Contribution to the development of pressure sensors based on surface acoustic wave (SAW) devices for severe environments (high temperatures). Contribution au développement des capteurs de pression basés sur des dispositifs à onde acoustique de surface (SAW) pour des environnements sévères (hautes températures)

Archive ouverte : Thèse

Alhousseini, Hassan

Edité par HAL CCSD

Thèse sous confidentialité du jury jusqu’au 01/12/2022 puis sous embargo de l’auteur jusqu’au 01/05/2024.. For many years surface acoustic waves (SAW) have been used in manufacturing electronic components for industrial and sensing applications. Due to the absence of an embedded electronic system and the possibility of wireless communication this technology can offer a great solution for sensing in harsh environments such as high pressure, temperature and humidity. In the case of refractory concretes, the optimization of the drying cycles has indeed a significant economic impact (reduction of the downtime of the manufacturing lines, energy cost) while making them more efficient and limiting the risks of structural damage. The current sensors on the market are too restrictive on the conditions of use (temperature range, pressure, environment) and therefore do not meet the needs of manufacturers in the refractory concrete sector. Therefore, the objective of the European project named CUBISM, is to fill these gaps by proposing SAW-based pressure sensors capable of operating at much higher temperatures (about 500°C), in wider measurement ranges and in an environment compatible with that of refractory concretes. Developing these types of sensors SAW (Surface Acoustic Wave) consists on choosing the right piezoelectric materials, the optimal IDT (Inter Digital Transducer) configuration and the proper geometry that can withstand these hard conditions. Lithium niobate was chosen as the basic piezoelectric substrate to perform modeling studies and optimization of IDT configurations and fabricate the first low temperature pressure sensor prototypes. Electroacoustic modeling tools such as impulse response model and coupling of modes theory (COM) were used to study and optimize the electrical response of SAW delay lines and SAW resonators in order to integrate them into a measurement chain. Several prototypes of pressure sensors based on lithium niobate have been tested. These prototypes allowed us to validate the sensitivity of surface acoustic waves to pressure. The sensitivities obtained for these sensors were between 5 and 8 kHz/bar. In partnership with the CUBISM project partners, other prototypes of the fresnoite glass-ceramic based pressure sensor have been tested and have shown a high potential for high temperature applications. . Depuis de nombreuses années, les ondes acoustiques de surface (SAW) sont utilisées dans les composants électroniques pour des applications industrielles (filtrage, traitement du signal) et pour la réalisation des capteurs. En raison de systèmes électroniques embarqués et de la possibilité de communication sans fil, cette technologie peut offrir une excellente solution pour la détection dans des environnements sévères tels que la haute pression, la température et l'humidité. Dans le cas des bétons réfractaires, l'optimisation des cycles de séchage a en effet un impact économique significatif (réduction du temps d'arrêt des lignes de fabrication, coût énergétique) tout en les rendant plus efficaces et en limitant les risques de dommages structurels. Les capteurs actuellement sur le marché sont trop restrictifs sur les conditions d'utilisation (plage de température, pression, environnement) et ne répondent donc pas entièrement aux besoins des industriels du secteur du béton réfractaire. L'objectif de cette thèse est donc de combler ces lacunes en proposant des capteurs de pression à base de SAW capables de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées (environ 500°C), dans des plages de mesure de pression plus larges et dans un environnement compatible avec celui des bétons réfractaires. Le développement de ces types de capteurs SAW consiste à choisir les matériaux piézoélectriques compatibles, la configuration optimale de l'IDT (Inter Digital Transducer) et la géométrie adéquate pouvant résister à ces conditions difficiles. Le niobate de lithium a été choisi comme le substrat piézoélectrique de base pour réaliser des études de modélisation et l’optimisation des configurations d’IDT et fabriquer les premiers prototypes de capteur de pression à basse température. Des outils de modélisation électroacoustique ont été employés tels que le modèle de la réponse impulsionnelle et la théorie de couplage des modes (COM) pour étudier et optimiser la réponse électrique des LAR (ligne à retard) et des résonateurs SAW dans le but de les intégrer dans une chaîne de mesure. Plusieurs prototypes de capteur de pression à base de niobate de lithium ont pu être testés. Ces derniers nous ont permis de valider la sensibilité des ondes acoustique de surface vis-àvis de la pression. Les sensibilités obtenues pour ces capteurs ont été comprises entre 5 et 8 kHz/bar. En collaboration avec des partenaires du projet CUBISM, d’autres prototypes du capteur de pression à base vitrocéramique de fresnoite ont été testés et ont montré un potentiel fort intéressant pour les applications à haute température.

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