Design et développement d'un capteur acoustique imprimé.

Design and development of printed acoustic sensor

• Auteur / Autrice : Rubaiyet Iftekharul Haque
• Direction : Patrick Benaben
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 20/10/2015
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE en cotutelle avec Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : TAGSYS
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Packaging et Supports Souples
• Jury : Président / Présidente : Michelle Sergent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Benaben, Michelle Sergent, Dago De Leeuw, Zine Fellah, Edsger Smits, Xavier Boddaert, Christophe Loussert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dago De Leeuw, Zine Fellah

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Systèmes d'identification par radiofréquence

Acoustique

Impression numérique

Mots clés libres

Capteur acoustique

Résonateur

Simulation numérique

Plan d’expériences

Électronique imprimée

Impression 3D

Polymère piézoélectrique

Acoustic sensor

Resonator

Numerical simulation

Design of experiment

Printed electronics

3D printing

Piezoelectric polymer

Résumé

L’objectif de ce travail était de concevoir et réaliser par impression un capteur acoustique capacitif résonant bas coût. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif de recherche intitulé « Spinnaker », défini par la société Tagsys RFID qui souhaite intégrer ce capteur afin d’améliorer la géolocalisation des étiquettes RFID. Ce travail a débuté par la conception et l’optimisation du design en utilisant la simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que des plans d’expériences (DOE : Design of Experiment). Cette première étape a permis de déterminer les paramètres optimaux et démontrer que les performances obtenues étaient conformes aux spécifications. Nous avons ensuite développé les différentes briques technologiques nécessaires à la réalisation des prototypes en utilisant conjointement l’impression 2D par inkjet et l’impression 3D. Nous avons vérifié la fonctionnalité de ces capteurs à l’aide de mesures électriques capacitives et acoustiques par vibrométrie laser. Nous avons démontré la sélectivité en fréquence des capteurs réalisés et comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus par simulation. Enfin, nous avons enfin exploré la « voie piezoélectrique » qui nous semble être une alternative intéressante au principe capacitif. En l’absence d’encre piézoélectrique commerciale imprimable par jet de matière, nous avons formulé une encre imprimable à base du co-polymère PVDF-TrFE et démontré le caractère piézoélectrique des couches imprimées. Les résultats sont prometteurs mais des améliorations doivent encore être apportées à cette encre et au procédé d’impression avant de pouvoir fabriquer des premiers prototypes.

The objective of this work was to design and fabricate a low cost resonant capacitive acoustic sensor using printing techniques. It falls within the frame of a collaborative research project named “Spinnaker”, set up by TAGSYS RFID, a French company, which has planned to integrate this sensor to improve the geolocalization of their RFID tags. This work started with the design and optimization of the sensor using finite element modeling (COMSOL) and design of experiments (DOE). This first step has enabled the identification of the optimum set of parameters and demonstrated that the output responses were in accordance with the specifications. Then, we have developed the different technological building blocks required for the fabrication of the prototypes using jointly the 2D inkjet printing technique and 3D printing method. The functionality of the sensors has been characterized using both capacitive and acoustic measurements using laser Doppler vibrometer. Experimental results showed that sensitivity and selectivity were within the specifications and in good agreement with the modeling results. Finally, we investigated the piezoelectric approach which could be an interesting option to the capacitive one. Since no inkjet printable piezoelectric ink is commercially available, stable inkjet printable polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) ink has been developed. PVDF-TrFE layers were then successfully printed and characterized. The results were quite promising, however further improvements of the ink and printing process are required before stepping towards piezoelectric based device fabrication.