Protocole expérimental

Pour la caractérisation, nous allons mesurer les déplacements normaux des ondes de surface directement sur le niobate de lithium. Ils existent plusieurs méthodes de détection optique pour effectuer cette étude [Deboucq 12]. Nous utilisons pour notre cas la détection interférométrique à l’aide de l’UHF 120 (figure 4-24). Les ondes de surface sont générées par le transducteur, ensuite, les ondes sont détectées à l’aide de l’UHF 120 qui mesure les déplacements normaux engendrés par ces ondes (figure 4-23).

(a) ^(b)

Figure 4-23 : Point de détection pour les mesures interférométriques avec l’UHF 120

Ce nouveau type d'interféromètre laser de Polytec ultra haute fréquence peut mesurer les déplacements normaux des ondes de surface à des fréquences très élevées (jusqu'à 1,2 gigahertz). Le fonctionnement est basé sur le principe de l’interférence optique, qui consiste à mesurer le déphasage du faisceau laser réfléchi introduit par le déplacement normal à la surface de l'échantillon.

Nom fo(MHz) D Wa(mm) a (µm) p (µm) λ (µm) C40 40 50 2,5 25 50 50

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Figure 4-24 : Interféromètre UHF 120

Le système se compose d'un interféromètre hétérodyne avec un contrôleur. La tête optique fournit un signal hétérodyne via un oscilloscope numérique. Le signal détecté est digitalisé puis transféré à un PC où le porteur hétérodyne est démodulé par le logiciel fourni par Polytec [Polytec 14]. Il est à noter que nous disposons de cet équipement depuis mars 2015. Précédemment, nous utilisons une sonde SH140 imitée à 45 MHz.

Le système est doté d'une passerelle pour régler la densité de luminosité et pour réduire au minimum le transfert d'énergie depuis le faisceau de mesure jusqu'à à la structure mesurée. En complément, une caméra intégrée commande la zone à mesurer utilisant le champ lumineux du microscope [Polytec 14].

Génération des signaux d’excitation pour la caractérisation acoustique

Pour générer les différents signaux d’excitation de type «burst» et Chirp, nous utilisons le microcontrôleur MB86064 14-bit fabriqué par Fujitsu Microelectronics Europe (FME) (figure 4-25). Il permet la Conversion Numérique-Analogique avec un taux de 1,3GSa/s.

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La carte peut fonctionner jusqu’à 125 MHz, elle est pourvue de 2 voies synchrones avec 16000 points programmable sur chacune. Les figures 4-26 et 4-28 représentent les signaux programmables et utilisés pour la caractérisation des champs de déplacement générés par les capteurs IDT. La figure 4-27 représente l’excitation impulsionnelle utilisée à l’aide d’un générateur impulsionnel, notons que le spectre de l’excitation impulsionnelle n’est pas plat.

Figure 4-26 : Excitation de type «burst » (40 MHz) de 10 sinusoïdes (a) signal temporel (b) spectre

Figure 4-27 : Excitation impulsionnelle de durée 4 ns (a) signal temporel (b) spectre

Figure 4-28 : Excitation de type chirp (20 - 125 MHz) de durée 1µs (a) signal temporel (b) spectre

Notons que la distorsion du chirp d’excitation est provoquée par un défaut de linéarité de l'amplificateur en sortie de la carte (figure 4-28). Le gain de l’amplificateur est fonction de la fréquence du signal d’entrée.

Dans la suite nous allons mesurer les déplacements normaux des ondes de surface pour différentes types d’excitations. Nous comparons ensuite les mesures aux résultats de simulation obtenus par éléments-finis (Comsol) et par la méthode DREAM.

4.3.2.2 Excitation de type «burst»

Nous avons imposé une excitation de type « burst » de fréquence 40 MHz comportant 20 sinusoïdes pour une valeur d'amplitude de tension crête à crête de 40 V. Ensuite, nous avons comparé les résultats des déplacements normaux de l’onde de surface générée par IDT à la fois par éléments finis

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et expérimentalement (mesure interférométrique) mais aussi les déplacements obtenus avec la méthode DREAM. Les figures 4-29 et 4-30 donnent l'allure respectivement de l’amplitude et du spectre des déplacements correspondant.

(a) (b)

(c)

Figure 4-29 : Réponse temporelle en déplacement du capteur 40 MHz pour une excitation de type «burst» (40 MHz-20 sinusoïdes) a) DREAM b) Comsol c) Mesure

(a) (b)

(c)

Figure 4-30 : Réponse fréquentielle en déplacement du capteur 40 MHz pour une excitation de type «burst» (40 MHz-20 sinusoïdes) a) DREAM b) Comsol c) Mesure

Nous observons que l’enveloppe des signaux est la même, les amplitudes des champs de déplacement obtenues sont d’environ 6 nm, l’écho observé sur les mesures et la modélisation avec Comsol est dû aux réflexions inter-électrodes, que nous n’avons pas intégré dans la modélisation avec la méthode DREAM.

