EP3894845A1 - Capteur micro-onde du type à micro-ruban - Google Patents
Capteur micro-onde du type à micro-rubanInfo
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- EP3894845A1 EP3894845A1 EP19824265.3A EP19824265A EP3894845A1 EP 3894845 A1 EP3894845 A1 EP 3894845A1 EP 19824265 A EP19824265 A EP 19824265A EP 3894845 A1 EP3894845 A1 EP 3894845A1
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Definitions
- the slot has a width of the order of 100 ⁇ m to 5 mm.
- Rs, Ls, Cp, Gp correspond respectively to the resistances, inductances, capacitances and linear conductances of a section or section of the main transmission line.
- these elements are dimensioned to obtain a characteristic impedance equal to 50 Ohm as well as the lowest possible linear losses.
- the distances d and d '(parts of the main transmission line located on either side of the coupled ribbons) can be different, the number of sections adopted is also different for each of them (n and n').
- Figures 6a and 6b show the frequency response of the sensor according to the invention for different materials tested.
- the frequency response of the sensor can be characterized by its transfer function H (f) or by the diffusion parameter from the input of the sensor to its output depending on the frequency.
- This parameter is generally noted S21 which represents the transmission coefficient of the measurement signal and the evolution of the resonance frequency for different materials of different nature respectively the evolution of parameter S21 and the evolution of the resonance frequency of the material under test.
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Abstract
L'invention a pour objet un capteur micro-onde Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban pour la mesure des propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide, constitué d'une ligne principale (2) et d'au moins deux lignes de transmission connexe (3, 4) solidaires à une de leurs extrémités de la ligne principale (2), la ligne principale (2) et les au moins deux lignes de transmission connexe (3, 4) étant espacées l'une de l'autre par une fente (9) et étant rendues solidaires d'un substrat (6). La ligne principale (2) est connectée à un circuit électrique (23) par l'intermédiaire de chacune de ses deux extrémités respectives pour y injecter un signal sinusoïdal, en ce que ladite ligne principale (2) présente une largeur lui conférant une impédance de l'ordre de 50 Ohm, les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe étant sensiblement de même largeur et d'une longueur égale au moins au quart de la longueur d'onde guidée dans le substrat (6), le substrat (6) présentant une hauteur ou épaisseur (h) lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat (6) étant appliqué sur un support métallique (5) constitué par une couche d'un matériau métallique. Application à l'analyse de matériaux liquides ou solides.
Description
CAPTEUR MICRO-ONDE DU TYPE A MICRO-RUBAN
Domaine de l'invention
Le secteur technique de la présente invention est celui des capteurs microondes immergeables se présentant sous la forme d'un micro-ruban aptes à caractériser les propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide et par conséquent le détecter.
Etat de la technique
De nombreuses études ont été entreprises afin de caractériser les propriétés des matériaux en utilisant des fréquences microondes par des méthodes interférométriques . Ces études ont porté sur la mesure de la constante diélectrique et des pertes diélectriques à différentes gammes de fréquences.
Ainsi, l'article publié par Muhammad Amin, Rashad Ramzan et Omar Siddiqui dans la revue SCIENTIFIC REPORTS, Vol. 8, 23357, du 5/02/2018 intitulé "Slow Wave Applications of Electromagnetically Induced Transparency in Microstrip Resonator" décrit l'utilisation d'un micro-ruban comme équivalent d'un résonateur désigné RLC . Il est indiqué que ce micro-ruban peut être utilisé comme un condensateur, un inducteur ou un circuit résonant. Dans ce document, on s'intéresse essentiellement à la résonance d'un micro-ruban simple, double ou triple dans un domaine de fréquence allant de 1 à 2 GHz . Aucune application n'est envisagée pour caractériser un matériau liquide ou solide.
On peut citer également le document US-2013/0302843 qui décrit un détecteur de bio-matériaux à l'aide d'une unité sensible disposée dans un canal et sur lequel deux électrodes sont appliquées, les bio-matériaux étant disposés entre les deux électrodes. Aucun micro-ruban n'est proposé ou suggéré dans ce document.
Le document CN-107490727 décrit un capteur hyperfréquence comportant deux lignes de micro-ruban. Ce document est peu précis sur la structure à lignes de micro-ruban et il est indiqué que le capteur ainsi conçu présente une sensibilité
plus élevée et une plus grande précision dans la mesure de la constante diélectrique.
