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hydrosta-tique absolue et de mesure thermique relative à la pression et à la conductivité d’un gaz,

il est possible d’utiliser le dispositif pour étudier, à pression constante, la conductivité

thermique d’un gaz ou d’un mélange donné. Cette valeur est justement extraite de la

pro-cédure d’autocalibration du capteur, évoquée plus haut.

Il est donc envisageable de réaliser un capteur ’sept en un’, regroupant des

fonc-tions de mesure de pression, de température, de conductivité thermique, d’humidité,

de vapeurs, de débit et d’ATD. Il pourrait s’agir d’un capteur utilisant un seul élément

sensible pouvant basculer d’un mode à l’autre, ou au contraire d’une matrice de capteurs

SAW spécialisés chacun sur une fonction particulière. Une matrice SAW permettrait de

conduire plusieurs analyses en parallèle et de fournir des informations à haute valeur

ajou-tée sur le gaz environnant. La structure MEMS SAW-Pirani présenté sur la figure (4.25)

pourrait elle-aussi présenter des avantages. Une lame encastrée peut en effet se déformer

sous l’effet d’une force (accéléromètre) ou vibrer à une certaine fréquence propre. La

va-riation de cette fréquence sous l’action d’un gaz peut notamment conduire à la mesure de

sa viscosité. Rappelons également qu’un tel dispositif pourrait être interrogé à distance...

Un dispositif MEMS SAW-Pirani pourrait donc posséder de nombreuses

fonction-nalités, en plus de la seule mesure de pression. L’un des objectifs des travaux à venir est

justement de tester la faisabilité de ces diverses fonctions, combinées dans un seul capteur.

4.5 Perspectives

La faisabilité technique du capteur SAW-Pirani pour la mesure précise de pression à

basse pression est désormais démontrée. L’objectif est maintenant de développer un

pre-mier capteur industriel et commercialisable à partir des résultats obtenus en laboratoire et

des ’recettes’ de conception proposées. Cette étape nécessite des études complémentaires

et systématiques pour caractériser complètement les performances de l’élément SAW :

sensibilité et précision limite dans chaque sous-gamme de pression (du vide secondaire

à la pression atmosphérique), incertitude de mesure, temps de réponse, dérive,

vieillisse-ment et reproductibilité des mesures. Il s’agit égalevieillisse-ment de tester le fonctionnevieillisse-ment du

capteur en conditions réelles et d’apporter des solutions aux divers problèmes susceptibles

de se poser. Il faut, enfin, concevoir un capteur aux performances maximales, répondant

aux impératifs de coût, d’encombrement, de connectique, d’alimentation et

d’industriali-sation fixées par la société Alcatel Vacuum Technology. La partie conception du capteur

et test en conditions réelles n’est pas du ressort du LPMIA. Ces deux aspects seront donc

sous-traités. Le laboratoire concentrera ses efforts sur la caractérisation des performances

de l’élément sensible et sur l’interprétation théorique des résultats. Les chercheurs du

LP-MIA travailleront également sur la conception des futurs capteurs SAW-Pirani MEMS

intelligents, décrits dans les paragraphes précédents.

Les travaux de caractérisation à venir nécessitent d’améliorer le banc de test. Un

en-semble de pompage et de mesure du vide secondaire est d’ores et déjà venu

complé-142 Capteur SAW de pression

ter l’installation. Cet ensemble se compose d’une pompe turbomoléculaire ADP 5011 et

d’une jauge de pression combinée (Pirani et jauge à cathode chaude). Il est opérationnel

depuis le mois de mars 2007 (voir figure 4.42). Les premiers tests ont permis d’atteindre

une pression de 8.10

−6

Torr dans l’enceinte. Il faudra également mettre au point un

dis-positif permettant le contrôle très précis et automatisé de la pression. Ce disdis-positif sera

vraisemblablement constitué d’une vanne microfuite et d’un ou plusieurs contrôleurs de

flux (’mass flow’) ou électrovannes.

Pompe turbomoléculaire

Jauge Pirani/Cathode chaude

F

IG

. 4.42 – Banc de test pour les dispositifs SAW-Pirani à venir... Vue générale.

Cette étape de développement industriel a fait l’objet d’une demande de financement

ANR, acceptée au mois de juillet 2007. Un consortium industriel et scientifique a été

monté autour du projet. Les partenaires sont : le LPMIA, la société ADIXEN, le

CEA-Leti et la société Senseor. La société Doerler Mesures est également associée au projet, en

tant que prestataire de services.

Chapitre 5

Capteur SAW pour la mesure des très

hautes températures

5.1 En guise d’introduction

Le présent chapitre est consacré aux développements réalisés dans le cadre du contrat

CIFRE de l’auteur, dans le domaine des capteurs SAW pour la mesure des hautes et très

hautes températures. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’un projet de développement

de capteurs SAW ’Haute Température’ pour la société ARCELOR Research.

Le développement de capteurs SAW pour la mesure des hautes températures n’est

pas une tâche facile, mais n’en reste pas moins une voie de recherches très prometteuse.

En cas de succès, les retombées économiques pourraient être très importantes. Grâce à

la combinaison originale de quatre propriétés fondamentales que sont une grande

robus-tesse sur une large gamme de température, une petite taille, la capacité d’être interrogés

à distance et l’absence d’électronique embarquée, le nombre d’applications industrielles

(potentielles) des capteurs SAW ’haute température’ est en effet très important. Des

appli-cations sont notamment envisagées dans le domaine automobile, le nucléaire, l’industrie

minière et pétrolière ainsi que, bien sûr, dans la sidérurgie.

L’une des problématiques principales pour le développement de capteurs SAW ’haute

température’ réside dans le choix ou la mise au point des constituants de base de l’élément

sensible du capteur. Bien que des matériaux aujourd’hui bien connus comme le LiNbO

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ou le langasite se sont révélés bien adaptés pour des mesures à haute ou même très haute

température, ils n’en rencontrent pas moins de grandes limitations pour fonctionner en

milieu sévère durant un grand laps de temps ou pour opérer à haute fréquence et

obte-nir ainsi une grande précision. L’une des voies les plus prometteuses pour résoudre ces

deux problèmes pourrait être, comme nous le verrons plus loin, l’emploi de structures

bi-couche de type AlN/Diamant ou AlN/Saphir. Bien que les structures bibi-couche présentent

de nombreux avantages (robustesse, K

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, fonctionnement à très haute fréquence...), de

nouveaux problèmes se posent en raison justement de leur structure particulière. La

dilata-tion thermique différente des deux couches génère notamment des champs de contraintes

qui peuvent influencer de façon significative le TCD de la structure.

144 Capteur SAW de température

Le chapitre 5 est divisé en 2 parties. La première partie dresse un état de l’art

com-paratif des capteurs de température. La pertinence des capteurs SAW pour l’application

ARCELOR y est démontrée (mesure à distance et à très haute température en présence de

gaz chauds qui interdisent le recours à la pyrométrie classique). Un extrait du cahier des

charges de l’étude ARCELOR est fourni, à titre indicatif. La seconde partie est consacrée

à l’étude des matériaux de base pour la fabrication de capteurs SAW ’haute

températu-re’. On y traitera notamment du problème de calcul du TCD des structures bicouche, qui

requiert la prise en compte des champs de contraintes générées par la dilatation

diffé-rentielle des matériaux en présence. On y présentera également les résultats d’une étude

comparative des coefficients en température de l’AlN.