètres d’un dispositif de précontrainte dans les ouvrages d’art. La
modélisation DPSM, validée par comparaison à des modélisations aux éléments
finis ainsi qu’à des données expérimentales a été utilisée pour construire un « plan
d’expérience » simulé, qui a permis d’élaborer un algorithme d’estimation de deux
paramètres importants dans la caractérisation de la corrosion du dispositif. Le
but recherché est l’optimisation du capteur (électrodes multiples, excitation
multifréquences) pour l’obtention de données contenant plus d’information, et donc
susceptibles de conduire à l’estimation d’un plus grand nombre de paramètres. 46 C2I 2010
6. Bibliographie
Cruau A., Etude, conception, réalisation et test d’une capacité variable MEMS RF pour le
traitement de fréquence entre 0.5 et 20 GHz, Thèse de doctorat, université Paris VII, 2005.
Taillade F., Aubagnac C., Cottineau L.-M., Capacitive probe for non destructive inspection of
external post-tensioned ducts, 35th Annual Review of Progress in Quantitative
Nondestructive Evaluation, Chicago, USA, July 2008.
Placko D, Liebeaux N. and Kundu T., Method of Evaluating a Physical Representative of an
Interaction between a Wave and an Obstacle, US Patent No. US 7,403,879,B2, July 22,
2008.
Placko D., Kundu T. DPSM – Distributed Point Source Method for Modeling Engineering
Problems, Paris, John Wiley & Sons Publication, 2007. Biopuce à Plasmon de Surface
Aspects multiparamétriques et applications


, *Mohamed Nakkach* ** — Aurélien Duval — Jérôme Hottin* —
Jolanda Spadavecchia* — Alain Bellemain* — Julien Moreau* —
Michael Canva*

*Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique
Institut d’Optique Graduate School, Univ Paris-Sud, CNRS
Campus Polytechnique, RD 128, 91127 Palaiseau cedex, France

** Laboratoire de Spectroscopie Atomique Moléculaire et Application,
FST 1060 Tunis, Tunisie
mohamed.nakkach@institutoptique.fr

RÉSUMÉ. La résonance de Plasmon de surface est un phénomène physique s’appuyant sur
une onde optique se propageant à l’interface métal/diélectrique qui est très sensible à la
variation de l’indice de réfraction. Différents capteur notamment les biopuces se basent sur
se phénomène pour caractériser l’interaction entre des molécules biologiques. Nous
présentons dans ce papier une nouvelle génération de biocapteurs basés sur la configuration
de Kretschman. Elle se distingue par le potentiel multiparamétrique où la mesure effectuée
dépend de : l’angle d’incidence, la longueur d’onde d’excitation, les dimensions spatiales de
la surface du capteur, le temps de réaction pour caractériser la cinétique de réaction, la
polarimétrie pour des mesures d’anisotropies et enfin la température de la réaction. Le
principe de modification et les effets de chaque paramètre sont présentés dans l’article
ABSTRACT. Surface plasmon resonance is a physical phenomenon relying on an optical
wave propagating along a metal/dielectric interface and is very sensitive to the refractive
index variations at the vicinity of the metal surface. Several sensors namely the biochip based
on this phenomenon was made to characterise biomolecular interactions. We present in this
paper a new generation of biosensors based on Kretschmann configuration. We present the
multiparametric potential of this system were the measurement depends on: incidence angle,
wavelength, spatial dimensions, time (allowing kinetics characterization), polarimetry to
measure biomolecular anisotropy and finally the temperature of the reaction. Each
parameter will be presented separately in the present article.
MOTS-CLÉS : Résonance de Plasmons de Surface, biopuce, spectroscopie, anisotropie.
KEYWORDS : Surface Plasmons Resonance, biochip, spectroscopy, anisotropy. 48 C2I 2010
1. Introduction
Un plasmon de surface est une oscillation collective des électrons libres d’une
fine couche métallique (notamment Or, Argent ou Aluminium) que l’on peut
caractériser par une onde évanescente non radiative se propageant à l’interface entre
le métal et un diélectrique. Ces ondes entrent en résonance avec une onde lumineuse
d’excitation si cette dernière est polarisée TM et la composante longitudinale de son
vecteur onde égale celui des ondes plasmon. Ce phénomène de résonance de
plasmon de surface (SPR) est très sensible à toute variation de l’indice de réfraction
du diélectrique. Cela rend possible son exploitation pour la mise en place de
capteurs sensibles utilisés dans tous les domaines de mesure mettant en évidence le
changement de l’indice de réfraction suite à une interaction ou réaction entre deux
entités, comme par exemple pour le cas des interactions biomoléculaires (Bassil,
2003; I. Mannelli, 2006; Moonil Kim, 2006; Manera, 2008).
Nous nous concentrerons dans cet article sur l’élaboration et la caractérisation
d’une nouvelle génération d’instruments de biopuces basés sur la SPR. Les mesures
peuvent être effectuées en temps réel, ce qui permet le suivi de l’interaction et sa
modélisation. Nous présentons dans la suite une brève description théorique, le
dispositif expérimental multiparamétrique pour la génération de SPR ainsi que les
résultats expérimentaux obtenus.
2. Théorie et simulation de la résonance de plasmon de surface
La configuration de Kretschmann (Kretschmann, 1968) est la méthode la plus
utilisée pour exciter les ondes plasmon de surface. Elle consiste à évaporer une
couche fine de métal ( ≈ 50 nm) sur un prisme généralement en verre comme le
montre la figure 1.a. Si une onde incidente polarisée TM (Transverse Magnétique)
arrive du prisme avec un angle supérieur à l’angle critique de réflexion, elle induit
une oscillation collective des électrons libres. A la résonance de plasmon de surface
(SPR), l’énergie de l’onde incidente est totalement couplée à l’oscillation des
électrons et la réflectivité s’annule.
Les ondes plasmon de surface sont des ondes évanescentes de surface
puisqu’elles se propagent à l’interface entre un métal et un diélectrique. L’or est le
métal le plus stable ce qui lui procure un large domaine d’applications, plus
particulièrement dans le cas des capteurs biologiques.
Le vecteur d’onde de l’onde plasmon (K ) s’écrit sous la forme : SPR
⎛ ⎞ε ε ωm d⎜ ⎟K = Re [1]
SPR ⎜ ⎟ε + ε cm d⎝ ⎠Présentations plénières invitées 49
avec : ω la fréquence d’oscillation de la lumière et c : la célérité de la lumière. ε et m
ε sont les constantes diélectriques du métal et du diélectrique respectivement. d
(a) (b)
Onde Diélectrique
plasmon
Métal

E θTM, λ
I 0
I (t, θ, λ, TM)

