Caractérisation par ondes acoustiques des surfaces fonctionnalisées

par Nadine Saad

Thèse de doctorat en Électronique. Acoustique et télécommunications

Soutenue le 28-09-2012

à Valenciennes en cotutelle avec École Doctorale des Sciences et de Technologie (Beyrouth) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) (laboratoire) , Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES)) et de Institut d'électronique- de microélectronique et de nanotechnologie / IEMN (laboratoire) .


  • Résumé

    La fonctionnalisation des surfaces permet d’en modifier leur comportement vis-à-vis des propriétés physico-chimiques de fluides. Nous avons restreint notre étude à la caractérisation par méthode acoustique des interfaces microstructurées silicium-fluide pour lesquelles une gravure physique d’un réseau de piliers de petites dimensions a été réalisée. Les propriétés de ces interfaces vis-à-vis des liquides dépendent de la géométrie des gravures, des propriétés du fluide et des conditions d’interaction du fluide avec la surface. Notre objectif a été de confronter des modèles de comportement en terme de mouillabilité de ces surfaces aux mesures des coefficients de réflexion des ondes ultrasonores. Une première étape du travail a consisté à modéliser le coefficient de réflexion d’une onde ultrasonore incidente sur une surface microtexturée en fonction de l’état du liquide sur la surface. Deux états physiques caractéristiques ont étés étudiés : l’état où le liquide reste au sommet des piliers (état Cassie) et celui où le liquide pénètre dans le réseau de piliers (état Wenzel). Deux modèles numériques ont été développés : le premier repose sur la modélisation par éléments finis utilisant COMSOL MULTIPHYSICS et le second modèle numérique utilise une méthode explicite aux différences finies.La technique expérimentale est fondée sur une méthode de mesure du coefficient de réflexion électrique d’un transducteur ultrasonore haute fréquence à l’aide d’un analyseur de réseau, qui permet après traitement d’en déduire le coefficient de réflexion à l’interface.Les résultats originaux obtenus démontrent qu’une onde acoustique de compression est sensible à l’état d’un liquide sur une surface microtexturée.


  • Résumé

    Surfaces functionalization can change the wetting properties of the surface depending on the physico-chemical properties of fluids. We restricted our study to the characterization by acoustic method of microstructured silicon-fluid interfaces for which a physical etching of a network of small pillars was achieved. The properties of these interfaces depend on the geometry of the etched microtextures, the fluid properties and the interaction between the fluid and the surface. Our objective was to compare modeling and measurements of reflection coefficients of ultrasonic waves at theses interfaces. A first stage of work was to model the reflection coefficient of an ultrasonic wave incident on a microtextured surface depending on the state of the liquid on the surface. Two specific physical states have been studied: The state where the liquid remains at the top of the pillars (Cassie state) and when the liquid penetrates in the network of pillars (Wenzel state). Two numerical models were developed: one basedon finite element modeling using COMSOL Multiphysics and the second numerical model uses an explicit finite difference method. The experimental technique is based on a method measuring the electrical reflection coefficient ofan ultrasonic transducer according to the frequency using a high frequency network analyzer. Signal processing allows deducing the reflection coefficient at the interface. The original results obtained demonstrate that an acoustic compression wave is sensitive to the state of a liquid on a surface microtextured.


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