modelisation de dispositifs a ondes elastiques de surfaces en milieu contraint mécaniquement et ...

188 Pages·2017·4.37 MB·French

by  Damien Hermelin

MODELISATION DE DISPOSITIFS A ONDES
ELASTIQUES DE SURFACES EN MILIEU
CONTRAINT MÉCANIQUEMENT ET
APPLICATIONS
Damien Hermelin
To cite this version:
Damien Hermelin. MODELISATION DE DISPOSITIFS A ONDES ELASTIQUES DE SUR-
FACES EN MILIEU CONTRAINT MÉCANIQUEMENT ET APPLICATIONS. Autre. Université
de Franche-Comté, 2010. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00572831￿
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Année2010
THÈSE
présentéeà
L’UFR DES SCIENCES ET TECHNIQUES
DEL’UNIVERSITÉDEFRANCHE-COMTÉ
pourobtenirle
GRADEDEDOCTEUR
DEL’UNIVERSITÉ DEFRANCHE-COMTÉ
spécialitéSciences Pourl’Ingénieur
MODELISATION DE DISPOSITIFS À ONDES
ÉLASTIQUES DE SURFACES EN MILIEU
CONTRAINT MÉCANIQUEMENT ET
APPLICATIONS
par
DamienHERMELIN
Rapporteurs H.Aubert Professeur,LAAS,Toulouse
O.Elmazria Professeur,UHP,Nancy
Examinateurs L.Chommeloux Directeurdéveloppementproduit,SENSeOR,Mougins
B.Dulmet ResponsabledépartementTemps-Fréquence,Besançon
S.Fanget Ingénieurderecherche,CEALETI,Grenoble
Directeurdethèse S.Ballandras Directeurderecherche,départementT-F,Besançon
2
Table des matières
Introductiongénérale 1
I État del’art 3
1 Étatdel’artsurlescapteursdepression 5
1.1 Lesmanomètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Lesmanomètresàliquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Lesmanomètresàdéformationdesolide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Manomètresàprocédédeconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.4 Lescapteursàondesélastiquesàdéformationdeplaque. . . . . . . . . . . . 9
1.1.5 Manomètrepourbassepression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.6 LescapteursSAWpirani . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Généralitéssurlesondesélastiquesdesurface 13
2.1 Lapiézoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 L’effetpiézoélectrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Lesmatériauxpiézoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Lesdispositifsàondesélastiquesdesurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Modélisationdedispositifsàondesdesurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Propagationd’ondesplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Excitationsousunréseaupériodiqued’électrodes . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Modélisationdesdispositifsàondesélastiques. . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 Simulationdesdispositifsàondesacoustoélectriquesguidées . . . . . . . . . 37
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
II Conception etréalisationd’un capteur de pression 41
3 Extensiondelamodélisationauxmilieuxcontraints 43
3.1 Hypothèsedemodélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Sensibilitédesstructures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 InterfaceetondesdeRayleigh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 Cascadedematricemixteenmilieucontraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
i
ii Tabledesmatières
3.4.1 Approcheanalytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Notiondematricedetransmissionréflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5 Linéaritédusystèmeaveclacontrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 Démonstrationdelalinéarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.2 Exemplededistributionsimplesdecontraintes. . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.3 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.4 Gammedevaliditédelalinéarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Modélisationnumériqueetoptimisationducapteur 63
4.1 Validationdumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.1 Validationlogicielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.2 Validationdumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.3 Calculd’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.4 Évolutiondelaréponseélectroacoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Théoriedesmembranesetdesplaquesmincesisotropes . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2 Formulationdebaseduproblèmedeflexionstatiquedelaflexiond’uneplaque
mince . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.3 Comportementdynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Modélisationetoptimisationgéométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.1 Définitionducoefficientd’efficacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.2 Modélisationdelamembrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.3 Modélisationdelapositiondurésonateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.4 Influencedurayondelamembrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.5 Comparaisonavecd’autresmodèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.6 Validationexpérimentalepourunemembrane . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.7 Dimensionnementd’uncapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4 Modélisationd’uncapteurdeforceàmembrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
III Miseen œuvreet caractérisationd’un capteur depression 107
5 Réalisationd’uncapteurdepressionetcaractérisation 109
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Réalisationd’unprototype. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Présentationducapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 Lesmachinesdemicrofabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.3 Procédédefabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 Caractérisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Caractérisationmécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 Caractérisationélectriqueducapteurparl’anlyseurderéseau . . . . . . . . . 123
5.3.3 Interrogationàdistanceducapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
iii
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6 Applicationàlamesuredepressionartérielle 127
6.1 Applicationàlamesuredepressionartérielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.1 Morphologiedusystèmecardio-vasculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.2 Méthodesdemesuredepressionsartérielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.1.3 Applicationàlamesuredepressioninvivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.1.4 Applicationàlamesuredepressionex-vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
