FR2906421A1 - Nouvelle solution technique pour ameliorer les performances des capteurs a ondes acoustiques de surface - Google Patents

Abstract

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à ondes acoustiques de surface et systèmes associés. Elle concerne plus particulièrement l'utilisation des bords des substrats piézoélectriques ou de sillons creusés dans les substrats piézoélectriques pour améliorer la réflexion des ondes acoustiques de surface et permettre ainsi l'utilisation pour des applications sans fil en conditions extrêmes de matériaux résistants à ces conditions mais présentant un faible rendement électromécanique.Le dispositif selon l'invention comprend un transducteur à ondes acoustiques de surface (11) déposé centré ou excentré sur un substrat piézoélectrique et connecté à une antenne (2), des bords ou des sillons (32) parallèles aux doigts du transducteur et un ensemble électronique spécifique d'interrogation du dispositif à distance (6), permettant notamment de générer des impulsions courtes (24) et de comparer la phase des deux signaux retours.Le dispositif selon l'invention est plus particulièrement destiné à la mesure de contraintes mécaniques, par l'utilisation conjointe de trois transducteurs identiques orientés suivant les direction 0°, 45 degres et 90°, et à la mesure sans fil en conditions extrêmes.

Description

1 Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à ondes acoustiques

de surface et systèmes associés. Elle concerne plus particulièrement l'utilisation des bords des substrats piézo-électriques ou de sillons creusés dans les substrats piézoélectriques pour améliorer la réflexion des ondes acoustiques de surface et permettre ainsi l'utilisation pour des applications sans fil en conditions extrêmes de matériaux résistants à ces conditions mais présentant un faible rendement électromécanique. Les dispositifs à ondes acoustiques de surface exploitent les propriétés électro-acoustiques des substrats piézoélectriques tels que le quartz, le niobate de lithium, l'oxyde de zinc, pour générer des ondes de surface. Les vibrations mécaniques sont créées par application d'un signal électrique et se propagent à des fréquences dépendant de la direction cristallographique, des dimensions de la lame cristalline et du facteur de conversion électromécanique du matériau.

Comme indiqué sur la figure 1, la génération de l'onde de surface se fait classiquement à l'aide de deux électrodes déposées à la surface du matériau piézoélectrique et portées à des tensions opposées alternatives. Les électrodes 11 sont analogues à deux peignes entrecroisés et l'ensemble est appelé transducteur(s) interdigité(s) . Lorsqu'une tension alternative est appliquée au transducteur, il s'en suit une alternance de compressions et d'expansions horizontales et verticales du matériau piézoélectrique sous-jacent 1 qui peut, si l'écartement entre les doigts des peignes a été judicieusement choisi, générer une onde progressive de surface 21. La fréquence centrale des ondes émises par un transducteur interdigité est donnée par la formule (1): F=V/?, (1) où V est la vitesse de l'onde et est l'écartement entre deux doigts successifs d'un peigne.

Les ondes acoustiques de surface étant très sensibles aux perturbations extérieures, les dispositifs à ondes acoustiques de surface peuvent avantageusement être utilisés comme capteurs de ces perturbations. Des capteurs de température et de déformation mécanique 2906421 -2 peuvent notamment être réalisés. Moyennant l'adjonction d'une couche dite sensible , des capteurs de gaz peuvent également être réalisés. Les dispositifs à ondes acoustiques de surface présentent également l'avantage de 5 pouvoir être interrogés à distance, comme indiqué sur la figure 2. Une fois connectées à une antenne 2, les deux électrodes d'un même transducteur interdigité peuvent être excitées par une onde hertzienne radiofréquence 20 émise par un ensemble électronique d'interrogation à distance 3. Il est alors possible de convertir un signal hertzien en ondes acoustiques de surface 21.

