Développement de capteurs IDT spécifiques à large bande passante pour la caractérisation des

On pourrait s’interroger sur l’intérêt d’utiliser des capteurs larges bandes et hautes fréquences, c’est un point essentiel dans le cadre de cette thèse. En effet pour la caractérisation des couches minces nous nous intéressons à la dispersion des ondes de surface, en d’autres termes nous cherchons à déterminer les variations des vitesses de phase des ondes de surface de type Rayleigh dans des structures de type couche sur substrat.

Compte tenu des précisions de mesure et des méthodes d’inversion, il est nécessaire d’avoir une variation de vitesse suffisante pour obtenir des caractéristiques (épaisseur, E, υ) avec des précisions acceptables.

Pour illustrer ceci prenons par exemple deux courbes de dispersion (figures 1-28 et 1-29) obtenues à partir d’un matériau de type couche sur substrat (500 nm d’or sur substrat de silice). Pour une analyse sur une bande de fréquences allant de 0 à 10 MHz (comme on pourrait le faire avec des capteurs à coin), nous pouvons observer une variation de la vitesse de phase 60 m/s. Par contre en augmentant la bande de fonctionnement des capteurs jusqu’à 120 MHz, la variation en vitesse passe de 60 m/s à 750 m/s. La caractérisation de la couche et du substrat devient alors possible (figure 1-29).

Figure 1-28 : Exemple de courbe de dispersion dans la bande 0 – 10 MHz obtenue à partir d’un matériau de

type couche sur substrat

Figure 1-29 : Exemple de courbe de dispersion dans la bande 0 – 120 MHz obtenue à partir d’un matériau de

type couche sur substrat

Dans une étude précédente [Deboucq 12], il a été montré que les capteurs IDT convenaient pour générer des SAW sur une large gamme de fréquence. Toutefois il avait été choisi de privilégier des capteurs IDT à bandes étroites ce qui imposait de concevoir et d’exploiter un capteur par point de mesure (pour une fréquence donnée). Afin de limiter les temps de réalisation et les temps de mesure lorsqu’on travaille sur une large gamme de fréquences, nous avons choisi de développer et de réaliser des capteurs larges bandes afin d’obtenir une multitude de valeurs de vitesses sur toute la bande de fonctionnement avec un seul capteur.

Si nous utilisons que des capteurs à bandes étroites afin de couvrir la bande 0 à 120 MHz, il faut réaliser un grand nombre de capteurs à bandes étroites de fréquences allant de 0 à 120 MHz alors

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qu’un ou deux capteurs larges bandes pourraient convenir. Pour illustrer ceci, nous montrons avec les figures 1-30 à 1-33 les capteurs et leurs réponses en fréquence.

Figure 1-30 : Multitude capteurs à bande étroite

Figure 1-31 : Un capteur à large bande

Figure 1-32 : Réponse en fréquence de la résistance d’une multitude de capteurs à bande étroite

Figure 1-33 : Capteur à large bande et réponse en fréquence

Dans la suite, nous allons présenter quelques exemples de configuration de transducteurs interdigités fonctionnant à large bande mais aussi leurs avantages et inconvénients pour les applications visées. Il est à noter que les différentes configurations pour obtenir des IDT larges bandes ont été proposées dans le cadre des développements des filtres à ondes de surface.

1.7.1 Slanted-Finger IDTs (SFIT)

Ce type de configuration est apparu à la fin des années 70 notamment pour la réalisation de filtre FI à larges bandes de fréquences [Potter 79] (figure 1-34). Le principe de fonctionnement repose sur l’inclinaison des électrodes, cette inclinaison a pour but de faire varier la périodicité des électrodes. Les fréquences des ondes émis sont directement dépendantes des périodes correspondant aux différents « j^th strip » [Campbell 98].