Le document CN-107655902 décrit un procédé de mesure de la concentration d'une solution à l'aide d'un capteur circulaire à cavité résonante hyperfréquence.
On peut encore citer le brevet US-6617861 qui décrit de manière générale un ensemble de dispositifs (ligne, anneau ou patch micro-strip, ligne coplanaire et stripline) et une méthode pour mesurer la permittivité des matériaux solides ou liquides. Dans ce document, on s'intéresse essentiellement à des mesures en transmission (deux ports) ou en réflexion (un port) d'un solide apposé sur le capteur dans un domaine de fréquence allant de 0,5 à 20 GHz . Aucune indication n'est clairement envisagée pour caractériser des matériaux à l'état liquide et pour des matériaux de faibles dimensions.
Exposé de l'invention
Le but de la présente invention est de proposer un capteur micro-onde immergeable ou non permettant de détecter la nature d'un matériau liquide ou solide en définissant une structure micro-onde résonante suivant les propriétés diélectriques dudit matériau.
L'invention a donc pour objet un capteur micro-onde du type à micro-ruban pour la mesure des propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide, constitué d'une ligne principale et d'au moins deux lignes de transmission connexe solidaires à une de leurs extrémités de la ligne principale, la ligne principale et les au moins deux lignes de transmission connexe étant espacées l'une de l'autre par une fente et étant rendues solidaires d'un substrat, caractérisé en ce que la ligne principale est connectée à un circuit électrique par l'intermédiaire de chacune de ses deux extrémités respectives pour y injecter un signal sinusoïdal, en ce que ladite ligne principale présente une largeur lui conférant une impédance de l'ordre de 50 Ohm, les au moins deux lignes de transmission connexe étant sensiblement de même largeur et d'une longueur égale au moins au quart de la longueur d'onde guidée dans le substrat, le
substrat présentant une hauteur ou épaisseur (h) lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat étant appliqué sur un support métallique constitué par une couche d'un matériau métallique.
Selon une caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, l'ensemble constitué par le substrat et les lignes est isolé électriquement à l'aide d'un revêtement isolant constitué par une mince couche d'un polymère.
Avantageusement, le revêtement isolant est représenté par du parylène d'une épaisseur de l'ordre de 1 à 40 pm.
Selon une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, la fente présente une largeur de l'ordre de 100 pm à 5 mm.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, la couche métallique présente une épaisseur de l'ordre de 35 pm.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, la hauteur (h) du substrat est comprise entre 500 et 1500 pm et avantageusement de l'ordre de 800 pm.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, le substrat présente une permittivité comprise entre 1 et 40, et avantageusement de l'ordre de 2,55.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, la fente délimitée par les au moins deux lignes de transmission connexe constitue un moyen de réception dudit matériau solide ou liquide.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, il comporte au moins deux lignes de transmission connexe, la fente intermédiaire présentant une largeur inférieure à deux fois la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 800 pm.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro onde selon l'invention, les au moins deux lignes de transmission connexe présentent une largeur inférieure à la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 100 pm.
Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-
onde selon l'invention, les au moins deux lignes de transmission connexe présentent une longueur sensiblement égale entre elles et comprise entre 500 pm et 50 cm, et avantageusement de l'ordre de 47 mm.
L'invention vise encore l'application du capteur micro onde micro-ruban à la caractérisation d'échantillons liquides ou solides.
Un tout premier avantage du capteur selon l'invention réside dans la fiabilité de la détection des caractéristiques des matériaux analysés.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans l'extrême simplicité d'utilisation en évitant toute destruction, modification ou adaptation de l'échantillon analysé.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans son coût et sa mise en œuvre très faibles.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans son utilisation dans un environnement gazeux, liquide ou solide.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans la répétabilité et la fiabilité du résultat obtenu par la mesure de la fréquence de résonance.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans l'extrême simplicité d'utilisation en immergeant totalement ou partiellement le capteur en milieu liquide.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans la réutilisation du capteur en disposant d'un récipient de dimensions inférieures ou égales aux dimensions du capteur (à la longueur des deux lignes) recyclable apposé sur les lignes de transmission connexe du détecteur, totalement ou partiellement, et dont les propriétés sont bien connues et prises en compte avant la mesure du dit matériaux à caractériser.
Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans l'extrême simplicité d'utilisation d'un capillaire microfluidique (chambre ou tube microfluidique ) disposé entre les deux lignes de transmission connexe du détecteur en milieu liquide et dont les propriétés sont bien
connues et prises en compte avant la mesure de matériaux de très faible quantité.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés en relation avec des dessins sur lesquels :
la figure 1 représente le circuit électrique dans lequel le capteur selon l'invention peut être intégré,
- la figure 2a représente une vue de dessus du capteur selon l'invention et la figure 2b une vue en coupe selon AA de la figure 2a,
la figure 3a illustre l'apposition d'un échantillon solide sur le détecteur dans la fente,
la figure 3b illustre l'apposition d'un échantillon solide appliqué sur les lignes du détecteur,
la figure 3c illustre l'apposition d'un échantillon solide sur l'ensemble de la surface du détecteur,
la figure 3d illustre l'apposition d'un récipient contenant un échantillon dans la fente sur le détecteur,
- la figure 3e illustre l'apposition d'un tube dans la fente sur le détecteur,
les figures 4a et 4b illustrent le principe de fonctionnement du capteur selon l'invention d'un point de vue électrique et de dimensionnement,
- la figure 5a illustre la description des sections de la ligne principale et des deux lignes de transmission connexe, la figure 5b illustre la description du schéma électrique équivalent au capteur selon l'invention correspondant à la description globale des sections de la figure 5a,
la figure 6a illustre l'évolution fréquentielle du paramètre de transmission noté S21 du capteur selon l'invention pour différents types de matériaux sous test répertoriés par la valeur de leur permittivité relative,
- la figure 6b illustre l'évolution de la fréquence de
résonance en fonction de la permittivité relative £r de 1' échantillon,
la figure 7 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de transmission S21 pour deux valeurs de largeur de fente comparées à la largeur de l'échantillon,
la figure 8 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de transmission S21 pour deux valeurs de largeur de fente comparées à deux fois la hauteur du substrat,
- la figure 9 illustre une référence de l'art antérieur, la figure 10 illustre l'évolution du coefficient de transmission S21 en fonction de la fréquence pour la référence et le capteur selon l'invention,
la figure 11 illustre l'évolution fréquentielle des coefficients de transmission S21 pour trois échantillons examinés par la référence, et
- la figure 12 illustre la variation de la fréquence de résonance à haute fréquence en fonction de la permittivité de 1' échantillon, Description détaillée de modes de réalisation de
1 ' invention
L'invention va maintenant être décrite avec d'avantage de détails .
Le capteur selon l'invention présente une architecture qui résonne à une fréquence dite de résonance qui correspond à l'interférence destructive entre une onde transmise et une onde réfléchie. Ce capteur est composé d'une ligne de transmission principale qui relie deux ports (un port d'entrée et un port de sortie, l'un et l'autre étant réversibles) et d'au moins deux lignes de transmission connexe. La résonance intervient lorsque l'onde directe se propageant sur la ligne principale se recombine en opposition de phase avec l'onde réfléchie par l'extrémité des deux lignes de transmission connexe. Cette recombinaison en opposition de phase des ondes directe et réfléchie est connue sous l'appellation <interférence destructive> qui se caractérise sous la forme d'un pic d'absorption. Cette
interférence destructive intervient à la fréquence vérifiant cette condition d'opposition de phase, cette fréquence particulière étant appelée fréquence de résonance.
Technologiquement, le capteur selon l'invention est fondé sur la mise en œuvre de la technologie micro-ruban (connue sous le vocable anglais microstrip) . Par ailleurs, la présente invention peut toutefois se décliner sous d'autres technologies telle la technologie « stripline » ou encore coplanaire. Selon ces différentes technologies, les lignes et le plan de masse support sont situés dans des plans différents ou identiques.
Dans la suite de la description, on va mettre en œuvre une structure à deux lignes de transmission connexe. Mais il va de soi que ce nombre de lignes peut être supérieur, par exemple trois ou quatre lignes sans modification importante de la structure.