10 Afin de réaliser complètement un capteur sans fil à ondes acoustiques de surface, il est nécessaire de récupérer la réponse du dispositif après excitation sous forme d'une nouvelle onde hertzienne. Pour ce faire, trois méthodes sont principalement utilisées à l'heure actuelle. La première consiste à disposer deux transducteurs interdigités en série 15 sur la surface du matériau piézoélectrique. L'onde générée se déplace du transducteur d'entrée jusqu'au transducteur de sortie où elle est à nouveau convertie en signal électrique par effet piézo-électrique inverse. Si le transducteur de sortie est également connecté à une antenne émettrice, il devient possible de réémettre la réponse du dispositif par voie hertzienne. Cette méthode est dite en transmission . Une deuxième méthode, comme 20 indiqué sur la figure 2, consiste à déposer des doigts métalliques réflecteurs 12 sur le parcours de l'onde, afin de renvoyer cette dernière vers le transducteur d'entrée. L'onde réfléchie 23 atteint le transducteur d'entrée avec un retard directement proportionnel à l'espacement entre ce transducteur et les doigts réflecteurs. Elle est alors réémise sous forme d'onde hertzienne par ce même transducteur d'entrée. Cette méthode est dite en 25 réflexion ou ligne à retard . Une troisième méthode consiste, comme illustré sur la figure 3, à disposer le transducteur au centre d'un réseau réflecteur 13. Ce dernier se comporte comme un miroir de Bragg et transforme l'ensemble composé du transducteur et du réseau en cavité résonante 4. Il devient alors possible d'exciter cette cavité résonante à l'aide d'un signal hertzien de fréquence donnée et de charger ainsi le dispositif en énergie 30 acoustique. Lorsque le signal exciteur cesse, le dispositif réémet l'énergie acoustique emmagasinée via l'antenne connectée au transducteur. Cette méthode est dite en résonateur .

2906421 3 Les méthodes 2 et 3 sont exploitées par des systèmes d'ores et déjà commercialisés. La méthode 2 est notamment utilisée dans la technologie RFID, acronyme anglais signifiant Radio Frequency Identification . La méthode 3 est notamment utilisée pour la mesure de pression dans les pneus de voiture ainsi que pour la mesure de couple 5 mécanique. Les trois méthodes nécessitent : o de déposer des éléments métalliques supplémentaires sur le parcours de l'onde acoustique de surface, ce qui augmente la probabilité d'occurrence de défauts o de soigneusement définir les paramètres des éléments métalliques supplémentaires pour en optimiser le rendement en transmission ou en réflexion (nombre de doigts, espacement, dimensions, apodization, épaisseur, nature), ce qui nécessite un important effort lors de la conception des dispositifs o de s'affranchir des échos parasites sur les parois à l'aide de dépôts absorbants, ce qui alourdit le processus de fabrication, augmente la probabilité d'occurrence de défauts et augmente le coût de revient des dispositifs 20 De surcroît, compte tenu du faible coefficient de couplage électromécanique observé dans les matériaux piézoélectriques généralement utilisés et du fait que les ondes acoustiques de surface ne sont jamais cantonnées dans le plan de surface d'épaisseur nulle mais possèdent une extension dans le volume du matériau (l'onde dite de Rayleigh génère 25 ainsi un mouvement sur une épaisseur correspondant approximativement à une longueur d'one), les éléments métalliques déposés sur la surface des matériaux interagissent peu avec les ondes acoustiques de surface et ont intrinsèquement une faible efficacité. L'invention permet de résoudre ces différents inconvénients, en utilisant les bords 30 31 ou des sillons creusés dans le substrat 32 pour réfléchir l'onde, en lieu et place des réflecteurs métalliques, comme indiqué sur la figure 4. Plus précisément, le dispositif est composé d'un transducteur interdigité disposé sur un substrat de forme rectangulaire ou plus généralement parallélépipédique. Le 10 15 2906421 4 transducteur peut être disposé au centre du substrat ou être excentré. La réflexion des ondes de surface émises par le transducteur lorsque celui-ci est alimenté par un signal radiofréquence d'origine filaire ou hertzienne est assurée par les bords du substrat ou par des sillons parallèles aux doigts du transducteur et creusés sur une profondeur h 5 correspondant idéalement à l'extension en profondeur de l'onde à réfléchir. Les bords et les parois des sillons sont idéalement perpendiculaires à la surface. Dans la configuration où le transducteur est équidistant de deux parois ou de deux sillons parallèles aux doigts comme indiqué sur la figure 5, le dispositif peut 10 avantageusement fonctionner en mode résonateur. La cavité résonante 5 est alors constituée par le substrat lui-même et les fréquences de résonance sont fixées par ses dimensions. Dans la configuration où le transducteur est excentré par rapport aux parois ou aux 15 sillons comme indiqué sur la figure 6, le dispositif peut avantageusement fonctionner en réflexion ou ligne à retard . Les ondes acoustiques de surface sont cette fois réfléchies par les bords du substrat ou par deux sillons parallèles aux doigts. Dans cette dernière configuration, le dispositif à ondes acoustiques de surface peut 20 avantageusement être interrogé par voie hertzienne dans le domaine radiofréquence, à l'aide d'un ensemble électronique spécifique pouvant générer une courte impulsion excitatrice, puis capter et traiter la réponse du dispositif. L'impulsion 24 est une excitation composée d'une enveloppe de courte durée 241 et d'un signal harmonique de fréquence définie 242 comprise dans cette enveloppe. Cette fréquence correspond idéalement à la 25 fréquence centrale du transducteur. La durée de l'excitation est typiquement de l'ordre d'une microseconde. L'impulsion donne naissance à deux trains d'ondes en phase qui se propagent en sens opposé. Une fois réfléchis par les parois, les deux trains d'ondes retournent vers le transducteur et y génèrent une réponse hertzienne. Chaque train d'onde est déphasé d'une quantité proportionnelle à la distance parcourue. Si la différence entre 30 les temps de parcours des deux échos est plus faible que la durée de l'impulsion initiale, les deux échos se superposent en partie au niveau du transducteur et y interfèrent. Ce mode de fonctionnement est dit en ligne à retard à double écho . 2906421 - 5 Avantageusement, le dispositif fonctionne dans le domaine radiofréquence ISM à 868 MHz ou 2,45 GHz, ISM étant l'acronyme anglais pour Industrial, Scientific, Medical .