Figure 1. (a) : Configuration de Kretschmann pour l’excitation de plasmons de surface.
L’onde lumineuse incidente I , polarisé TM est réfléchie par la couche métallique sous un 0
angleθ, créant une onde plasmon à l’interface métal – diélectrique. (b) Réflectivité à deux
dimensions calculée en fonction des angles d’incidence et longueurs d’ondes avec un prisme
en BK7, 48 nm d’or et un milieu semi infini d’eau.
L’onde incidente est caractérisée par un vecteur d’onde exprimé dans [2]. Elle
entre en résonance avec l’onde plasmon si sa composante parallèle K est égale à x
K . SPR
ω
K = n sinθ [2] x p 1c
avec n : indice de prisme et θ : angle d’incidence. p 1
Le calcul de la réflectivité de l’onde incidente se base sur le calcul des
coefficients de réflexion de Fresnel pour une onde polarisée TM et TE. La
polarisation TE ne permet pas l’excitation de plasmons de surface mais est utilisée
comme référence de mesure. Pour un système multicouche complexe (prisme,
chrome, or, couche de molécules biologiques, et un milieu couvrant comme l’eau),
on utilise une modélisation basée sur la méthode de Rouard étendue explicitement
au cas de matériaux absorbants (Lecaruyer, 2006).
La figure 1.a présente une simulation de réflectivité 2D d’une excitation
angulospectrale avec un prisme de type BK7, 48 nm d’or et l’eau comme milieu semi
infini. On peut remarquer que le minimum de réflectivité dépend des conditions de
couplage (angle, longueur d’onde). Une coupe de réflectivité à 660 nm présentant le
plasmons angulaire correspondant est également représentée. 50 C2I 2010
3. Conception multiparamétrique d’une biopuce à résonance de plasmon de
surface : R (x, y, t, θ, λ, P, T)
La biopuce est un capteur qui consiste à mesurer l’interaction entre deux
molécules biologiques. La première famille de molécules, appelée sondes, est fixée
avec une chimie de surface à la surface du capteur. Une deuxième famille
molécules, appelé cibles, est injectée dans la cellule de réaction contenant les
sondes.
Les biopuces à résonance de plasmon de surface sont une nouvelle génération de
biopuces qui consiste à mesurer la variation d’indice de réfraction à la surface
métallique suite une interaction biomoléculaire. En effet, ce système possède trois
avantages majeurs par rapport aux biopuces à fluorescence : il n’est pas nécessaire
de marquer les cibles à tester, il est possible d’effectuer des mesures en temps réel
pour caractériser et modéliser la cinétique de réaction et enfin la quantification de la
quantité de matière des cibles accrochées par les sondes est possible. Le nombre
d’interactions reste toutefois limité par rapport au biopuces à fluorescence. Le
système de biopuce que nous avons développé est multiparamétrique, c’est à dire
que différents types de signaux peuvent être générés, suivant les configurations
adoptées par l’utilisateur, afin de répondre à des besoins spécifiques.
3.1. Le paramètre angulaire : R(θ)
L’interrogation angulaire consiste à faire varier l’angle d’incidence pour
modifier le vecteur d’onde de l’onde incidente comme décrit à l’équation 2.
L’excitation de plasmons se traduit par une chute de réflectivité à un angle de
couplage bien précis. Le dépôt d’une couche supplémentaire sur le métal, comme
une couche biologique, perturbe le vecteur d’onde. Cela induit un décalage
angulaire de tout le profil de couplage (courbes 1 et 2 de la figure 2).

Figure 2. Axe de gauche réflectivité angulaire mesurée (1) avec l’eau (n=1,33),
(2) en intégrant une couche de 5 nm avec un indice de réfraction de 1.46
et axe de droite (3) différence de réflectivité induite Présentations plénières invitées 51
La différence entre les deux courbes, représentée par la courbe 3 de la figure 2,
illustre la variation de réflectivité induite par le dépôt d’une couche biologique de 5
nm d’épaisseur et d’indice de réfraction 1,46. La résolution numérique du problème
inverse permet de caractériser avec une grande précision l’épaisseur de la couche
supplémentaire.
3.2. Les deux paramètres spatiaux : R(x,y)
L’utilisation de la configuration de Kretschmann nous offre la possibilité
d’imager la surface (x, y) de la biopuce (SPRI). Les sondes sont placées sous forme
d’une matrice de plots sur la surface métallique préalablement fonctionnalisée
chimiquement, chaque plot contenant un type bien défini de biomolécules. Cela
permet de réaliser un multicapteur permettant de quantifier et de suivre en temps
réel de multiples interactions. La biopuce est éclairée sur une surface de l’ordre du
cm2 par un faisceau collimaté, dont la longueur d’onde est fixée par un
monochromateur à partir d’une source de lumière blanche. Le système
d’illumination est composé d’un polariseur, de deux lentilles en configuration
afocale et d’un miroir motorisé permettant de fixer l’angle d’incidence. Le système
d’imagerie est lui composé de 2 lentilles en configuration afocal et d’une camera
CCD pour acquérir les images en temps réel. Ce système, associé à une réalisation
de biopuce par spotteur, nous a permis de mesurer jusqu’à 900 interactions en
parallèle.
3.3. Le paramètre temporel : R(t)
L’interrogation en réflectivité consiste à mesurer la variation de réflectivité à une
longueur d’onde et à un angle fixe. L’angle d’incidence optimal θ est choisi pour OP
favorise une sensibilité maximale du système. Le suivi de la réflectivité permet de
mesurer la cinétique de réaction à un seul couple (angle, longueur d’onde). La
mesure peut suivre l’évolution de la réflectivité sur un seul point en utilisant un
détecteur ponctuel, comme une photodiode, ou bien de suivre des interactions en
parallèle en utilisant un système d’imagerie à plasmon de surface (SPRI).
La majorité des expériences effectuées dans notre laboratoire sont menées dans
le cadre de l’étude d’interactions d’ADN pour faciliter le diagnostic génétique de la
mucoviscidose (Hottin, 2007). Une série d’images sont acquises successivement à
l’injection des brins d’ADN à tester (cibles) sur la surface contenant les sondes. Il
est ainsi possible de suivre la cinétique des interactions en temps réel. L’amplitude
du signal sur chaque plot (figure 3) permet d’identifier la nature de la cible
provenant du patient (séquence saine ou mutée) (Maillart, 2004). 52 C2I 2010
(b) (a)
Biopuce SPR

Figure 3. (a) Mesure de cinétiques d’interaction ADN-ADN sur une biopuce contenant 24x24
plots. (b) Variation de réflectivité lors de l’interaction cible inconnue – sondes saines (en
vert) et cible inconnue – sondes mutées (en rouge). L’affinité plus grande de la cible avec les
sondes saines prouve le caractère sain de la cible d’ADN envoyée.
3.4. Le paramètre spectral : R(λ)
L’interrogation spectrale consiste à faire varier la longueur d’onde d’excitation à
un angle d’incidence fixé. Le couplage de la lumière avec les plasmons de surface
se manifeste par une chute de réflectivité à la longueur d’onde de résonance. Cette
configuration permet de mesurer l’effet de milieu absorbant dans le domaine visible
sur la réponse du système (Nakkach, 2008) ou bien d’extraire l’indice complexe
d’un milieu pour des applications en spectroscopie. D’un point de vue fondamental,
on peut d’autre part grâce à ce système étudier la propagation des ondes plasmon de
surface dans des couches métalliques nanostructurée (Duval, 2009) ou dans une
couche de diélectrique nanostructurée comme le montre la figure 5.
(b)(a)