Sur la figure 1, on a représenté un circuit électrique 23 pour la mise en œuvre du capteur 1 selon l'invention, d'un générateur de fréquence 20, produisant des signaux sinusoïdaux, d'un système d'acquisition 21 des mesures d'enveloppe de signaux effectuées, et d'un détecteur d'enveloppe 22. Le générateur de fréquence 20, le système 21 et le détecteur d'enveloppe 22 sont des produits du commerce connus dans leur fonction et qu'il n'est pas nécessaire d'en fournir une description détaillée.
Sur les figures 2a et 2b, on a représenté le capteur micro-onde 1 selon l'invention qui est du type à micro-ruban constitué d'une ligne principale 2 reliée au circuit électrique 23 de la figure 1 à l'aide des connecteurs ou ports 7a et 7b et de deux lignes de transmission connexe 3 et 4 solidaires à une extrémité de la ligne principale 2 et libre à l'autre extrémité. Ce capteur 1 est approprié pour la mesure des propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide comme cela sera expliqué ci-après. La ligne principale 2 et les deux lignes de transmission connexe 3, 4 sont rendues solidaires d'un substrat 6. Les deux lignes de transmission connexe 3, 4 sont espacées l'une de l'autre par une fente 9. Ce substrat 6 peut par exemple être du téflon ou
une résine époxy.
Les lignes 2, 3 et 4 peuvent être des matériaux métalliques conducteurs de l'électricité comme par exemple le cuivre ou l'or. Elles constituent une électrode du capteur, l'autre électrode étant constituée par le support métallique 5 sur lequel le substrat 6 est posé ou fixé.
Avantageusement, la fente 9 présente une largeur de l'ordre de 800 pm et chacune des deux lignes 3, 4 de transmission connexe une largeur de 100 pm et une longueur de 47 mm.
Il va de soi que le capteur selon l'invention peut comprendre plus de deux lignes de transmission connexe, par exemple trois lignes disposées l'une par rapport à l'autre de manière identique.
Le substrat 6 peut présenter une hauteur ou épaisseur (h) de l'ordre de l'ordre de 800 pm et une permittivité de 2,55. Suivant l'épaisseur adoptée en fonction de la configuration souhaitée, ce substrat 6 peut être flexible, donc d'une épaisseur permettant des déformations, ou bien rigide et donc peu déformable.
Suivant l'invention, la ligne principale 2 présente une largeur (1) lui conférant une impédance caractéristique fixée à environ 50 Ohm. Les deux lignes de transmission connexe 3 et 4 sont sensiblement de même largeur et d'une longueur égale au moins le quart de la longueur d'onde guidée dans le substrat 6 correspondant à la fréquence de résonance du capteur 1 dans l'air sans échantillon. Le substrat 6 présente une hauteur comprise entre 500 et 5000 pm.
La ligne transmission principale 2 présente une impédance caractéristique ( Zc ) de préférence égale à 50 Ohm.
Avantageusement, les deux lignes de transmission 3 et 4 adjacentes et parallèles sont perpendiculaires à la ligne principale 2. Ces deux lignes sont d'une longueur égale au quart de la longueur d'onde guidée ( l/4 ) , longueur d'onde correspondante à la fréquence de résonance initiale de travail ( fr ) , fréquence pour laquelle on souhaite obtenir la résonance à vide du capteur c'est-à-dire sans l'échantillon à tester posé sur le dispositif.
Ces lignes de transmission 3 et 4 quart d'onde sont en circuit ouvert ( CO ) correspondant à la terminologie des micro-rubans (désignés en anglais par le terme stubs) couramment employé dans ce domaine. De cette manière, on ramène dans le plan de la ligne principale 2 une impédance équivalente à un court-circuit pour une fréquence égale à la fréquence de résonance.
Les lignes 2, 3 et 4 se présentent sous la forme de rubans .
Les rubans (ou stubs) peuvent être constitués de lignes de transmission de longueur L égale à la demi-longueur d'onde guidée ( l/2 ) à condition qu'ils se terminent par un court- circuit ( CC ) . De cette manière, on ramène dans le plan de la ligne principale 2 une impédance équivalente à un court- circuit pour une fréquence égale à la fréquence de résonance.
Par ailleurs, la présente invention en termes de performance et de large éventail d'applications visées se base sur une configuration correspondant deux lignes l/4 à fentes ( S ) terminées en court-circuit ouvert ( CO) .
