Microscopie acoustique non linéaire

par Moad Essabbar

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Emmanuel Le Clézio et de Gilles Despaux.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Capteurs, Composants et Systèmes (equipe de recherche) depuis le 15-10-2017 .


  • Résumé

    La microscopie acoustique est une technique d'imagerie haute résolution des propriétés mécaniques de matériaux. Appliquée à la caractérisation ou au contrôle de matériaux biologiques ou industriels, elle permet, entre autres, d'identifier, à l'échelle micronique, des hétérogénéités internes de matériaux complexes (muscles, os, composants microélectroniques, alliages métallurgiques complexes, combustible nucléaire). L'équipe M2A de l'Institut d'Electronique et des Systèmes (UMR 5214 CNRS, Université de Montpellier) est l'une des équipes de référence au niveau mondial dans le développement de systèmes de microscopie acoustique. Elle a, en particulier, contribué à l'étude de la dégénérescence musculaire dans le cadre de la myopathie de Duchenne ou au développement de dispositifs d'imagerie autorisant un contrôle de pièces post-irradiationet contribuant ainsi à la réduction des déchets nucléaires. Le doctorat vise au développement d'une instrumentation multi-fréquence et, en particulier, au capteur afférent permettant simultanément le contrôle d'un matériau par plusieurs fréquences ultrasonores. Le dispositif développé permettra, en temps réel, d'imager un matériau à des résolutions complémentaires autorisant une analyse multiéchelle ou une approche non linéaire permettant de mettre en évidence des modifications subtiles des milieux. Des technologies similaires existent actuellement dans le domaine médical (sonde ultranosore pour le cancer de la prostate ou imagerie harmonique) à des fréquences de l'ordre de la dizaine de MHz. La présente étude vise au développement d'outils très haute résolution dont les fréquences de fonctionnement sont supérieures à la centaine de MHz. Ils possèderont des résolutions de l'ordre du micromètre permettant d'imager des phénomènes fondamentaux tant biologiques qu'industriels à des échelles non encore accessibles. Le projet proposé s'appuie sur l'ensemble des compétences de l'équipe M2A qui développe, depuis plus de trente ans des systèmes d'imagerie haute résolution. Les verrous scientifiques de cette étude sont de plusieurs ordres. Développée au sein de la centrale de technologie de l'Université de Montpellier et de l'Institut d'Electronique et des Systèmes, la réalisation du capteur ultrasonore devra tout d'abord prendre en compte, dès sa conception, la complexité de mise en œuvre induite par la présence de matériaux actifs de caractéristiques électromécaniques et géométriques potentiellement différentes. Dans un second temps, une instrumentation électronique multi-fréquence synchronisée devra être réalisée conjointement à la modélisation du rayonnement du capteur. Ces deux points permettront de réaliser des expérimentations novatrices autorisant l'étude multiéchelle et/ou non linéaire de matériaux complexes biologiques et industriels. Le doctorant s'intégrera au sein de l'équipe Matériaux, Microcapteurs et Acousique (M2A) de l'Institut d'Electronique et des Systèmes et bénéficiera de l'expertise de ses membres et des moyens scientifiques associés. En particulier, le groupe M2A regroupe une trentaine de membres afin de proposer un projet autorisant la réalisation et la mise en œuvre de systèmes de mesure complexes. Les expertises complémentaires des différents membres concernent les micro-capteurs. Le groupe M2A maîtrise la synthèse de matériaux fonctionnels, leur caractérisation et leur intégration au sein de (micro- et macro-)dispositifs, nécessairement basées sur l'analyse des phénomènes multi-physiques et multi-échelles contraignant la conception et l'interaction de dispositifs avec un milieu ou un matériau. Ces compétences sont renforcées par le développement propre d'une électronique associée et du traitement du signal autorisant une évaluation ou un contrôle. La force du groupe réside dans la maîtrise de l'intégralité des étapes essentielles de conception et de réalisation de capteurs.

  • Titre traduit

    Nonlinear acoustic microscopy


  • Résumé

    Acoustic microscopy is a high-resolution technique allowing the imaging of the mechanical properties of materials. Applied to the characterization or control of biological or industrial materials, it allows, among other things, to identify, on a micron scale, internal heterogeneities of complex materials (muscles, bones, microelectronic components, complex metallurgical alloys, nuclear fuel). The M2A team of the Institute of Electronics and Systems (UMR 5214 CNRS, University of Montpellier) is one of the world's leading teams in the development of acoustic microscopy systems. In particular, it has contributed to the study of muscle degeneration in the context of Duchenne muscular dystrophy or to the development of imaging devices allowing post-irradiation control of fuel and thus contributing to the reduction of nuclear waste. The aim of the PhD is to develop a multi-frequency instrumentation and, in particular, the sensor allowing simultaneous control of a material by several ultrasonic frequencies. The device will allow imaging, in real time, a material at complementary resolutions allowing a multi-scale analysis or a nonlinear approach allowing identification of subtle modifications of the media. Similar technologies currently exist in the medical field (ultrasound probe for prostate cancer or harmonic imaging) at frequencies of the order of ten MHz. The present study aims at the development of very high-resolution tools with operating frequencies greater than 100 MHz. They will have resolutions of the order of a micrometer allowing the imaging of fundamental phenomena both biological and industrial at scales not yet accessible. The proposed project builds on the expertise of the M2A team, which has been developing high-resolution imaging systems for more than 30 years. The scientific difficulties of this study are of several kinds. Developed within the technology center of the University of Montpellier and the Institute of Electronics and Systems, the realization of the ultrasonic sensor must first take into account, from its conception, the complexity of implementation induced by the presence of active materials with potentially different electromechanical and geometric characteristics. In a second step, synchronized multi-frequency electronic instrumentation will have to be developed in conjunction with the modeling of the radiation of the sensor. These two points will make it possible to carry out innovative experiments allowing the multi-scale and / or nonlinear studies of complex biological and industrial materials. The doctoral student will join the Materials, Microsensors and Acoustics (M2A) team of the Institute of Electronics and Systems and will benefit from the expertise of its members and the associated scientific resources. In particular, the M2A group brings together some thirty members to propose a project authorizing the realization and implementation of complex measurement systems. The additional expertise of the various members concerns micro-sensors. The M2A group has mastered the synthesis of functional materials, their characterization and their integration within (micro- and macro-) devices, necessarily based on the analysis of multi-physical phenomena and multi-scale constraining the design and interaction of devices with a medium or a material. These skills are reinforced by the development of an associated electronics and signal processing for evaluation or control. The strength of the group lies in the mastery of all the essential stages of design and realization of sensors.