Figure 4. (a) Image MEB du réseau de diélectrique de période 250 nm avec un taux
de remplissage de 30 % et d’épaisseur de 300 nm ; (b) réflectivité spectrale
mesurée perpendiculairement à la direction des structures
3.5. Le paramètre polarimétrique : R(P)
En remplaçant le prisme de verre par une pyramide et en disposant deux bras
d’imagerie de manière orthogonale, il est possible de créer des plasmons de surface
se propageant suivant les deux directions (x, y) de la surface de la biopuce (figure
6). Les images ainsi obtenues vont donner une information en réflectivité sur les Présentations plénières invitées 53
indices effectifs des biomolécules déposées (N et N). En effectuant une x y
soustraction des signaux des deux bras, il est possible de remonter à l’anisotropie
effective de la couche biologique. De plus, l’orientation des molécules (ou
paramètre d’ordre) peut-être déterminé de manière indirecte, en connaissant
l’anisotropie des biomolécules déposées. La mesure s’effectuant à angle d’incidence
et à longueur d’onde fixe, il est possible d’observer des variations d’anisotropie de
manière dynamique sur toute la surface de la biopuce (Duval, 2009).

Figure 5. Principe du système de SPRI polarimétrique. Le faisceau 1 génère une onde
de plasmon de surface se propageant le long de l’axe x de la biopuce. Le faisceau 2
génère une onde de plasmon de surface se propageant le long de l’axe y
3.6. La température : R(T)
La réaction entre molécules biologiques dépend fortement de la température, en
particulier la réaction ADN-ADN qui est caractérisé par sa température de fusion où
50 % des brins sont dénaturés. Cette température est variable suivant la nature des
bases d’ADN et la longueur des brins. En optimisant la température suivant la
nature de la cible ADN que l’on cherche à détecter, il est possible d’améliorer
significativement la discrimination de la réponse obtenue avec une biopuce (Hottin,
2007). La variation de la température affecte également les indices optiques de
toutes les couches de la biopuce et sa fixation nous évite la dérive de la mesure.
4. Conclusion
Dans cet article, nous avons présenté une nouvelle génération de systèmes de
biopuces basés sur la résonance de plasmon de surface. Les principes théoriques liés
à la propagation des plasmons de surface et la configuration de Kretschmann ont été
abordés dans un premier temps. Les aspects multiparamétriques de tels systèmes ont
ensuite été abordés. Ces instruments nous permettent : (i) de mesurer des variations
d’épaisseur moyenne sub-nanométrique avec une grande sensibilité, permettant
ainsi de discriminer une mutation ponctuelle dans le cas d’interactions de produits
de PCR (Polymerase Chain Reaction) ; (ii) d’étudier spectralement la biopuce soit 54 C2I 2010
en configuration monocapteur, soit en imagerie ; (iii) de mesurer l’anisotropie de
biomolécules induite par le système de fluidique ou par champ électrique par
-5 -3exemple, jusqu’à des valeurs de l’ordre de 10 sur des liquides, ou 10 sur des
couches nanométriques. Le contrôle de la température modifie les équilibres
thermodynamiques des interactions biochimiques étudiées.
5. Bibliographie
Bassil N., Maillart E., Canva M., Lévy Y., Millot M. C., Pissard S., Narwa R., Goossens M.,
« One hundred spots parallel monitoring of DNA interactions by SPR imaging of
polymer-functionalized surfaces applied to the detection of cystic fibrosis mutations »,
Sensors and Actuators B, vol. 94, 2003, p. 313–323.
Duval A., Système de biopuces à imagerie plasmonique polarimétrique pour la caractérisation
dynamique de l’anisotropie de films nano-fonctionnalisés et nano-structurés, Thèse de
doctorat, université Paris XI, 2009.
Hottin J., Caractérisations optiques et dynamiques d’interactions biomoleculaires de surface-
application aux biopuces à ADN, Thèse de doctorat, université paris XI, 2009.
Hottin J., Moreau J., Roger G., Spadavecchia J., Millot M.C., Goossens M., Canva M.,
« Plasmonic DNA: Towards Genetic Diagnosis Chips », Plasmonics, vol. 2, 2007, p. 201-215.
Kim M., Park K., Jeong E.J., Shin Y.B., Chung B. H.," Surface plasmon resonance imaging
analysis of protein–protein interactions using on-chip-expressed capture protein", Anal.
Biochem., vol. 351,2006, p. 298–304.
Kretschmann E., Raether H., « Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by
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Lecaruyer P., Maillart E., Canva M., Rolland J., « Generalization of the Rouard method to an
absorbing thin-film stack and application to surface plasmon resonance », Appl. Opt, vol.
45, 2006, p. 8419-8423.
Maillart E., Brengel-Pesce K., Capela D., Roget A., Livache T., Canva M., Lévy Y., Soussi
T., « Versatile analysis of multiple macromolecular interactions by SPR imaging:
application to p53 and DNA interaction », Oncogene, vol. 23, 2004, p. 5543-5550.
Manera M.G., Spadavecchia J., Leone A., Quaranta F., Rella R., Dellatti D., Minunni M.,
Mascini M., Siciliano P., « Surface plasmon resonance imaging technique for nucleic acid
detection », Sens. Actuators B, vol. 130, 2008, p. 82-87.
Mannelli I., Courtois V., Lecaruyer P., Roger G., Millot M. C., Goosens M., Canva M.,
« Surface plasmon resonance imaging (SPRI) system and real-time monitoring of DNA
biochip for human genetic mutation diagnosis of DNA ampllified samples », Sensors and
Actuators B, vol. 119, 2006, p. 583-591.
Nakkach M., Lecaruyer P., Bardin F., Sakly J., Ben Lakhdar Z., Canva M., « Absorption and
related optical dispersion effects on the spectral response of Surface Plasmon Resonance
sensor », Applied Optics, vol. 47, 2008, p. 6177-6182. SESSION A-1
Microsystèmes,
microcapteurs et microfluidiques




Elaboration de microélectrodes par techniques
originales basées sur la « Lithographie douce »


Stéphane Cotte — Abdellatif Baraket — François Bessueille —
Stéphane Gout — Didier Léonard — Abdelhamid Errachid

Laboratoire de Sciences Analytiques (LSA), UMR CNRS 5180
48, Bd du 11 novembre 1918, Université Claude Bernard Lyon 1,
Bât. J. Raulin, Villeurbanne F-69622, France
Université de Lyon