On notera que l'impédance d'entrée d'une ligne À/4 terminée par un court-circuit ouvert est identique à l'impédance d'entrée d'une ligne l/2 fermée par un court- circuit .
La ligne l/4 en circuit ouvert est optimale car elle favorise le faible encombrement du capteur selon l'invention, sa miniaturisation et son coût réduit. D'un point de vue technologique, la micro-fabrication est moins complexe et plus rapide. De plus, une ligne l/4 est deux fois plus courte qu'une ligne l/2 fermée en court circuit et n'impose pas de percer le substrat pour créer la connexion avec le support 5 constituant un plan de masse.
La figure 2b représentant une coupe transversale selon AA de la figure 2a montre un revêtement isolant 8 constitué par un polymère permettant d'isoler électriquement l'ensemble constitué par le substrat 6 et les lignes 2, 3, 4.
Ce revêtement isolant 8 se présente sous la forme d'une enveloppe fermée sauf au niveau des ports pour permettre l'accès électrique aux ports d'entrée et de sortie. Il assure
la protection mécanique du capteur et sert d' interface entre le capteur 1 et les matériaux dont l'analyse doit être effectuée .
Le revêtement isolant 8 est avantageusement constitué par une couche de parylène d'une épaisseur de l'ordre de 1 à 5 pm. Ce polymère constitue un revêtement diélectrique et est inerte à la plupart des liquides. Il isole l'ensemble du dispositif pour assurer le fonctionnement du capteur selon l'invention en milieu liquide. De plus, ce polymère constitue une barrière hermétique, imperméable, conformable et biocompatible avec les autres composants du capteur. L'épaisseur de ce polymère doit toutefois garantir une résonance optimale de la présente invention.
En d'autres termes, le revêtement isolant 8 n'a aucun impact sensible sur le comportement électromagnétique du dispositif et donc sur ses performances.
L' impédance caractéristique des rubans 3 et 4 peut être égale à 50 Ohm, mais des valeurs différentes peuvent être adoptées dans le cadre de l'invention en étant soit inférieures soit supérieures à cette valeur en fonction de l'application envisagée et l'échantillon étudié.
Les deux rubans 3 et 4 sont de largeurs respectives W1 et W2 et de préférence, on fixe W1=W2=W. Avantageusement, la largeur W des rubans 3 et 4 est inférieure à la hauteur du substrat. Ils sont à une distance dl et d2 de l'extrémité du substrat 6 en étant séparés par la fente 9 de largeur (s) . La longueur totale ( Lt ) de la ligne principale 2 est égale à : Lt= dl + W1 + S + W2 + d2.
De préférence, on choisit dl = d2 mais le fonctionnement du capteur selon l'invention reste valable si cette condition n'est pas vérifiée.
Lorsqu'on souhaite étudier un matériau solide ou liquide celui-ci est disposé dans la fente 9 délimitée par les deux lignes 3, 4 de transmission connexe, ladite fente constituant un moyen de réception dudit matériau à analyser. S'il s'agit de liquide, on peut utiliser un récipient ou bien déposer directement un échantillon de ce liquide sur ce capteur et s'il s'agit d'un solide celui-ci peut être appliqué
directement sur le capteur.
Le principe de fonctionnement du capteur selon la présente invention repose sur le couplage entre les deux rubans 3 et 4. Ce couplage défini par la fente 9 est essentiellement de nature capacitive et peut être modélisé par une capacité située entre les deux rubans en première approximation. Ce couplage est modifié lorsqu'un matériau sous test (MUT : Material Under Test) liquide ou solide à tester de permittivité relative différente de 1 (eGMuT¹1) est appliqué sur le capteur ou sur la fente pour un matériau de faible quantité ou encombrement.
Par la suite, on considère un matériau de largeur Wmut=s, de hauteur h2 avantageusement de l'ordre de grandeur du substrat (h2 = 1 mm ; ou h2 « h) et de même longueur Lstub que les deux rubans 3 et 4. Ce matériau MUT présente une permittivité relative eGMut =er2 (a priori inconnue) tandis que la permittivité du substrat 6 du capteur est bien connue ( eri = 2,55).
La figure 3a représente un matériau MUT 10 à tester apposé sur le capteur 1 précédemment décrit. Dans cette configuration, le matériau 10 est inséré entre les deux rubans 3 et 4.