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0 50 100 fréquence f (MHz) ré si sta nce (Oh m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100 110 120 130 140 150 0 50 100 fréquence f (MHz) ré si sta nce (Oh m )

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Figure 1-34 : Configuration d’IDT à électrodes inclinés [Campbell 98]

L’angle maximal d’inclinaison dépend du type de matériau piézoélectrique utilisé, pour le LiNbO3 par exemple il ne doit pas dépasser ± 7° [Campbell 98]. La fonction de transfert du dispositif est donné par : ( ) ∑ ( ) ^{( ( ) )} ( ) Eq 1-54 Avec :

Np : nombre de paires de doigts ;

Aj : amplitude fonction de la période « jth strip »;

fj : fréquence de résonance fonction de la période « jth strip »;

Ce type de configuration a permis de réaliser des capteurs en milieu biologique pour la détection de particules [Wu 05] [Ding 12]. Toutefois cette répartition spatiale des fréquences en fonction de la largeur progressive des électrodes n’est pas adaptée à notre recherche de la dispersion des vitesses de phase. En effet, notre estimation des vitesses est basée sur une succession de mesures interférométriques en plusieurs points suivant l’axe du capteur IDT afin de sonder la zone centrale des échantillons. Nous ne retiendrons donc pas ce type de configuration dans la suite de notre étude.

1.7.2 Multiple Frequency Resanator (MFR)

Ce type de configurations consiste à connecter plusieurs groupes d’IDT dont les fréquences de fonctionnements sont différentes (figure 1-35) [Ricco 93]. La somme des contributions de chaque groupe d’IDT permet d’obtenir un capteur large bande.

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Figure 1-35 : Configuration de groupes d’IDT

Pour ce type de configuration, le nombre de groupes d’IDT doit rester limité pour garder des tailles raisonnables (longueur du capteur) et dans ces conditions seules quelques fréquences de résonance sont privilégiées ce qui ne permet pas d’obtenir la bande passante continue comme présentée sur la figure 1-33.

1.7.3 Capteurs de type chirp : up-chirp et down-chirp

Les capteurs chirp permettent d’obtenir des capteurs large bande. Ils sont considérés comme des transducteurs dispersifs [Campbell 98] [Royer 99]. La variation de la périodicité des doigts des électrodes induit cet effet dispersif cela veut dire que la fréquence de résonnance change en fonction de la périodicité. Selon la disposition des électrodes, on distingue deux configurations de capteurs chirp, si la périodicité des électrodes est telle que les basses fréquences sont devant, on parle de up chirp dans le cas contraire on parle de down chirp (figure 1-36).

a b

Figure 1-36: Capteur chirp a) up chirp b) down chirp (HF pour les hautes fréquences et BF pour les basses fréquences)

Pour la suite de l’étude, nous nous intéresserons plus particulièrement à ce type de capteurs.

CONCLUSION

Dans ce chapitre nous avons présenté l’intérêt des couches minces et nous avons décrit les principales méthodes utilisées pour la caractérisation de ces couches. Ensuite, puisque nous exploiterons la dispersion des ondes de surface pour caractériser des couches minces, nous avons rappelé les équations de propagation des ondes de Rayleigh sur un substrat anisotrope et piézoélectrique mais aussi dans les matériaux de type couche sur substrat. Après avoir effectué, dans la seconde partie de ce

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chapitre, l’historique détaillé des dispositifs à ondes de volume et de surface, nous avons décrit le principe de fonctionnement des transducteurs interdigités et les critères de choix du matériau piézoélectrique qui joue un rôle déterminant sur les caractéristiques finales des ondes de surface de type Rayleigh qui vont être engendrées par ce type de transducteurs. Nous avons ensuite montré les avantages qu’offrent les capteurs interdigités larges bandes pour la caractérisation et le CND. L’étude faite notamment sur les effets secondaires est aussi importante pour l’application visée. Nous devrons tenir compte de tous ces éléments afin de mieux aborder le chapitre suivant où nous effectuerons la modélisation électrique des capteurs IDT. Cette modélisation permettra de prévoir et de caractériser le comportement des ondes de surface de type Rayleigh générées par les capteurs IDT pour différents types d’excitations.