RÉSUMÉ. La lithographie douce et plus particulièrement la technique de microtamponnage
sont utilisées ici dans le but de fabriquer des micronanoélectrodes pouvant servir à
l’élaboration de micronanocapteurs. Deux voies originales, l’une basée sur le pelage localisé
d’une couche métallique à l’aide d’un adhésif et l’autre sur la croissance localisée d’une
couche métallique electroless sont décrites. Il est montré que ces deux méthodes permettent
la reproduction de motifs de dimensions micrométriques.
ABSTRACT. Soft lithography and especially microcontact printing is used in the aim to
fabricate micronanoelectrodes for the development of microsensors. Two unconventional
methods based either on localized peeling of a metal layer or on localized growing of a metal
layer are described. The capability of the methods to reproduce micrometric patterns is
illustrated.
MOTS-CLÉS : Lithographie douce, Microtamponnage, Pelage, Microfabrication, Electroless,
Métallisation localisée, Electrodes.
KEYWORDS : Soft lithography, Microcontact printing, Peeling, Microfabrication,
Electroless, Localized metallization, Electrodes.
58 C2I 2010
1. Introduction
De nos jours, les besoins en analyse tant dans le domaine environnemental que
dans le domaine médical sont de plus en plus importants. Pour répondre à ces
besoins, des instrumentations donnant des réponses rapides pour un coût peu élevé
sont nécessaires. L’essentiel de la réponse à cette problématique se trouve dans la
miniaturisation des appareillages qui permet d’obtenir un débit d’analyse plus élevé,
une diminution de la consommation d’échantillons et de réactifs, ainsi qu’une
diminution du prix de l’instrumentation et de celui de l’analyse.
La technologie la plus utilisée à l’heure actuelle, pour la miniaturisation des
appareillages, reste la photolithographie (Brambley et al., 1994) qui permet la
production de masse de structures aux échelles micrométrique et submicrométrique.
Cependant, cette technologie a un coût élevé de par l’utilisation de salles à
environnement contrôlé et d’appareillages sophistiqués. De plus, cette méthode et
ses variantes ne s’utilisent que sur des substrats plans et photosensibles.
Dans le but de fabriquer des micronanocapteurs électrochimiques, nous
développons de nouvelles méthodes à l’échelle micrométrique en utilisant des
technologies dites de lithographie douce et en particulier la technologie de
microtamponnage initiée par l’équipe du professeur Whitesides (Xia et al., 1998).
Le microtamponnage consiste à transférer une encre en utilisant un tampon
élastomérique sur lequel est gravé en surface le motif à transférer. Le modèle le plus
utilisé pour le microtamponnage est l’alcanethiol sur des substrats d’or (Kumar et
al., 1993). Les couches autoassemblées (SAMs) formées par l’alcanethiol protègent
efficacement la couche d’or lors d’une gravure chimique par le cyanure. Des
résolutions de 30 nm (Xia et al., 1998) sont obtenues par cette méthode.
Nos travaux visent à développer des voies originales de métallisation localisée
pour fabriquer les micronanostructures métalliques devant servir comme électrodes
dans des micronanocapteurs électrochimiques tant sur substrat polymère (Bessueille
et al., 2009) que sur substrat verre (Travaux présentés ici). Nous présentons deux
voies originales utilisant le microtamponnage d’alcanethiol : la première voie
consiste à peler de façon sélective les zones d’une couche métallique non protégée
par une monocouche autoassemblée, permettant ainsi de s’affranchir de l’étape de
gravure chimique ; la seconde consiste à passiver, à l’aide d’une monocouche
autoassemblée, un dépôt catalytique à la surface du substrat pour faire croître de
façon localisée un dépôt de métal electroless, permettant ainsi de s’affranchir de la
couche métallique d’or déposé par PVD. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 59
2. Matériels et méthodes
2.1. Pelage sélectif
Pour le pelage sélectif, des substrats de verre recouvert d’un film mince d’or ont
été utilisés. Ce film a été déposé par pulvérisation cathodique (EMSCOPE SC 500).
Afin d’améliorer l’adhérence de la couche d’or sur le verre, une couche de
nanoparticules d’argent a été utilisée.
Plus précisément, des lames de microscopes en verre sodo-calcique
(RothSochiel, Lauterbourg) ont été nettoyées dans une solution piranha (mélange 3 :
1 H SO 96 % et H O 30 %) à 130 °C pendant 30 minutes. Les lames ont ensuite 2 4 2 2
été rincées dans l’eau ultrapure (MilliQ, Millipore) puis séchées sous un courant
d’azote.
Les nanoparticules d’argent servant de couche d’accroche ont été synthétisées
directement sur la lame de verre par immersion successive dans une solution de
-1KOH à 4 % massique, puis dans une solution de SnCl à 0,2 g.L , et enfin dans une 2
-1solution d’AgNO à 10 g.L avec entre chaque solution un rinçage dans de l’eau 3
ultrapure. Après séchage sous un courant d’azote, les échantillons ont été métallisés
par pulvérisation cathodique. Le film mince obtenu a une épaisseur d’environ 20 nm
d’après les abaques de l’appareil.
Pour le pelage sélectif, une monocouche d’octadecanethiol a été déposée de
façon localisée sur le substrat par microtamponnage. Pour cela un tampon en PDMS
conservé dans une solution éthanolique d’octadecanthiol à 2 mM a été utilisé.
Lorsque la monocouche est déposée, une lame de verre sur laquelle a été déposé un
adhésif (UHU colle pour verre, contenant du 2-hydroxyethylmethacrylate) est
déposée sur le substrat modifié. Les deux lames ont ensuite été pressées l’une contre
l’autre pour étaler l’adhésif sur l’ensemble du motif. La colle contenant un initiateur
UV, les lames ont été irradiées sous lampe UV pendant 10 minutes. Après
refroidissement, les deux lames ont été décollées. Sur la lame où se trouve la couche
d’or, les parties non protégées par la monocouche autoassemblée ont été arrachées
et sont observées sur la lame de verre sur laquelle avait été déposé l’adhésif.
2.2. Passivation localisée
Des substrats de verre nettoyés avec la procédure vue précédemment sont
utilisés. Les lames de verre ont d’abord été traitées dans une solution de
3aminopropyltriethoxysilane (APTES) afin de créer des fonctionnalités amines à la
surface des substrats. Plus précisément, les substrats ont été traités dans une solution 60 C2I 2010
à 1 % dans le méthanol pendant 45 minutes. Les substrats ont ensuite été rincés dans
le méthanol puis dans l’eau ultrapure et enfin séchée sous un courant d’azote.
La couche catalytique de nanoparticules d’or a été préparée en faisant adsorber
les nanoparticules d’or à la surface des substrats fonctionnalisés avec des amines.
Pour ce faire, les substrats ont été mis en contact avec une solution colloïdale d’or
pendant 6 h.
Cette couche active homogène a été passivée par microtamponnage
d’octadecanethiol (solution à 2mM dans l’éthanol). Pour la métallisation electroless
d’argent, la solution a été préparée en mélangeant 0,5 g d’AgNO3, 0,02 g de SnCl2,
31 mL d’eau ultrapure, 19 mL d’hydroxyde d’ammonium à 25 % massique et 40 µl
de formaldéhyde. La solution a été utilisée à température ambiante et la durée de
métallisation est de 5 minutes.
3. Description du procédé de pelage sélectif et illustrations
Dans la méthode classique de microtamponnage sur des substrats d’or (Figure
1), le dépôt localisé d’octadecanethiol permet une protection lors de la gravure.
Ainsi, les microstructures sont obtenues par gravure sélective des zones non
protégées par la monocouche. La gravure chimique nécessite toutefois l’utilisation
de solutions toxiques.
Film d’or
Tampon
Substrat
Dépôt d’octadecanethiol
Gravure du film d’or