Les rubans 3 et 4 en regard du plan de masse constituent deux capacités en circuit ouvert (Co) . Cette capacité Co est exprimée par la relation :
Co = eo.8reff-A. (Lstub.S) /h
dans laquelle ereff A correspond à une permittivité relative effective de l'environnement électromagnétique situé entre les rubans 3 et 4, normalement impacté par eci, ecå, h, S et WMUT, Lstub, la longueur des rubans, S la largeur de la fente et h la hauteur du substrat.
De même, la capacité de couplage Ci entre les rubans 3 et 4 peut être exprimée par la relation :
Cl eq.eGeff_B · ( tistub · S ) / 1
dans laquelle ereff B correspond à une permittivité relative effective de l'environnement électromagnétique situé entre les rubans 3 et 4, normalement impacté par eGi, eG2, t,
S et WMUT, Lstub la longueur des rubans, S la largeur de la fente et t l'épaisseur des rubans.
ereff-B t ( eri, er2)
La valeur de la permittivité relative sri du matériau 8 impacte essentiellement la valeur de la capacité Ci et, et en conséquence la fréquence de résonance de la structure.
Dans l'invention, on privilégie le couplage capacitif modélisé par Ci par rapport aux capacités C0. Afin d'obtenir ce résultat, il est nécessaire que la capacité Ci soit supérieure à C0, ce qui suppose de satisfaire les trois conditions suivantes :
Pour Ci > C0:
1. W << h : la largeur des rubans 3 et 4 doit être très inférieure à la hauteur du substrat 6,
2 . S < 2. h : la largeur de la fente 9 doit être inférieure à deux fois la hauteur de substrat 6,
3 . Wmut ³ S : La largeur du matériau 10 doit être au moins égale à la largeur de la fente 9.
La hauteur du substrat 6 est généralement de faible dimension (quelques centaines de micromètres) : par conséquent, le dispositif présentera :
- des largeurs de rubans 3 et 4 de l'ordre de la centaine de micromètres. Toutefois, cette largeur W doit rester supérieure à l'épaisseur de métallisation t (W > t) , ce qui est cohérent avec les contraintes technologiques de réalisation .
- une largeur S de fente de l'ordre quelques centaines de micromètres à quelques millimètres selon la hauteur de substrat considérée.
Ces conditions sont nécessaires pour assurer le couplage capacitif et permettent la modélisation présentée ci-après.
Sur la figure 3b, on a représenté le capteur de la figure 3a mais en utilisant un matériau 11 dont la largeur est égale à la somme des largeurs des rubans 3 et 4 et de la fente 9, les autres éléments étant inchangés.
Sur la figure 3c, on a représenté le capteur de la figure 3a mais en utilisant un matériau 12 dont la largeur est égale à celle du substrat 6, les autres éléments étant inchangés.
On comprend que dans le cas des configurations 3b et 3c, les conditions précédemment énoncées sont remplies.
Sur la figure 3d, on a représenté un réservoir 14 reposant sur les lignes 3 et 4 du détecteur. Il va de soi que le matériau constitutif de ce réservoir peut présenter une permittivité de 2,55 et être réalisé en téflon ou en une résine époxy. Il peut être utilisé pour des matériaux pulvérulents ou des liquides.
Sur la figure 3d, on a représenté un canal fluidilique 16 disposé dans la fente 9 permettant de faire circuler un liquide à analyser entre les rubans. Ce canal 16 peut se présenter sous la forme d'un tube ou d'une gouttière. Il va de soi que le matériau constitutif de ce canal 16 peut présenter une permittivité de 2,55 et être réalisé en téflon ou en une résine époxy.
Sur les figures 4a et 4b, on a illustré le capteur 1 selon l'invention suivant un schéma équivalent LRC en fonction de capacités Co et Ci. On introduit notamment sur cette représentation le couplage capacitif par le biais de la capacité Ci .
Egalement, on considère que les inductances L constituent une inductance mutuelle afin de modéliser le couplage magnétique entre les rubans ou stubs, ce couplage magnétique reste néanmoins négligeable devant le couplage électrique (capacitif) .
Le schéma équivalent du dispositif global est détaillé par la figure 4b. Ce schéma équivalent inclut celui du ruban de type R-L-C impliquant la capacité C pour chacun d'entre eux .
