Étude d’un résonateur phononique à onde de surface pour des applications de capteurs de température et de déformation

Study of a surface acoustic wave phononic resonator for temperature and strain sensors applications

• Auteur / Autrice : Sébastien Aubert
• Direction : Abdelkrim Khelif, Luc Chommeloux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microtechniques
• Date : Soutenance le 13/06/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Omar Elmazria
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkrim Khelif, Luc Chommeloux, Omar Elmazria, Emmanuel Le Clézio, Abdelkrim Talbi, Sarah Benchabane
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Le Clézio, Abdelkrim Talbi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux phononiques

Ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Capteur

Cristaux phononiques

Onde acoustique de surface

Résonateur

Sensor

Phononic crystal

Surface acoustic wave

Resonator

Résumé

Les résonateurs à ondes acoustiques de surface peuvent être utilisés en tant que capteur pour la mesure de température et de contrainte. La fonction capteur s’appuie sur l’exploitation de la variation de fréquence des résonateurs qui dépend de la variation de la grandeur mesurée. La technologie employée actuellement, à miroirs de Bragg, montre ses limites en termes de performances aux fréquences élevées (supérieures à 1 GHz).L’objectif de ces travaux fut ainsi d’étudier les possibilités et performances des cristaux phononiques. Cette technologie désigne l’ensemble des matériaux possédant des structures arrangées périodiquement permettant de contrôler la propagation des ondes élastiques. Elle constitue une alternative potentielle aux miroirs de Bragg dans un résonateur, offrant un confinement spatial omnidirectionnel et un degré supplémentaire d’optimisation.Une structure phononique à réseau carré de piliers a été numériquement et expérimentalement étudiée. Par combinaison de résonances locales et de réflexions multiples de Bragg, des bandes interdites ont pu être ouvertes et exploitées. La fréquence d’étude a été choisie à environ 450 MHz, en utilisant l’electroformage nickel pour la fabriquation des piliers. Dans cette gamme de fréquence, il a été mis en évidence des bandes interdites par le biais de caractérisations large bande. Un résonateur phononique a pu être conçu, fabriqué, et caractérisé par des mesures électriques et optiques. Un facteur de qualité d’environ 950 a été obtenu avec une réflexion quasi-totale de l’onde incidente atteinte en moins de dix périodes. Les mesures ont pu être confronté aux simulations, ce qui a notamment permis d’expliquer les phénomènes observés et les mécanismes mis en jeu.

Surface acoustic wave resonators can be used as sensors for temperature and strain monitoring. The idea is to take advantage of the variation in frequency of the resonators that depends on the measured quantity. Currently, the technology used, based on Bragg mirrors, shows its limits in terms of performance at high frequencies (above 1 GHz).The aim of this PhD thesis work was to study the potential and performance of a new technology based on the use of phononic crystals. This technology refers to periodically arranged materials, acting on acoustic waves’ propagation. Phononic crystals represent an alternative to classical Bragg mirror technology, allowing an omnidirectional spatial confinement and an additional degree of freedom for optimization.A square lattice pillar based phononic crystal was theoretically and experimentally investigated. Based on the combination of Bragg scattering and local resonances, we were able to create acoustic band gaps that could be exploited. The operating frequency considered was about 450 MHz, using nickel electroplating to fabricate pillars. In this frequency range, we demonstrated the presence of acoustic band gaps using wide band electrical characterization. A phononic resonator was designed, fabricated and characterized by electrical and optical methods. A quality factor of about 950 was obtained, with total reflection of acoustic wave reached within less than ten periods. Comparison of measurements and simulations allowed us to explain the acoustic phenomena involved.