5 Avantageusement, l'ensemble électronique traite la réponse du dispositif et en extrait les grandeurs pertinentes suivantes : o la différence de phase entre les deux trains d'ondes o l'amplitude relative de la vibration résultant de la recombinaison des deux trains d'ondes s'il y a lieu 10 o les temps de parcours des deux trains d'ondes En raison de l'émission simultanée des deux trains d'ondes par le transducteur, ces trois grandeurs sont indépendantes des perturbations subies par l'impulsion excitatrice tout au long de son trajet. Les variations de la fréquence d'émission des impulsions sont 15 notamment compensées. Avantageusement, l'ensemble électronique permet de mesurer la variation d'une ou plusieurs de ces grandeurs. Chacune de ces grandeurs étant modifiée lorsque le dispositif à ondes acoustiques de surface est soumis à des perturbations extérieures, la mesure de leur 20 variation par l'ensemble électronique permet d'utiliser le dispositif comme capteur de ces mêmes perturbations extérieures. Avantageusement, l'ensemble électronique (6) permet de générer des impulsions enveloppant des fréquences variables balayant un spectre correspondant typiquement à la 25 bande passante du transducteur, et permet de détecter la fréquence qui donne la réponse d'amplitude maximale. Cette dernière fréquence étant différente de la fréquence centrale donnée par la formule (1) lorsque le dispositif à ondes acoustiques de surface est perturbé, l'ensemble électronique permet d'utiliser le dispositif comme capteur de cette perturbation.

30 Avantageusement, deux transducteurs supplémentaires orientés selon trois directions faisant respectivement un angle de 45 (14) et de 90 (15) avec la direction du premier transducteur (11) sont disposés sur le substrat, comme indiqué sur la figure 7. Le substrat est idéalement découpé en forme d'octogone (7) ou des sillons sont gravés en forme d'octogone autour des transducteurs pour permettre d'encadrer chaque transducteur 2906421 -6 avec deux bords ou deux sillons parallèles à ses doigts. Cette disposition est dite en rosette . Une fois collé sur un élément déformable soumis à des contraintes mécaniques, ce dispositif permet de mesurer simultanément les déformations dans les trois directions précédemment définies, ce qui est suffisant pour connaître complètement les 5 caractéristiques de la déformation au point d'intersection des trois directions. Compte tenu des propriétés d'anisotropie des substrats piézoélectriques employés, la nature et la vitesse de propagation des ondes acoustiques de surface est fonction de la coupe cristallographique et de la direction de propagation à la surface du substrat. Compte 10 tenu de la formule (1), les trois transducteurs présentés sur la figure 7, bien qu'identiques en tout point, fonctionnent donc à des fréquences différentes. Avantageusement, cette propriété est utilisée pour discriminer les réponses fréquentielles des trois transducteurs.