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Le tableau 4-18 compare les bandes passantes des spectres obtenues par mesure et par modélisation.

Capteur BP (MHz) (DREAM) BP (MHz) (Comsol) BP (MHz) (Mesure) C40 1,1 1,1 1,1

Tableau 4-18 : Bande passante du capteur 40 MHz pour une excitation de type «burst» (40 MHz-20 sinusoïdes)

Les bandes passantes à -3 dB obtenues sont égales à 1,1 MHz. Influence du nombre de sinusoïdes (durée du « burst »)

Nous avons aussi étudié l’influence du nombre de sinusoïdes, nous avons imposé une excitation de type « burst » de fréquence 40 MHz avec pour une valeur d'amplitude de tension crête à crête de 40 V comportant respectivement 1, 10, 20, et 40 nombres de sinusoïdes. Les figures 4-31 et 4-32 comparent respectivement les déplacements et les spectres obtenus par mesure et par modélisation.

«burst» d’1 sinusoïde «burst» de 10 sinusoïdes

«burst» de 20 sinusoïdes «burst» de 40 sinusoïdes

Figure 4-31 : Comparaison des réponses temporelles en déplacements de l’onde de surface (Modélisation DREAM (rouge) / Mesure (vert)) en fonction du nombre de sinusoïdes du « burst » d’émission (1, 10, 20, 40)

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«burst» d’1 sinusoïde «burst» de 10 sinusoïdes

«burst» de 20 sinusoïdes «burst» de 40 sinusoïdes

Figure 4-32 : Comparaison des réponses fréquentielles en déplacements (Modélisation DREAM (rouge) / Mesure (vert)) de l’onde de surface en fonction du nombre de sinusoïdes du « burst » d’émission (1, 10, 20, 40)

Le tableau 4-19 compare les bandes passantes des spectres obtenues en fonction du nombre de sinusoïdes du « burst » d’émission (1, 10, 20, 40).

Capteur Nombre de sinusoïdes BP (MHz) -3 dB (DREAM) BP (MHz) -3 dB (Comsol) BP (MHz) -3 dB (Mesure) C40 1 1,5 1,4 1,6 10 1,3 1,4 1,3 20 1,1 1,1 1,1 40 0,7 0,7 0,7

Tableau 4-19 : Bande passante du capteur 40 MHz en fonction du nombre de sinusoïdes du « burst » d’émission (1, 10, 20, 40)

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Nous observons que le maximum d’amplitudes est obtenu lorsque nous imposons une impulsion dont le nombre de sinusoïdes est supérieur ou égale à 20. Le nombre de sinusoïdes qui compose le « burst »

d’excitation doit donc être égale ou supérieur au nombre de paires de doigts du capteur IDT .

Le spectre des déplacements dépend du nombre de sinusoïdes du « burst ». Pour 1, 10, 20, 40 sinusoïdes, les bandes passantes mesurées sont respectivement de 1,6 ; 1,3 ; 1,1 et 0,7 MHz.

4.3.2.3 Excitation impulsionnelle

Nous avons excité le capteur avec une impulsion de durée τ=4 ns et d’amplitude 100 V, puis nous avons comparé les résultats des déplacements normaux de l’onde de surface obtenus par éléments finis, DREAM et par mesure interférométrique. Les figures 4-33 et 4-34 donnent l'allure respectivement de l’amplitude et le spectre des déplacements. Notons que les signaux a et b ont été représentés dans le chapitre 3, ils ont été reportés ici pour mieux les comparer avec les mesures.

(a) (b)

(c)

Figure 4-33 : Réponse temporelle en déplacement du capteur 40 MHz pour une excitation impulsionnelle a) DREAM b) Comsol c) Mesure

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(c)

Figure 4-34 : Réponse fréquentielle en déplacement du capteur 40 MHz pour une excitation impulsionnelle a) DREAM b) Comsol c) Mesure

Le tableau 4-20 compare les bandes passantes des spectres obtenues par mesure et par modélisation.

Capteur BP (MHz) (DREAM) BP (MHz) (Comsol) BP (MHz) (Mesure) C40 1,5 1,46 1,5

Tableau 4-20 : Bande passante du capteur 40 MHz pour une excitation impulsionnelle

Nous observons que l’amplitude des déplacements est assez faible soit environ 0,4 nm. La bande passante obtenue est de 1,5 MHz.