IV Conclusion 137
Conclusiongénérale 139
V Annexes 141
A Coupesetnormescristallographiques 143
B Constantecaractéristiquesduquartz 145
C Manueld’utilisationdulogicieldesimulationdedispositifs
àondesacoustiquesdesurface(NMM) 149
C.1 Descriptionduprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
C.2 Descriptiondufichierdedescriptiondudispositif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
C.2.1 Entête“variable” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
C.2.2 Entête“general” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
C.2.3 Entête“type_electrode” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
C.2.4 Descriptionduréseaud’électrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
C.3 Formatagedufichiergrille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
C.4 Descriptiondufichierdevariationdephase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
C.5 Descriptiondesfichiersdesortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
C.6 Exempled’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
C.6.1 Exemplesimple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
C.6.2 Exempleavancé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Listedestableaux 161
Tabledesfigures 163
Bibliographie 173
iv Tabledesmatières
Introduction générale
Lesdispositifsàondesélastiquesdesurfacesonttrès répandusdansle commercedepuisplu-
sieursdécenniesetsontmaintenantcourammentutilisésdansdenombreusesapplicationsentant
quefiltres, résonateursetcapteurs.Pourcettedenièreapplication,lesopportunitésoffertesparla
possibilité d’interroger à distance des capteurs totalement passifs ouvrent des perspectives mul-
tiplespourlestélémesures,avecbeaucoupd’espoirquandauxdéveloppementsdesolutionspour
lesapplicationsbiomédicalesenparticulierdanslaperspectivedeséquipementsadaptésàlatélé-
médecine.
Le présentmémoire exposeles résultats obtenusdepuistrois ans au sein du DépartementTemps
Fréquencedel’InstitutFEMTO-STàBesançonpourlamiseaupointdecapteursetd’outilsd’op-
timisationassociéspourlamesuredelapressionartérielle.D’unepart,sestravauxsesontinscrits
dans le cadre du projet ANR-CIMPA, acronymepour «Cardiologic Intra MuscularPressure Ac-
tuator» etontété menésen collaborationavecla sociétéSenseoretle laboratoire LEAT.D’autre
part,danslecadreduprojetDIONYSOSdédiéaureportetàl’amincissementdeplaquettespiézo-
électriques, procédé particulièrement applicable au conditionnementde capteur à base de quartz
sur silicium stucturé. L’objectif de ce projet consiste à fabriquer un capteur de pression inter-
rogeable à distance permettant de réaliser des mesures de pression avec une sensibilité et une
fréquenced’échantillonagecompatibleaveclesexigencesdudiagnosticbiomédical.
Nous détaillerons plus particulièrement dans ce mémoire toute la partie sensible du capteur de
pression, à savoir la réponse électroacoustique du résonateur soumis à une contrainte inhomo-
gène. La partie concernantl’interrogation du capteur et son électronique a été développéepar la
sociétéSenseorainsiqu’uneéquipedeFEMTO-STetlesantennesparleLEAT.
Ce projet s’inscrit dans la continuité des travaux développésau sein du laboratoire. En effet, de
nombreusesétudes sur la conceptionde capteursont en effetdéjà été réaliséesnotamment en ce
quiconcernelescapteursdetempérature.Ellesontpermisdemettreaupointdescapteursdetem-
pératureinvivopassifsinterrogeablesàdistancedontlafréquenced’interrogationpermetlefonc-
tionnementdusystèmedanslabandeISMcentréeà434MHzpermettantenparticulierunepéné-
trationdesondesélectromagnétiquesdanslesmilieuxorganiquescompatibleaveclescontraintes
d’interrogation (respect des normes ISM). Le projet a alors consisté maintenant à aller plus loin
dans l’analyse et à intégrer au capteur la possibilité de mesurer une pression macroscopique de
type fluide. Le principe consiste à intégrer un résonateur à onde de surface sur une membrane
mince.Lapressiondifférentielleexercéedepartetd’autredelamembraneinduitdescontraintes
1
2 Introductiongénérale
mécaniquesau seindecelle-ci etmodifiela fréquencederésonancedurésonateur,laquelle nous
permettrad’obteniruneinformationsurlapression.DansleprojetCIMPA,lafréquencedetravail
estfixée à 2,4 GHz pourminimiser les dimensionsdu capteuret le rendre compatible avec l’ap-
plicationintravasculaire.Cependant,cettedémarches’estrévéléeinfructueusedufaitd’unbilan
de liaison très défavorable. Aussi, les dispositifs développéset présentés dans ce manuscrit sont
réaliséspourunefréquencedefonctionnementde434MHzpermettantdesapplicationsdumême
typequecellesviséesparleprojetCIMPAmalgréunencombrementpénalisant.
Cemémoire sediviseentrois partiesetencinqchapitres.Lapremière partieprésenteunétat
del’art du domaine; toutd’abord concernantles capteursde pressionen généraletplus particu-
lièrement les capteurs de pression à ondes élastiques de surface. Dans le second chapitre seront
présentéslesrésultatsgénérauxconcernantlamodélisationdesondesélastiquesdesurface.
La secondepartie de ce mémoire concerneplus particulièrementles développementsapportéset
réalisésaucoursdecetravaildethèse.Afinderendrelalecturedecemanuscritplusfluide,nous
présenteronsdans la continuité des modélisations un modèle inédit permettant une modélisation
numériquedesdispositifsàondesélastiquesdesurfaceenmilieuxcontraintsmécaniquement.
Cette étape de modélisation conduit naturellement au chapitre suivantdans lequel nous validons
lesrésultatsdemodélisationafindepouvoirapporterdesoptimisationsgéométriquesaucapteur.
Une autre analyseest égalementdéveloppéepour un capteur de force afin de montrer les poten-
tialités du modèle développépourl’application capteurde grandeurmécaniquesen général.Dès
lors, nousnous intéresseronsau développementphysiqued’un prototype de capteur, à savoir les
étapestechnologiquesdans un premier temps puis les étapes de caractérisation. Enfin, nous pré-
senteronsquelquesrésultatsliésauxapplicationsentantquecapteurdepressioncardiaque.
Pourfinir, nousconcluronscetravaildethèseenprésentantlesprincipauxapportsdecetteétude
ainsiquelesperspectivesàdévelopperdansl’avenir.
Première partie
État de l’art
3