Figure 1. Principe de la méthode classique de microtamponnage d’alcanethiol
pour protéger la couche d’or lors de la gravure chimique
Dans la voie originale développée (Figure 2), le microtamponnage est utilisé de
la même manière pour obtenir un dépôt localisé d’octadecanethiol. A la différence
de la méthode classique, la couche d’or n’est pas gravée mais pelée à l’aide d’un
adhésif. En effet, la monocouche autoassemblée formant un ensemble compact
empêche l’adhésif d’adhérer à la couche métallique. Pour les zones non protégées, Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 61
l’adhésif adhère parfaitement au métal. Afin de retirer la couche d’adhésif, il est
proposé d’utiliser un substrat de verre qui va adhérer de façon très forte avec la
couche d’adhésif. Lors de l’étape de séparation, la force d’adhésion entre le verre et
la couche d’or non recouverte par le SAM d’alcanethiol étant plus faible que
l’adhésion entre l’adhésif et la couche d’or, cette dernière est pelée du substrat.
La Figure 3 montre une photographie présentant un exemple de microstructure
réalisée par la méthode de pelage sélectif. L’insert montre un agrandissement de
l’image et démontre la faisabilité de la méthode pour des motifs micrométriques
(Plus faible largeur du motif estimée à 60 µm).
Tampon
ODTOr Verre
Adhésif
Motif négatif
Motif positif
Figure 2. Principe de la méthode de pelage sélective

Figure 3. Photographie d’un système d’électrodes interdigitées obtenu par pelage sélectif
de la couche d’or non protégée par une couche autoassemblée d’alcanethiol 62 C2I 2010
4. Description du procédé de passivation localisé et illustrations
Dans ce procédé, le principe consiste à faire croître de façon localisée une
couche d’argent electroless. La métallisation electroless (Figure 4) consiste à utiliser
une solution contenant les ions du métal à déposer et un réducteur chimique. Cette
solution est stable en conditions normales de par l’usage de complexant empêchant
la réduction des ions. Au contact d’une surface catalytique (par exemple Au), la
déposition est toutefois rendue possible.
n+ OxMRed
Nanoparticules d’Au
M
Substrat
Figure 4. Principe de la métallisation electroless à l’interface d’un substrat rendu
catalytique par des nanoparticules d’or
Le principe de la méthode originale proposé dans ce travail (Figure 5) consiste à
recouvrir entièrement un substrat de verre avec une couche de nanoparticules d’or
qui permet de catalyser la métallisation electroless d’argent. Afin de faire croître de
façon localisée l’argent electroless, le microtamponnage d’octadecanethiol est utilisé
afin de passiver la couche catalytique. La monocouche d’octadecanethiol formée à
la surface des nanoparticules empêche les réactifs de la solution de métallisation de
rentrer en contact avec la surface catalytique. De cette façon, un dépôt métallique
d’argent n’est obtenu que dans les zones non protégées par la monocouche
autoassemblée d’octadecanethiol.
Tampon Nanoparticules
d’or
Substrat « Encre » octadecanethiol
verre
Métal
SAM
ODT
Métallisation
Electroless
Figure 5. Principe de la méthode de passivation localisée Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 63

Figure 6. Photographie d’un ensemble d’électrodes interdigitées
obtenues par passivation localisée

Figure 7. Photographie d’une microélectrode obtenue
par passivation localisée dont la plus petite largeur est de 60µm
La Figure 6 illustre une réalisation obtenue par la méthode de passivation
localisée d’une couche active de nanoparticules d’or puis métallisation electroless à
l’argent. Le motif présente dans sa plus faible largeur des dimensions de 300 µm
environs. La même technique a été employée afin d’obtenir des électrodes dont la
dimension la plus faible est de 60 µm, comme illustré à la Figure 7. Ceci démontre
la capacité de cette méthode à reproduire des motifs micrométriques. 64 C2I 2010
5. Conclusion
Grâce à l’utilisation de la lithographie douce et plus particulièrement de la
technique de microtamponnage, deux techniques originales pouvant servir à la
fabrication de microélectrodes ont été développées avec succès.
Dans la première, un adhésif permettant de s’affranchir de l’utilisation de
solutions chimiques toxiques a été utilisé pour révéler les motifs obtenus par
microtamponnage.
Dans la seconde, le microtamponnage permet de passiver de façon localisée une
couche catalytique afin de faire croître de l’argent electroless dans les zones
recherchées.
6. Bibliographie
Bessueille F., Gout S., Cotte S., Goepfert Y., Léonard D., Romand M., « Selective metal
pattern fabrication through micro-contact or ink-jet printing and electroless plating onto
polymer surfaces chemically modified by plasma treatments », J. Adhes., vol. 85, n° 10,
2009, p. 690-710.
Brambley D., Martin B., Prewett PD., « Microlithography: An overview », Adv. Mater. Opt.
Electron., vol. 4, n° 2, 1994, p. 55-74.
Kumar A., Whitesides GM., « Features of gold having micrometer or centimeter dimensions
can be formed through a combination of stamping with a elastomeric stamp and an
alkanethiol « ink » followed by chemical etching », Appl. Phys. Lett., vol. 63, n° 14,
1993, p. 2002-2004.
Xia Y., Whitesides GM., « Soft Lithography », Annu. Rev. Mater. Sci., vol. 28, 1998, p.
153184.
Holographique numérique en ligne
Application à l’étude des écoulements canalisés


Nicolas Verrier — Sébastien Coëtmellec — Marc Brunel
— Denis Lebrun

Groupe d’optique et d’optoélectronique, CORIA CNRS UMR 6614
Avenue de l’Université, F-76800 Saint Etienne du Rouvray
nicolas.verrier@coria.fr

