Development of high-temperature passive and wireless sensors

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