Contribution à l'élaboration de capteurs sans-fil, opérant à très haute température (500-1000º), à base de dispositifs à ondes élastiques de surface : choix des matériaux constitutifs

Contribution to the elaboration of wireless sensors, operating at very high temperature (500-1000°C), based on surface acoustic wave devices : choice of the constitutive materials

• Auteur / Autrice : Thierry Aubert
• Direction : Omar Elmazria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/11/2010
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - Institut Jean Lamour - UMR 7198
• Jury : Président / Présidente : Pascal Tristant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Badreddine Assouar, Sylvain Ballandras, Dominique Rebière, Sergeï Zhgoon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes élastiques

Conception et construction

Effets des hautes températures

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Saw

Haute température

Capteur

Platine

Tantale

Iridium

Langasite

AlN

Saphir

Pulvérisation

Résumé

Éléments essentiels des systèmes de télécommunication depuis environ trente ans, les dispositifs à ondes élastiques de surface offrent également l'opportunité, de par leur sensibilité aux conditions environnementales et leur caractère passif, de réaliser des capteurs sans-fil autonomes (sans électronique ni source d'énergie embarquées), configuration particulièrement intéressante pour la mesure à haute température. Nos travaux se sont focalisés sur le choix des matériaux pouvant constituer de tels capteurs, au niveau des deux éléments les constituant : le substrat piézoélectrique et les électrodes métalliques. Ces dernières sont généralement constituées de platine, de par l'inertie chimique particulièrement importante de ce métal noble. Nos travaux nous ont permis d'attribuer la dégradation de ces électrodes, généralement observée aux alentours de 700°C, à un phénomène spécifique des films minces, dénommé agglomération, nous conduisant par la suite à envisager et à tester des solutions plus efficaces. En ce qui concerne le substrat, nos efforts ont porté sur la structure bicouche AlN/Saphir, prometteuse pour de telles applications, mais encore peu étudiée. Après l'optimisation des paramètres de dépôt du film mince par pulvérisation réactive magnétron, permettant d'obtenir une couche épitaxiée, nous nous sommes intéressés à la résistance à l'oxydation de l'AlN à haute température dans l'air. L'utilisation croisée de la diffraction des rayons X, de l'ellipsométrie et de la spectroscopie de masse des ions secondaires nous a permis de montrer que l'on peut envisager l'emploi de cette structure bicouche pour les applications visées à des températures allant jusqu'à 700°C

Surface acoustic waves devices are key components of telecommunication systems for more than thirty years or so. Because they are passive and very sensitive to external conditions, they also offer the possibility to make autonomous wireless sensors (electronic-less and battery-less), which could be particularly interesting in high-temperature environments. Our work was focused on the choice of materials allowing the fabrication of such sensors for both parts of the device: piezoelectric substrate and metallic electrodes. The latter are generally made of platinum because of the great chemical inertness of this noble metal. Our work allowed us to attribute their degradation, starting around 700°C on, to a phenomenon called agglomeration which is very specific to thin films. This result led us to consider and test more efficient solutions. Regarding the substrate, we mainly studied AlN/Sapphire bilayer structure, promising for such applications but not really studied yet. After the optimization of the deposition parameters of the thin film, realized by reactive magnetron sputtering, leading to the epitaxial quality, we studied the strength of AlN to oxidation under high temperature in air atmosphere. Results given by X-ray diffraction, ellipsometry and secondary ion mass spectroscopy converged to show that AlN/Sapphire structure is a good candidate for such applications at temperatures up to 700°C