RÉSUMÉ. L’holographie numérique en ligne est appliquée à la visualisation d’écoulements
canalisés. La symétrie cylindrique des canalisations fait qu’elles introduisent de
l’astigmatisme dans le système d’imagerie. Afin de comprendre et compenser ces effets, un
modèle de simulation des hologrammes est proposé. Ce modèle permet de traiter différents
types de canalisations (différentes formes et épaisseurs) et rend compte de l’astigmatisme
qu’elles apportent. Les hologrammes ainsi obtenus seront restitués en utilisant la
transformation de Fourier fractionnaire. En effet, cet opérateur est particulièrement adapté à
la restitution d’hologrammes entachés d’astigmatisme. Après confrontation des résultats de
simulation aux résultats obtenus expérimentalement, cette approche sera appliquée à l’étude
d’un écoulement réel.
ABSTRACT. Digital in-line holography is applied to pipe flow visualization. Due to their
cylindrical shape, transparent pipes introduce astigmatism in the imaging system. In order to
better understand and to compensate for these effects, a hologram simulation model is
proposed. The proposed approach allows us to deal with various pipe shapes and thicknesses
and take brought astigmatism into account. Simulated holograms are reconstructed using
fractional Fourier transformation. As a matter of fact, this operator is well adapted to
astigmatic hologram reconstruction. After comparison between both simulated and
experimental holograms, this new approach is applied to a real pipe flow study.
MOTS-CLÉS : Holographie numérique en ligne, astigmatisme, matrices ABCD, TF
fractionnaire.
KEYWORDS : digital in-line holography, astigmatism, ABCD matrices, FRFT.
66 C2I 2010
1. Introduction
L’holographie numérique est une technique optique reconnue, entre autre, pour
ses applications dans le domaine de la mécanique des fluides. En effet, l’information
tridimensionnelle qu’elle renferme fait de cette méthode une excellente candidate
pour l’étude des écoulements réactifs ou non (Pan et al., 2003). Afin d’être étudiés,
les écoulements sont ensemencés de traceurs adaptés dont les principales
caractéristiques (position tridimensionnelle, vitesses, etc.) peuvent être retrouvées
par l’analyse d’un seul hologramme. Cependant, ce type d’informations ne peut pas
être obtenu de manière simple lorsque l’on s’intéresse à des écoulements canalisés.
En effet, la géométrie cylindrique des canalisations fait qu’elles introduisent de
l’astigmatisme dans le système d’imagerie (Vikram, 1992). Cet astigmatisme
compromet la visualisation d’objets contenus dans la canalisation et doit être
compensé. L’utilisation de méthodes d’adaptation d’indice (index matching) permet
de compenser l’astigmatisme de manière optique (Crane et al., 1982). Récemment,
la possibilité d’enregistrer et de restituer des hologrammes enregistrés avec un
faisceau de référence astigmate a été démontrée (Nicolas et al., 2005). Ainsi, la
distribution d’intensité diffractée par une particule opaque, centrée sur l’axe optique
du système et éclairée par un faisceau gaussien, elliptique et astigmate a été
calculée. En utilisant la transformation de Fourier fractionnaire (TF fractionnaire),
les auteurs sont parvenus à restituer l’image du disque opaque, prouvant ainsi
l’intérêt de la TF fractionnaire pour ce type d’étude. Une généralisation de ce
formalisme aux cas d’objets décentrés a, de plus, permis de démontrer que la TF
fractionnaire permet de restituer des objets étendus ou des champs de particules
(Verrier et al., 2008a). Cette approche est donc adaptée à l’étude des écoulements.
Néanmoins, ce type de modèle ne permet pas de prendre en considération le cas des
écoulements canalisés. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouveaux outils
permettant de répondre à ces contraintes.
Le but de cette étude est d’appliquer l’holographie numérique en ligne à l’étude
des écoulements canalisés. Ainsi, dans un premier temps, un modèle permettant de
prendre en compte les paramètres géométriques de la canalisation sera présenté.
Afin de valider cette approche, les résultats obtenus seront confrontés aux
hologrammes obtenus expérimentalement. Ensuite, l’expression mathématique de la
TF fractionnaire sera rappelée et son application à la restitution des hologrammes
enregistrés au travers d’une canalisation sera démontrée. Enfin, cette méthode sera
appliquée à la visualisation d’un écoulement canalisé permettant de suivre, en
« temps réel », la sédimentation de billes de latex. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 67
2. Simulation des hologrammes dans une canalisation cylindrique
En holographie numérique, les interférences entre le faisceau de référence (qui
traverse le milieu sans perturbations) et le faisceau diffracté par les objets contenus
dans le volume d’étude sont enregistrées sur un capteur CCD dépourvu d’objectif.
Le montage expérimental qui sera considéré pour cette étude est représenté figure 1.
Le faisceau gaussien issu d’un laser He-Ne se propage sur une distance z jusqu’à la p
canalisation. Cette dernière est considérée comme l’association de deux lentilles
épaisses plano-concaves. Leur épaisseur est notée e. L’objet est situé à la distance δ
de la première lentille et à la distance z de la seconde. Le capteur CCD est i
positionné à la distance z de la sortie de la canalisation et permet d’enregistrer la
distribution d’intensité des figures d’interférences.
Figure 1. Montage d’holographie en ligne pour l’étude d’écoulements canalisés

On considère la propagation d’un point source gaussien au travers du système
présenté figure 1. Son expression mathématique est donnée par :
22⎛⎞µ +ν [1] G()µν,e=−xp⎜⎟ 2ω⎝⎠
où ω est la largeur du faisceau à 1/e, et µ,ν les coordonnées dans le plan de la()
source. La propagation de G µ,ν au travers du système optique est divisée en ()
deux étapes. Dans un premier temps, la propagation du point source jusqu’au plan
de la particule est considérée. Ensuite, l’onde de référence et le faisceau diffracté
par la particule sont propagés jusqu’au plan du capteur. L’utilisation du formalisme
des matrices ABCD associée à l’intégrale de Fresnel généralisée permet de traiter
ces deux étapes. Elle est telle que : \
68 C2I 2010
⎡ ⎤π 22G ξη,∝Giµ,eν xp Aµ−+2ξµDξ() ( ) ()2 ⎢ xx ⎥∫ λB⎣ x ⎦ [2]
⎡⎤π 22×−expiAνη 2ν+Dη ,⎢⎥()yy
λBy⎣⎦
où AB,,D sont les éléments de la matrice de transfert du système optique xy,, x y xy, traversé. Davantage d’informations quant à la détermination de ces coefficients
peuvent être trouvées référence (Verrier et al., 2008b). En utilisant l’équation [2], la
distribution d’intensité enregistrée dans le plan du capteur CCD devient :
22
Ix,2y ∝RR−ℜO +O, [3] () { }
où R est associée à la distribution d’amplitude du faisceau de référence et O
correspond au faisceau diffracté par les objets contenus dans le milieu étudié. Elles
sont respectivement données par :
⎡⎤NM⎡ ⎤ππ⎛⎞⎛ ⎞22yy2 2xx [4] R()xy,e ∝xp−+ x y exp i x+ y⎢⎥⎜⎟⎢⎜ ⎟⎥xy x yλλBB B B⎝⎠22 ⎝2 2⎠⎣⎦⎣ ⎦
pour le faisceau de référence et
xy N⎡⎤⎛⎞πDD xy22 eq eqO xy,e ∝xp i x + y AK K()⎢⎥⎜⎟ ∑ k 22λBB k =1⎝⎠22⎣⎦ [5]
⎡ NN ⎤⎡ M M ⎤⎛⎞ ⎛ ⎞ππxy x yeq22 eq eq2 eq2×−exp+ expi x+ y⎢⎜⎟⎥⎢⎜ ⎟⎥ x y ⎜ ⎟λλBB B B⎢ 22 ⎥⎢ 2 2 ⎥⎝⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎣ ⎦
pour le faisceau diffracté. Le détail des calculs menant à ces expressions sont
détaillés dans la référence (Verrier et al., 2008b).