15 Plus précisément, les sillons sont creusés de telle sorte que leurs parois soient le plus perpendiculaires à la surface et le plus lisse possible. Pour atteindre le plus haut degré de perpendicularité et la rugosité de surface la plus fine, une technique de gravure ionique est préférée à une attaque chimique ou à une opération de découpe à l'aide d'un fil ou 20 d'une scie diamant. La gravure ionique est effectuée selon le procédé RIE, acronyme anglais signifiant Reactive Ion Etching ou par abrasion à l'aide d'un canon ionique. Plus précisément, les bords sont soit conservés en leur état d'origine après achat soit polis afin d'en améliorer la perpendicularité et la régularité de surface. Une polisseuse- 25 rodeuse est utilisée pour effectuer ces deux opérations. Comme on l'a vu, les dispositifs à ondes acoustiques de surface peuvent être utilisés comme des capteurs très sensibles aux perturbations extérieures. Le domaine d'application de l'invention est donc celui des capteurs à ondes acoustiques de surface en 30 général, avec ou sans fil(s). Par exemple, la mesure de température, de contraintes mécaniques (déformations, pression), de masse, de gaz et de radiations. Plus précisément, le domaine d'application du dispositif dit en rosette est la mesure de déformations mécaniques.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif à ondes acoustiques de surface comprenant au moins un substrat piézoélectrique de coupe donnée et un transducteur interdigité excitateur d'ondes de surface, caractérisé en ce que le transducteur est encadré par deux bords (31) ou par deux sillons creusés directement dans le substrat (32), les bords ou les sillons étant parallèles aux doigts du transducteur.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois des bords ou des sillons sont perpendiculaires à la surface du substrat et le plus lisse possible.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sillons sont creusés dans le substrat sur une profondeur (h) au moins égale à l'extension spatiale en profondeur de l'onde de surface.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transducteur est disposé au centre du substrat ou excentré, autorisant respectivement un fonctionnement en résonance ou en ligne à retard à double écho . 20

5. Ensemble électronique d'interrogation à distance (6) comprenant au moins un premier sous-ensemble de génération de signaux radiofréquences, un second sous-ensemble de réception et de traitement de signaux radiofréquences et au moins un dispositif à ondes acoustiques de surface, caractérisé en ce que ledit dispositif est selon l'une des revendications précédentes. 25

6. Ensemble électronique d'interrogation à distance selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier sous-ensemble comprend des moyens de génération d'une impulsion courte (24) composée d'une enveloppe (241) et d'un signal harmonique de fréquence fixe ou variable (242) compris dans cette 30 enveloppe.

7. Ensemble électronique d'interrogation à distance selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second sous-ensemble comprend des moyens de comparaison des phases des deux échos reçus par le transducteur, des moyens de 2906421 8 comparaison de leur temps de parcours respectif et des moyens de mesure de l'amplitude du signal issu de la recombinaison éventuelle des deux échos.

8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que deux transducteurs 5 supplémentaires sont disposés selon des directions faisant respectivement un angle de 45 (14) et de 90 (15) par rapport à la direction du premier transducteur.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat est découpé en forme d'octogone (7), ou que les sillons sont gravés en forme 10 d'octogone, les faces de ces deux octogones étant parallèles deux à deux aux doigts des trois transducteurs.

10. Procédé de gravure des sillons, caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation d'une RIE (Reactive Ion Etching) ou d'un canon à ions.

11. Procédé de traitement de la surface des bords du dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation d'une polisseuse et d'une rodeuse .

12. Ensemble électronique d'interrogation à distance selon l'une des 20 revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il émet et reçoit des signaux radiofréquences dans la bande ISM à 868 MHz.

13. Dispositif de mesure de contraintes caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une des revendications 8 à 9. 15