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Plateformes technologiques

I- Réalisation de capteurs par la technique de report et par pulvérisation cathodique

 L’ensemble de l’équipement comprend, un bâti d’évaporation (photo 1), un bâti de pulvérisation (photo 2), un atelier de polissage, un banc de caractérisation HF ainsi que divers systèmes de contrôle de métrologie : mesureur d’épaisseur, profilomètre et moyens optiques (photo 3).

La réalisation de capteurs par la technique dite de report constitue un savoir-faire essentiel de notre laboratoire.

Principe :

  • Collage à froid d’un monocristal piézoélectrique épais, sur un substrat constituant  le milieu de propagation, par diffusion métallique
  • Amincissement, par abrasion, jusqu’à l’épaisseur désirée souvent égale à une demi longueur d’onde dans le milieu piézoélectrique. La limite des épaisseurs piézoélectriques (quelques micromètres), est fixée par les difficultés technologiques liées à l’amincissement par abrasion.

Alternative :

  • Dépôt par pulvérisation, laquelle à l’inverse est limitée, d’une part par la difficulté à faire croître des couches minces piézoélectriques de plus de quelques micromètres (souvent soumises à des contraintes internes) et d’autre part à en maîtriser l’orientation cristalline.

Avantage de la technique de report :

  • La coupe du transducteur monocristallin est indépendante de celle du substrat, ce qui rend libre le choix du mode d’ondes élastiques. Le  (LiNbO3) constitue le candidat idéal du fait de ses excellents coefficients de couplage électromécanique, quasi longitudinal (KL=0,49) et quasi transversal (KT=0,62).
Bâti d'évaporation Bâti de pulvérisation Microscopie et analyse d’images
Photo 1: Bâti d’évaporation Photo 2: Bâti de pulvérisation Photo 3: Microscopie et analyse d’images

Caractérisations acoustique et électrique des traducteurs réalisés

Le banc de caractérisation acoustique est présenté sur la photo 4.

Banc de caractérisation acoustique Analyseur de réseau impulsionnel associé à un système de mesure sous pointes
Photo 4: Banc de caractérisation acoustique Photo 5: Analyseur de réseau impulsionnel associé à un système de mesure sous pointes

La caractérisation électrique des capteurs consiste à en mesurer l’impédance électrique via un analyseurde réseau et à la comparer à des résultats de simulation préalablement établis.

La forte évolution des activités d’acoustique vers l’intégration de systèmes conduit notre laboratoire à développer des procédés de technologie innovants basés sur l’intégration de composants acoustiques de petites dimensions et de haute fréquence.

Ceci nous amène à réaliser des traducteurs HF résonnant autour du GHz collés sur des substrats minces de silicium. Un analyseur de réseau impulsionnel large bande (300KHz à 8GHz), représenté sur la photo 5, permet des mesures électriques sur des traducteurs de petites dimensions (100 mm) sous pointes. Sur la figure 1 on peut voir la réponse électrique obtenue sur un capteur résonnant à 1 GHz aminci à 2.7 mm.

Impédance électrique d’un transducteur résonnant à 1 GHz

Figure 1: Impédance électrique d’un transducteur résonnant à 1 GHz

II- Plateforme de caractérisation interférométrique

La plateforme WaveSurf de vibrométrie laser ultra-haute fréquence (1,2 GHz) permet d’accomplir différentes caractérisations comme la caractérisation des :

  • Systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS),
  • Dispositifs électro-acoustiques à ondes de surface (SAW),
  • Matériaux piézoélectriques,
  • Couches minces et des revêtements fonctionnels utilisés dans les domaines l’électronique, l’optique, la tribologique, etc

Dans le cadre de ses différentes recherches, le groupe de recherche TPIA (Transduction, Propagation et Imagerie Acoustique) de l’IEMN (UMR CNRS 8520)-DOAE réalise les caractérisations électrique, acoustique et optique de microsystèmes résonants disposant de transducteurs intégrés. Il s’agit d’étudier des composants et des capteurs qui seront utilisés à moyen et plus long terme dans l’instrumentation et la caractérisation innovante dans des domaines variés comme les transports, les biotechnologies, mais aussi pour des applications industrielles ou grand public. Ces composants et capteurs exploitent des mouvements micrométriques hautes fréquences. Cela nécessite donc des moyens de caractérisation très sensibles à de très faibles vibrations (de l’ordre du nanomètre) et dans des gammes de fréquences de plus en plus importantes.

Aujourd’hui, le département DOAE du laboratoire IEMN situé à l’Université de Valenciennes a mis en place une plateforme interférométrique WAVESURF avec plusieurs dispositifs : 

Dispositif Polytec OFV-512

Le Dispositif Polytec OFV-512 est un interféromètre fibré qui permet de faire des mesures de déplacements relatifs, c’est-à-dire qu’il est possible de détecter le déplacement d’une pièce en particulier sur une structure qui vibre par ailleurs. Ce premier banc offre une utilisation dans une gamme allant de 30 kHz jusqu’à 24 MHz.

 

Dispositif Polytec OFV-512

Dispositif Polytec OFV-512

 

Exemple de caractérisation

Exemple de caractérisation

 

Dispositif Polytec UHF-120

Le Dispositif Polytec UHF-120 à balayage permet de travailler dans une gamme de fréquences bien plus importante que précédemment puisque la bande passante s’étend jusqu’à 1,2 GHz. Ce système permet d’étendre considérablement les recherches dans le domaine de la caractérisation des couches et des revêtements et apporte de nombreuses perspectives de caractérisations au niveau de l’IEMN mais également pour les partenaires. Il est possible également de réaliser des nappes de déplacements et de créer des images dynamiques correspondant au déplacement global d’une structure.

 

 

Dispositif Polytec UHF-120
Dispositif Polytec UHF-120

 

Dans les domaines électro-acoustiques et micro-électro-mécaniques, les mesures par vibrométrie permettent de détecter et de visualiser la propagation des ondes et les modes de résonances. Elles offrent aussi la possibilité de détecter les sources de pertes et de réponses indésirables telles que les fuites de l’énergie acoustique, les réflexions anormales ou le couplage réciproque.

Visualisation / Insight
 

 

Dans le cadre du contrôle non-destructif (CND), les études réalisées ont permis de caractériser des couches minces métalliques et des revêtements transparents de type sol-gel :

  • Epaisseurs des couches : de 100 nm à quelques micromètres,
  • Propriétés mécaniques : module de Young, coefficient de Poisson,
  • Estimation des gradients de contraintes résiduelles.

 

Exemples de caractérisation

Exemples de caractérisation

 

 

 

 

Contacts: marc.duquennoy [at] univ-valenciennes.frnikolay.smaging [at] univ-valenciennes.fr