Les capteurs à ondes élastiques de surface : applications pour la mesure des basses pressions et des hautes températures

par Pascal Nicolay

Thèse de doctorat en Plasmas, Optique, Electronique et Microsystèmes

Sous la direction de Omar Elmazria et de Frédéric Sarry.

Soutenue en 2007

à Nancy 1 .


  • Résumé

    La thèse traite des capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) et plus particulièrement de leur application pour la mesure des basses pressions et des hautes températures. Le premier chapitre est consacré à l’histoire des dispositifs SAW, depuis 1965. Les principes de fonctionnement des capteurs SAW sont décrits, ainsi que leurs avantages concurrentiels. La seconde partie du document concerne les outils théoriques utilisés pour la modélisation des ondes élastiques et pour la prévision de leur sensibilité aux perturbations. Des formules pour le calcul de la sensibilité à la déformation ou à la variation de température sont démontrées. Les approches de Nalamwar/Epstein et Tiersten sont toutes deux présentées pour le calcul de l’effet des déformations. La troisième partie de la thèse est consacrée à l’étude théorique et expérimentale d’un nouveau concept de capteur SAW de pression (proposé par l’auteur), pour la mesure précise du vide primaire et secondaire. Les résultats expérimentaux confirment l’ensemble des prévisions théoriques. Cette innovation a été brevetée fin 2006. Un design « ultime » de type MEMS est proposé pour maximiser les performances du capteur. Enfin, la dernière partie du document traite des capteurs SAW « wireless » passifs comme une solution prometteuse pour la mesure des hautes températures. La problématique des matériaux est abordée, ainsi que celle du calcul du TCD pour des structures bicouche. L’effet du champ de déformations généré par la dilatation thermique différente des couches est pris en compte pour améliorer la précision du calcul théorique du TCD. Cette approche est étayée par des résultats théoriques et expérimentaux.

  • Titre traduit

    Surface Acoustic Wave sensors : applications for the measurement of low pressures and high temperatures


  • Résumé

    The thesis deals with the application of SAW sensors for low pressure and high temperature measurements. The first chapter is devoted to the history of SAW devices, from 1965. The principles of SAW sensors are described, as well as their industrial and economical potentials. The second part is devoted to the theoretical tools, used to model the basic properties of elastic waves as well as their sensitivity to external disturbances. Formulas for calculating the sensitivity of devices under strain or temperature changes are inferred. The approaches of Nalamwar/Epstein and Tiersten to take into account the effect of strain fields are both presented. The third part is devoted to the study of a new SAW pressure sensor concept (suggested by the author), for the accurate measurement of primary and secondary vacuum. The experimental results confirm the theoretically predicted sensor parameters: measuring range, sensitivity, precision and response time. A patent is pending for this innovation. A more efficient MEMS-type design is elaborated to maximize the level of performances. Finally, the thesis deals with wireless passive SAW sensor as a very promising solution for measurement at high temperature. The issue of materials is discussed, as well as the classical way to calculate the Temperature Coefficient of Delay (TCD) for multilayered structures. The effect of the strain field induced in the SAW structure by the differential thermal expansion of the different layers is taken into account to improve the accuracy of TCD calculations. This original theoretical approach is supported by experimental and theoretical results.

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Informations

  • Annexes : Bibliogr.

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