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
−6Torr 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
3ou 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
2, 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.
Dans le document
Les capteurs à ondes élastiques de surface : applications pour la mesure des basses pressions et des hautes températures
(Page 153-156)