Développement de capteurs passifs et sans fil fonctionnant pour les hautes températures

Development of high-temperature passive and wireless sensors

• Auteur / Autrice : Arthur De Sousa Lopes Moreira
• Direction : Ausrine Bartasyte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• 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 (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul Muralt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viktor Plessky, Andreas Brönner, Jean-Michel Friedt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Guillermo Villanueva, Marta Clement Lorenzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes acoustiques de surface

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteur SAW

Environnement sévère

Capteur passif

SAW sensor

Harsh environment

Passive sensor

Résumé

Les dispositifs à onde acoustique de surface (SAW) sont très répandus dans l’industrie : le marché mondial devrait peser plusieurs milliards d’euros d’ici la fin de la décennie. Ils sont composés de transducteurs interdigités (IDT) déposés sur un substrat piézoélectrique. Ils utilisent l’effet piézoélectrique afin de convertir une onde électromagnétique en onde acoustique en passant par les IDT, et inversement pour reconvertir cette dernière en onde électromagnétique, collectée par l’électronique de mesure. La fréquence de réponse peut varier selon de nombreux critères (adsorption de gaz, contrainte, température). Ainsi, on peut utiliser un dispositif SAW comme un capteur, un oscillateur, ou une filtre acoustique.La fabrication de ces dispositifs à l’avantage de ne comporter qu’une seule étape de lithographie pour structurer des IDT (principalement Pt pour les hautes températures (HT)) sur le substrat. Cependant, cette technique implique le dépôt des IDT à basse température, ce qui mène à une taille de grain réduite et des films moins denses. A HT, les matériaux modifient leur structure afin de minimiser leur énergie ou réagissent chimiquement, induisant une détérioration du dispositif : l’inter-diffusion des éléments dans l’empilement, l’agglomération, la recristallisation et l’électromigration. Ces problèmes proviennent principalement de l’affinité chimique entre les matériaux et de leur instabilité intrinsèque due à la méthode de fabrication standard.Ce travail de thèse a pour but d’élaborer un capteur SAW permettant l’interrogation sans fil et travaillant à 873 K. Bien que les capteurs SAW hautes températures (HT-SAW) aient été étudiés durant les 15 dernières années, leur stabilité à haute température compatible avec les applications réelles n'était pas atteinte. Les chercheurs ont plutôt mixé des matériaux (alliage, ou composites) pour stabiliser les structures. Ainsi, il semble qu’un seuil de performance ait été atteint par les méthodes de fabrication standard. Notre idée consiste à privilégier l’optimisation des matériaux par l’utilisation de croissance des couches minces à HT et la minimisation du nombre d’élément dans l’empilement, dans le but d’améliorer le temps de vie et la qualité du dispositif. Néanmoins, cette méthode de dépôt rend le process de fabrication complexe : le lift-off n’est plus possible (présence de résine). Par conséquent, un procédé complet de fabrication doit être développé. Enfin, un film de SiO2 sera déposé à HT afin de servir de couche de protection.Les technologies sans fil utilisant des semiconducteurs d’oxydes de métaux complémentaires sont largement utilisées dans la communication digital (WiFi, 4G), mais leur température de fonctionnement n’excède pas les 473 K. En fait, l’interrogation sans fil à HT semble être une zone d’ombre dans l’industrie. Nous voudrions développer des capteurs de température SAW servant de cibles coopératives à un stimulus externe. Parmi les bandes de fréquences, seule la bande de 2.4 GHz à 2.483 GHz (ISM) est adaptée à nos contraintes :• L’utilisation d’un substrat de Langasite ((LGS), faible vitesse acoustique) et d’IDT en Pt (métal lourd), correspondent à des largeurs d’IDT< 200 nm.• Le besoin d’une large bande disponible due à la variation fréquence engendrée par le changement de température.Nous avons créé un capteur sans fil avec antenne intégrée sur le substrat, ce qui est une première sur LGS à 2.45 GHz. Cependant, la fabrication des antennes est un défi : elles doivent être assez épaisses pour surmonter l’effet de peau et assez robustes pour tenir les HT. A ce jour, seuls quelques travaux traitent de capteurs HT-SAW, mais aucun d’antennes intégrées pour des applications à 2.45 GHz sur LGS : ils utilisent principalement des capteurs soudés par fil à des antennes externes. Ainsi, notre projet pourrait être un réel progrès pour les technologies HT-SAW.

Surface Acoustic Wave (SAW) devices are massively used in the industry, with a global market predicted to attain several billion dollars in the decade. They consist of Interdigitated transducers (IDT) deposited on a piezoelectric material. The reverse piezoelectric effect is used to convert an electromagnetic signal into an acoustic wave through the IDT, and the direct piezoelectric effect to convert it back. The output electromagnetic wave is collected by the second IDT. The frequency response can vary according to the working atmosphere (gas adsorption, strain, temperature, working as sensors) or permit the creation of acoustic filters and oscillators.SAW devices have the advantage of being fabricated with a single lithography step to perform IDT structuring (noble metals, mostly Pt is used for high-temperature applications) and lift-off process on the piezoelectric substrate. However, this technique implies low-temperature film deposition (typically employing electron-beam (e-beam) evaporation), leading to small grain size and less dense films. While working at high temperatures, the materials modify their structures to minimize the energies and may interact chemically, leading to damaging issues: interdiffusion of elements, agglomeration, recrystallization, and electromigration. They come from materials chemical affinity and intrinsic instability induced by the standard elaboration method.This thesis aim was to elaborate a stable SAW sensor enabling wireless operation at 873 K. Although high-temperature SAW sensors have been investigated over the last fifteen years, the satisfactory stability of the materials for real applications was not attained. Utilizing low-temperature e-beam evaporation exclusively, researchers tried to mix materials to improve their stability. Still, it seems they attained a threshold in terms of performance with noble metal/oxide grains mixtures. Our idea was to prioritize materials optimization, employing high-temperature thin film deposition and minimizing material number in the stack. This method leads to real challenges concerning the fabrication process: lift-off is not possible due to photoresist burning. Hence, a complete dry-etching process must be elaborated for device patterning. A SiO2 film deposited at a high temperature was used as a cladding layer.Wireless technologies using metal oxide semiconductors (CMOS) are widely spread in digital communication (WiFi, 4G), but their working temperature does not exceed 473 K. In fact, high-temperature wireless sensing is a shadow zone, so we decided to develop SAW sensor acting as cooperative targets. The free standard legal frequency band used are the ISM bands (for industrial, scientific, and medical). Among the ones that fit with the SAW device technology and available worldwide, only a the 2.4 GHz to 2.483 GHz fits:• Utilizing Langasite (LGS) piezoelectric substrate (low acoustic velocity) and Pt IDT (heavy metal), the maximum frequency band achievable is the 2.4 GHz to 2.483 GHz band (corresponding to 150 nm - 200 nm IDT width).• High-temperature SAW sensors based on LGS need a wide available bandwidth to consider the frequency shift due to high temperatures.We have created an integrated antenna-on-chip devices at 2.45 GHz on LGS substrate for the first time. Nevertheless, antenna fabrication is a critical challenge because they must be thick enough (to overcome the skin effect) and to withstand high temperatures. Only few works dealing with high-temperature wireless SAW sensing have been reported, but none using integrated antennas at 2.45 GHz on LGS: they use a standard evaporation process with wire bonding on the antenna. Therefore, our project could be a real breakthrough in high-temperature SAW technology.