Figure 2. Distribution d'intensité simulée pour une fibre opaque \
Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 69
La figure 2 rend compte des résultats obtenus par cette approche. L’hologramme
d’une fibre opaque de 51,6 µm de largeur, parallèle à l’axe de la canalisation est
proposé. La distribution d’intensité a été obtenue en utilisant l’équation [3]. Pour
valider les résultats de simulation, un hologramme est enregistré dans les mêmes
conditions. Afin de comparer les résultats obtenus, les profils d’intensité théorique
et expérimentale sont tracés. Pour limiter l’influence du bruit de fond de l’image
expérimentale, son profil d’intensité est moyenné sur 50 lignes. Les profils
d’intensité normalisée obtenus sont représentés figure 3 et montrent un excellent
accord entre les données théoriques et les données expérimentales. L’approche
présentée est donc validée. Les hologrammes obtenus seront restitués par TF
fractionnaire. Dans la partie suivante, l’expression mathématique de la TF
fractionnaire sera rappelée et les ordres fractionnaires optimaux de restitution seront
calculés.
3. TF fractionnaire appliquée à la restitution d’hologrammes enregistrés dans
une canalisation

Figure 3. Comparaison des distributions d'intensité théorique et expérimentale
3.1. TF fractionnaire bidimensionnelle
La TF fractionnaire est une généralisation de la transformation de Fourier
classique. La TF fractionnaire d’ordres αα , d’une fonction I xy, est donnée ()xy
par :
[6] F ⎡⎤I x, y x, y = N x, x N y,,.y I x y dxdy()( ) ( ) ( )()αα , aa 2 α a α a⎣⎦ ∫xy x y70 C2I 2010
Le noyau de l’opérateur fractionnaire N est tel que : α p
22⎛⎞⎛ ⎞x +xi2πxxaa [7] Nx,ex=−Cαπxpi exp ,() ()⎜⎟⎜ ⎟α ap 22p⎜ ⎟sstanαα sinpp p p⎝⎠⎝ ⎠
Le coefficient assure la conservation de l’énergie dans les domaines C α() p
fractionnaires et s est un paramètre d’échelle dépendant de l’échantillonnage des p
hologrammes.
3.2. Ordres optimaux de restitution
La TF fractionnaire est particulièrement adaptée pour le traitement des signaux
présentant des phases quadratiques. Ce type de phases est présent dans nos
hologrammes. La distribution d’intensité enregistrée dans le plan du capteur est
2 2
donnée par l’équation [3]. Les termes R et O ne présentent pas de phases
quadratiques. La restitution de l’hologramme par TF fractionnaire consistera à
compenser les phases quadratiques contenues par le terme 2ℜ RO . En utilisant { }
les équations [4] et [5], les phases quadratiques à compenser sont données par :
yx⎡⎤ ⎛⎞⎛⎞ MD −π MD −22y 2x 2ϕ=+ x y . [8] ⎢⎥ ⎜⎟⎜⎟xyλBB⎝⎠⎝⎠⎣⎦
Il est alors possible de déterminer les valeurs des ordres fractionnaires
permettant d’annuler ces phases quadratiques.

Figure 4. Restitution de l'hologramme de la fibre opaque Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 71
Ainsi, dans le cas d’hologrammes enregistrés au travers d’une canalisation, les
ordres fractionnaires optimaux de restitution sont donnés par :
xy⎡⎤ ⎡ ⎤BBλλopt opt22 [9] αα=±arctan⎢⎥ , = arctan⎢± ⎥.xysM−−D s M D() ⎢()⎥xx yy⎣⎦ ⎣ ⎦

Pour restituer l’hologramme proposé figure 2, compte tenu des paramètres
optd’enregistrement, les ordres fractionnaires optimaux sont α = 0,529, αx opt . L’image de la fibre opaque restituée est présentée figure 4. La fibre α = 0, 429y
est correctement restituée mais est superposée à un réseau de franges en arrière plan.
Il s’agit de l’image jumelle de la fibre.
4. Application à l’étude d’un écoulement réel
Jusqu’ici, la restitution d’hologrammes enregistrés dans une canalisation n’a été
appliquée qu’à des hologrammes synthétiques. Dans la suite, l’étude de la
sédimentation de billes de latex injectées dans la canalisation est présentée. Pour
cette étude, la canalisation est positionnée à zm= 310m de la canalisation. Le p
capteur CCD est situé à zm=18m de la sortie de la canalisation. Une étude
dynamique de l’écoulement est possible en réglant l’obturation du capteur à 20 ms
et en enregistrant une séquence d’hologrammes.

Figure 5. Hologramme d'un écoulement canalisé de billes de latex
Un exemple d’hologramme est proposé figure 5. Ici des billes de latex de 100
µm de diamètre ont été injectées dans la canalisation. Pour restituer cet
hologramme, il est nécessaire de déterminer les ordres fractionnaires optimaux de
restitution. Tous les paramètres expérimentaux sont connus à l’exception de la
position δ des particules dans la canalisation. Ainsi, en modifiant la valeur de δ et
en déterminant le couple d’ordres fractionnaires associé, il est possible de remettre
au point sur les particules contenues dans la canalisation. 72 C2I 2010
La restitution d’un hologramme de la séquence est illustrée figure 6. La TF
fractionnaire permet de restituer l’hologramme de l’écoulement en compensant
l’astigmatisme apporté par la canalisation.

Figure 6. Restitution de l’hologramme de la figure 5
5. Conclusion
Un modèle permettant de simuler les hologrammes enregistrés au travers d’une
canalisation a été présenté. Ce type de configuration souffre de l’astigmatisme
introduit par la canalisation. L’utilisation de la TF fractionnaire a permis de restituer
les hologrammes. Ces résultats ont été appliqués avec succès à la visualisation
d’écoulements canalisés.
6. Bibliographie
Pan G., Meng H., « Digital holography of particle fields : reconstruction by use of complex
amplitude », Appl. Opt., vol. 42, 2003, p. 827-833.
Vikram C. S., « Particle fields holography », Cambridge University Press, 1992.
Crane J. S., Dunn P., Thompson B. J., Knapp J. Z., Zeiss J., « Far-field holography of ampule
contaminants », Appl. Opt., vol. 21, 1982, p. 2548-2553.
Nicolas F., Coëtmellec S., Brunel M., Allano D., Lebrun D., Janssen A. J. E. M.,
« Application of the fractional Fourier transformation to digital holography recorded by
an elliptical, astigmatic Gaussian beam », J. Opt. Soc. Am. A, vol. 22, 2005, p. 2569-2577.
Verrier N., Coëtmellec S., Brunel M., Lebrun D., Janssen A. J. E. M., « Digital in-line
holography with elliptical, astigmatic Gaussian beams: wide angle reconstruction », J.
Opt. Soc. Am. A, vol. 25, 2008, p. 1459-1466.
Verrier N., Coëtmellec S., Brunel M., Lebrun D., « Digital in-line holography in thick optical
systems: application to visualization in pipes », Appl. Opt., vol. 47, 2008, p. 4147-4757. Etude et caractérisation d’un système
microfluidique destiné au tri magnétique
d’espèces biologiques


, ,Rémy Fulcrand*** — Christophe Escriba*** — Monique
,Dilhan* — Ali Boukabache* ** — Anne-Marie Gué*

* LAAS-CNRS,
7, avenue du colonel Roche, 31077 Toulouse cedex 04
rfulcran@laas.fr; aboukaba@laas.fr.

