Etude de la propagation des ondes élastiques de Lamb dans les matériaux composites micro/nano structurés : Application pour l’ingénierie des propriétés physiques des résonateurs électromécaniques

Lamb wave propagation in composite membranes based on micro/nano structured materials : application to resonators physical properties engineering

• Auteur / Autrice : Mohammed Moutaouekkil
• Direction : Philippe Pernod, El Houssaine El Boudouti, Abdelkrim Talbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 15/12/2018
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille en cotutelle avec Université Mohammed I (Oujda, Maroc). Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Abdellah Mir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Leticia Gimeno Monge, Youssef El Hassouani, Noama Ouchani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Badreddine Assouar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs piézoélectriques

Cristaux phononiques

Cavités résonnantes (acoustique)

Lamb, Ondes de

Ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Cristal phononique

Ondes de Lamb

Modes de cavités

Guides d'ondes

Magnéto-élastique

Modes de disque

Mode de défauts

Plaques

Phononic crystal (PhnC)

Lamb wave

Cavity resonator

Waveguides

Magneto-elastic

Disc shape modes

Defect modes

Membranes

Résumé

Le contrôle de la propagation des ondes élastiques repose principalement sur la conception de milieu artificiel à base de matériaux structurés pour obtenir une ingénierie avancée de la dispersion de la propagation. Au cours de la thèse, la dispersion du mode (S0) dans des membranes micro-structurées à base d’AlN a été numériquement investiguée et les applications qui en découlent explorées. Il est mis en évidence le lien fort entre la dispersion du mode et la sensibilité aux perturbations externes en combinant la membrane d’AlN avec une couche de SiO2 structurée en rubans. En particulier, il est montré qu’il est possible d’obtenir un TCF=0 pour les résonateurs sans presque aucune dégradation du coefficient K2. Il est montré qu’il est possible d’ouvrir des bandes interdites avec une largeur de l’ordre de 50% en structurant l’AlN sous forme de rubans ou en utilisant des piliers pour former un PhnC. Sur cette base, des designs de cavités et de guides d’ondes sont proposés et leurs performances sont étudiées en fonction des paramètres géométriques. Il est également proposé un nouveau design de cavité basé sur l’introduction d’un défaut résonant dans le PhnC sous forme de disque de dimension très petite par-rapport à la taille de la cellule élémentaire. Le défaut permet d’introduire des modes quasi-plats dans le diagramme de bande et permet en conséquence la conception d’une nouvelle génération de dispositifs phononiques robustes pour des applications en traitement du signal et capteurs. Les structures optimales sont utilisées pour la conception de capteur de champs magnétiques, une sensibilité de 5% est obtenue pour le mode localisé dans le cas d’un disque magnéto-élastique

The control of elastic wave propagation relies mainly on the design of artificial media based on structured materials to achieve advanced propagation dispersion engineering. During the thesis, the dispersion of the mode (S0) in micro-structured membranes based on AlN was numerically investigated and the resulting applications explored. The strong link between mode dispersion and sensitivity to external disturbances is highlighted by combining the AlN membrane with a layer of SiO2 structured into strips. In particular, it is shown that it is possible to obtain a TCF = 0 for the resonators without any degradation of the K2 coefficient. It is shown that it is possible to open wide band-gaps of 50% by structuring the AlN in the shape of strips or using pillars to form a PhnC. On this basis, designs of cavities and waveguides are proposed and their performances are studied according to the geometrical parameters. It is also proposed a new cavity design based on the introduction of a resonant defect with a disc shape in the PhnC and presenting very small size in comparison to the unit cell. The defect makes it possible to introduce quasi-flat modes in the band diagram and consequently allows the design of a new generation of phononic devices for signal processing and sensor applications. The optimal structures are used to design a magnetic field sensor design, a sensitivity of 5% is obtained for the localized mode in the case of defect based on magneto-elastic thin film.