Modélisation et réalisation de capteurs à ondes de plaque : apllications à la caractérisation de matériaux

• Auteur / Autrice : Franck Teston
• Direction : Marc Lethiecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Tours
• Jury : Président / Présidente : François Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Bigler, Guy Feuillard, Loïc Tessier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Perrin, André Zarembowitch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux viscoélastiques

Ondes élastiques

Piézoélectricité

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des ondes transverses horizontales sur des substrats de quartz, et les ondes de Lamb sur des céramiques et composites piézoélectriques. Ces ondes sont excitées et détectées au moyen de transducteurs à peignes interdigités, déposés à la surface d'un substrat piézoélectrique. Les applications de ces dispositifs concernent la caractérisation des propriétés viscoélastiques de liquides et polymères. En premier lieu, une méthode basée sur le concept de permittivité effective pour modéliser les fréquences propres de vibration d 'une plaque piézoélectrique en fonction des conditions aux limites électriques a été développée. Elle a été étendue au cas d 'une plaque chargée par des milieux viscoélastiques en prenant en compte les modifications des conditions aux limites mécaniques et électriques à chaque interface. Cela a permis de proposer un modèle général décrivant les interactions entre une onde acoustique se propageant dans une plaque et un film élastique, un liquide visqueux ou un matériau viscoélastique. En second lieu, des études expérimentales sont présentées. La première étape de ce travail a consisté en la réalisation de dispositifs à ondes transverses fonctionnant autour d 'une fréquence de 20 MHz sur des plaques de quartz, et en la réalisation d 'une cellule de mesure pour des applications en phase liquide. La sensibilité à la masse des capteurs a été mesurée par une technique d 'électrodéposition. Ces résultats ont été confrontés à nos calculs théoriques et à ceux de modèles existants (méthode variationnelle et méthode de perturbations): ils ont permis de valider et de confirmer l 'intérêt de notre modèle. Nous avons ensuite utilisé ces dispositifs pour réaliser des mesures de viscosité sur des mélanges aqueux de glycérol. De nouveau, notre modèle s'est avéré le plus précis pour modéliser le couplage visqueux à l'interface substrat de quartz et solutions aqueuses de glycérol. Les résultats obtenus nous ont permis de déterminer le module de cisaillement instantané du glycérol. Enfln, ces dispositifs ont été. Utilisés pour le suivi de réticulation de films polymères. A partir d'un ajustement entre les données expérimentales et les résultats théoriques, le module de cisaillement complexe (G' et G") a pu ainsi être déduit et suivi au cours du processus de réticulation. La dernière partie de notre travail a éfé consacrée à l 'étude et la caractérisation des ondes de Lamb sur substrats céramiques et composites. Piézoélectriques. Dans le cas des céramiques, les courbes de dispersion expérimentales sont en bon accord avec les courbes théoriques. Toutefois, ils montrent que ces matériaux ne présentent pas d 'avantages pour des applications en phase liquide. A l 'opposé, l'étude aussi bien théorique qu 'expérimentale réalisée sur les composites piézoélectriques de connectivité 1-3 montre 1 'intérêt et l 'originalité de leur utilisation pour la réalisation de capteurs en phase liquide, grâce au fort coefficient de couplage et à la faible atténuation du premier mode de Lamb symétrique, S0, mode jusqu 'ici très peu étudié.

In recent years, Lamb and shear horizontal (SH) acoustic waves have been increasingly studied for a wide variety of physical and chemical sensor applications, including viscoelastic characterization of polymers and liquids. Ln these applications, the acoustic waves are generated and detected by mean of interdigital transducer laid on one side of a plate. First, in order to predict the vibrating plate modes in piezoelectric medium, an approach based on the effective permittivity concept was used. Then, the plate was considered loaded by viscoelastic layers, and therefore a new effective permittivity function was defmed which take into account the modification of the mechanical and electrical boundary conditions at the interface. Therefore, a general theory of the interaction c:f acoustic waves at the interface between a piezoelectric medium and a viscoelastic layer is developed. This analysis includes mass loading, viscous and viscoelastic coupling. Secondly, a SH-APM sensor based on ST-cut quartz plate and an experimental cell for liquid applications were fabricated. The mass sensitivity of this deviee was measured by a copper electrodeposition for the two first modes at the frequencies around 15 MHz. These experimental measurements showed that our theoretical method leads to a better understanding of the mass loading compared to perturbation or variational methods. A second application concerned the determination ofthe liquid viscosity from to measure the phase and attenuation variation of the acoustic wave. Lndeed in using the theoretical mode! which take into account the Maxwell relaxation time in viscous liquids, the viscosity and the instantaneous shear elastic modulus c:f aqueous glycerol solutions can be calculated from experimental data. In the last application, the SH-APM sensors were used to study the room temperature vulcanizing polymers. A fitting between theoretical and experimental results allowed calculating the complex shear modulus during the vulcanizing process. Finally, we have studied the Lamb waves propagation in PZT ceramics and piezocomposites with 1-3 connectivity. The experimental dispersion curves have been calculated from the resonant or anti-resonant frequencies of the interdigital transducers and are a good agreement with theoretical curves. The main result concerned the piezocomposite materials, which exhibit advantageous properties for liquid sensor applications. An original feature of this work is here the used of the frrst symmetric mode So that has a strong electromechanical coupling factor, a low phase velocity and a relatively low attenuation in aqueous phase.