** Université de Toulouse; UPS, INSA, INP, ISAE; LAAS; F-31077 Toulouse,
France

RÉSUMÉ. La résine photosensible SU8 peut être utilisée pour réaliser des composants
microfluidiques passifs mais aussi des systèmes complets de manipulation, tri ou routage
d’espèces biologiques ou chimiques à des échelles micro ou nanométriques. En vue
d’applications biologiques, nous avons conçu et fabriqué un système microfluidique tout SU8
comportant un dispositif de tri magnétique de billes fonctionnalisées. L’activation de ce
système nécessite de faire passer un courant électrique dans des micro-bobines planes
intégrées dans le plancher des canalisations. Sachant que l’élévation de température qui en
résulte est un paramètre essentiel dans les processus biologiques visés, un protocole
expérimental a été mis en place afin d’étudier et caractériser les aspects thermoélectriques
induits par le dispositif de piégeage des billes.
ABSTRACT. The photoresist SU8 can be used to realize passive components such as
microfluidic channels, reservoirs or reactors but can be also used to produce complete
systems for handling, sorting and routing of chemical or biological species at micro or nano
scales. In view of biological applications, we designed and built an SU8 microfluidic device
allowing us to sort functionalized magnetic beads. The activation of this system requires the
circulation of an electric current in micro-planar coils embedded in the floor of channels.
Knowing that the temperature rise is a key parameter in biological processes, an
experimental protocol has been established to study and characterize thermal aspects
induced by this transduction.
MOTS-CLÉS : SU8 micro fluidique bobines piégeage billes
KEYWORDS: SU8 micro fluidics coils trapping beads
74 C2I 2010
1. Introduction
Les microsystèmes fluidiques intégrés ouvrent des perspectives particulièrement
intéressantes dans les domaines du diagnostic médical ou du criblage
pharmacologique. Le développement de tels dispositifs nécessite la mise en place
des technologies de fabrication dérivées ou adaptées des technologies
microélectroniques. A ce titre, les polymères, en particulier la SU-8, présentent des
propriétés intéressantes. Cette résine photosensible peut être utilisée pour réaliser
des composants microfluidiques passifs tels que des canaux, réservoirs ou réacteurs,
mais permet également de fabriquer des systèmes complets de manipulation, tri ou
routage d’espèces biologiques ou chimiques à des échelles micro ou nanométriques
(Sikanen et al., 2005) En vue d’applications biologiques, nous avons conçu et
fabriqué un système microfluidique tout SU-8 comportant un dispositif de tri
magnétique de billes fonctionnalisées (Escriba et al., 2008). L’activation de ce
système nécessite de faire passer un courant électrique dans des microbobines
planes intégrées dans le plancher des canalisations. Sachant que l’élévation de
température qui en résulte est un paramètre essentiel dans les processus biologiques
visés, un protocole expérimental a été mis en place afin d’étudier et caractériser les
aspects thermoélectriques induits par le dispositif de piégeage des billes.
2. Présentation du dispositif
Le microsystème fluidique est constitué de canaux réalisés en SU-8 en dessous
desquels sont disposées des microbobines en Cu ; leur excitation électrique permet
l’activation du piégeage magnétique des billes flottant (mode statique) ou circulant
(mode dynamique) dans un fluide. Le procédé technologique de réalisation se
résume en 5 grandes étapes :
– Réalisation par lift-off de la piste d’amenée centrale de courant. Le métal
utilisé est une bi-couche de Ti/Au dont les épaisseurs respectives sont fixées à
1 000 Å et 8 000 Å.
– Isolation de cette même piste par une couche de résine en SU-8 ‘3005’de 2 µm
d’épaisseur.
– Croissance électrolytique d’une couche de 5 µm d’épaisseur de cuivre,
constitutif des enroulements de la bobine, au travers d’un moule en résine épaisse de
type AZ4562 de 5,5 µm de haut.
– Encapsulation de la microbobine et ouverture des contacts électriques par une
couche de SU-8 ‘3025’ de 10µm d’épaisseur.
– Réalisation du canal microfluidique par une méthode de photolithographie
d’une couche de SU-8, de 50 µm d’épaisseur, constituant les flancs de la
canalisation. Microsystèmes, microcapteurs et microfluidiques 75
– Fermeture du micro-canal par laminage d’un film sec photosensible en SU-8,
de 10µm d’épaisseur.
Dans un souci d’intégration, la communication entre le microsystème et le
monde extérieur est assurée par une connectique fluidique et électrique spécialement
mise au point. Le connecteur électrique utilisé est un composant CMS (Composant
Monté en Surface) de type FFC de 1cm de large pour 2,8mm de haut et 6,3mm de
long. Ce connecteur est composé de 8 voies et peut recevoir une nappe souple de
type FFC. Les connecteurs fluidiques sont quant à eux réalisés en salle blanche du
laboratoire. Pour assurer les fonctions de communication fluidique entre les
dispositifs et le système de remplissage en liquide utilisé, nous avons fait le choix
du PDMS (PolyDiMéthylSiloxane), qui est un élastomère facilement structurable et
largement utilisé en microfluidique. Ces connecteurs, réalisés par moulage de
l’élastomère au travers d’un moule en aluminium, présentent en leur centre un trou
traversant de 1 mm de diamètre ; les hauteurs et les largeurs de ces plots en PDMS
sont respectivement fixées à 4mm et 6mm. Sur la figure 1 est illustré l’exemple d’un
microsystème constitué de 3 canalisations microfluidiques, d’un réseau
d’actionneurs magnétiques constitué de 7 microbobines et des connectiques fluidiques
et électriques.

Figure 1. Photo représentant une plateforme microfluidique
comprenant 7 microbobines sous un réseau de canalisation à 3 voies
3. Caractérisation du microsystème
3.1. Etude du comportement thermique
Avant d’évaluer les performances à proprement parler de nos dispositifs, il est
primordial de s’assurer de la compatibilité de leur utilisation avec les domaines

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