Développement de capteurs interdigités à ondes acoustiques de surface pour l'estimation de l'humidité dans des structures en béton

Development of surface acoustic wave interdigitated sensors for humidity estimation in concrete structures

• Auteur / Autrice : Saliou Ndao
• Direction : Christian Courtois, Marc Duquennoy, Mohammadi Ouaftouh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et lasers. Physico-chimie. Atmosphère
• Date : Soutenance le 13/02/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux céramiques et procédés associés (Maubeuge, Nord ; 1998-2021) - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Vertruyen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Courtois, Marc Duquennoy, Mohammadi Ouaftouh, Samuel Bernard, Frédéric Sarry, Marc Debliquy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Samuel Bernard, Frédéric Sarry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Transducteurs ultrasonores

Ondes acoustiques de surface

Béton réfractaire

Mots clés libres

Capteur ultrasonore

Capteur IDT

Capteur SAW

Capteur d’humidité

Couche de silice

Couche de PVA

Transducteur interdigité

Caractérisation ultrasonore

Ultrasonic sensor

IDT sensor

SAW sensor

Humidity sensor

Silica layer

PVA layer

Surface wave

Interdigital transducer

Ultrasonic Characterization

Résumé

Dans ce travail, nous avons développé des capteurs ultrasonores interdigités (IDT) d’humidité exploitant des ondes acoustiques de surface (SAW) de type Rayleigh. Ces capteurs SAWIDT sont destinés à suivre d’une part l’humidité ambiante dans les bétons du génie civil et d’autre part, le monitoring du séchage des bétons réfractaires à haute température (jusqu’à 450°C). Dans ce dernier cas, une évaporation brusque de l’humidité résiduelle lors d’une première mise en œuvre conduit à un endommagement de la structure d’où l’intérêt de s’assurer de l’absence d’humidité en fin de séchage de la structure. Ces deux applications imposent de développer de nouveaux capteurs d’humidité capables d’opérer à haute température et de détecter de faibles taux d’humidité relative dans le cadre des bétons réfractaires et de forts taux d’humidité relative dans le cadre des bétons du génie civil. Par ailleurs, la présence d’eau liquide ne doit pas avoir de conséquence sur le fonctionnement de ces capteurs. Pour ce faire, les capteurs SAW-IDT en mode ligne à retard ont été privilégiés. Ces derniers ont la particularité d’être très sensibles aux aspects environnementaux grâce au confinement de l’énergie des ondes à l’extrême surface (environ une longueur d’onde). De plus, dans la configuration de ces capteurs SAW-IDT, il est possible d’adapter les matériaux qui les composent (substrats piézoélectriques, couches sensibles à l’humidité et électrodes) en fonction de l’application visée. Au cours de cette thèse, des capteurs SAW-IDT opérant à 30 MHz sur substrat de niobate de lithium et fonctionnalisés avec une couche polymérique d’alcool polyvinylique (PVA) pour les applications basse température et d’oxyde de silicium pour celles à haute température ont été réalisés et optimisés. Des premiers tests in situ ont pu être menés. Il a été ainsi montré les potentialités de ces types de capteurs d’humidité aussi bien pour le monitoring de l’humidité ambiante dans les structures en génie civil que le suivi du séchage des bétons réfractaires.

In this work, we have developed ultrasonic humidity interdigital (IDT) sensors exploiting Rayleigh type Surface Acoustic Waves (SAW). These SAW-IDT sensors are intended to monitor ambient humidity in civil engineering concretes and to monitor the refractory concretes drying at high temperatures (up to 450°C). In the latter case, a sudden evaporation of the residual humidity during a first implementation leads to a damage to the structure from which the interest to ensure the absence of humidity at drying end of the structure. These two applications require the development of new humidity sensors capable of operating at high temperatures and detecting low relative humidity levels in the context of refractory concretes and high relative humidity levels in the context of engineering concretes civil. In addition, the presence of liquid water must not have any effect on the operation of these sensors. To do this, SAW-IDT delay line sensors have been favored. The latter have the particularity of being very sensitive to environmental aspects thanks to the confinement of the acoustic waves energy at the near surface (approximately one wavelength). In addition, in the configuration of these SAW-IDT delay line sensors, it is possible to adapt the materials that compose them (piezoelectric substrates, humidity sensitive layers and electrodes) according to the intended application. In this work, SAW-IDT delay line sensors operating at 30 MHz on lithium niobate substrate and functionalized with a polymeric polyvinyl alcohol (PVA) layer for low temperature applications and silica layer for high temperature applications have been realized and optimized. First in situ tests could be conducted. It has been shown the potential of these types of humidity sensors both for the monitoring of ambient humidity in civil engineering structures and the monitoring of the refractory concrete drying.