Le schéma équivalent de la figure 4b ne fait pas intervenir la notion d'éléments linéiques et de sections de lignes tels que l'on rencontre dans la littérature, notamment dans la théorie des lignes.
Les figures 5a et 5b représentent un schéma électrique équivalent qui adopte une représentation impliquant ces
notions. On introduit pour cela les modèles de type R-L-C-G de la section de ligne de transmission principale (A) et de la section des lignes couplées (B) où :
Rs , Ls , Cp, Gp correspondent respectivement aux résistances, inductances, capacités et conductances linéiques d'un tronçon ou section de la ligne de transmission principale. De préférence, ces éléments sont dimensionnés pour obtenir une impédance caractéristique égale à 50 Ohm ainsi que des pertes linéiques les plus faibles possibles. Les distances d et d' (parties de la ligne de transmission principale situées de part et d'autre des rubans couplés) pouvant être différentes, le nombre de sections adopté est également différent pour chacune d'entre elles (n et n' ) .
R et Go représentent la résistance linéique et la conductance parallèle (parasite) des lignes couplées. L' inductance linéique L est une inductance linéique mutualisée (couplage magnétique) entre les lignes. La capacité Co est ici la capacité linéique de chaque ligne (ruban) et Cl modélise le couplage capacitif linéique.
Le schéma équivalent illustré par la figure 4b est une simplification pour montrer l'intérêt de l'invention mais de manière symbolique tandis que les figures 5a et 5b illustrent un schéma équivalent électrique rigoureux du point de vue technique basé sur la théorie des lignes de transmission.
Sur le plan de la performance du capteur et dans le cas où les conditions de fonctionnement sont vérifiées, les lignes de champs électriques sont confinées près de la surface du substrat 6 entre les deux rubans 3 et 4. En conséquence, la présence d'un matériau modifie ce confinement (perturbation de l'environnement électromagnétique) et sa permittivité impacte la fréquence de résonance avec une sensibilité pouvant être très importante. On définit la sensibilité comme étant la variation de la fréquence de résonance (Af= ri _fr2) constatée lorsque la permittivité du matériau MUT est modifiée (variation de permittivité DeG et donc variation de la capacité Cl) .
Comme le montre les mesures détaillées exposées ci-après, la sensibilité du capteur selon l'invention est très
importante, ce qui constitue un avantage très précieux pour distinguer deux matériaux de permittivité proche.
On voit donc l'avantage encore du capteur selon l'invention résidant dans l'utilisation du couplage capacitif direct entre les deux lignes de transmission connexe (capacité Cl du schéma équivalent) et d'un couplage capacitif entre chacune de ces lignes et le plan de masse (capacités Co du schéma équivalent) offrant une sensibilité accrue et permettant ainsi une meilleure précision de mesure pour de grandes ou faibles quantités de matériau à caractériser.
Dans les exemples particuliers donnés en relation avec les figures 6-8, on adopte une fente 9 de largeur S = 800 pm. Elle est égale à la largeur du matériau MUT sous test, à savoir 800 pm. La largeur des rubans 3 et 4 est égale à W1 = W2 = W = 100 pm.
La longueur des rubans 3 et 4 est choisie pour que la fréquence de résonance à vide soit supérieure à 1 GHz .
(Lstub= 47 mm pour une fréquence fr = 1,15 GHz)
Puisque h = 800 pm, cette configuration correspond bien aux deux conditions
W « h et S < 2*h .
Sur les figures 6a et 6b, on a représenté la réponse fréquentielle du capteur selon l'invention pour différents matériaux testés. La réponse fréquentielle du capteur peut être caractérisée par sa fonction de transfert H(f) ou par le paramètre de diffusion de l'entrée du capteur vers sa sortie en fonction de la fréquence. Ce paramètre est généralement noté S21 qui représente le coefficient de transmission du signal de mesure et l'évolution de la fréquence de résonance pour différents matériaux de nature différente respectivement l'évolution du paramètre S21 et l'évolution de la fréquence de résonance du matériau sous test.
La figure 6a montre l'évolution du coefficient de transmission S21 en fonction de la fréquence dont le module est déterminé par simulation numérique électromagnétique en trois dimensions (outil de simulation HFSS) pour différentes valeurs de permittivité attribuées au MUT.
Ces matériaux sont le verre (er=5,5), le saphir (er= 10) et le diamant (er= 16) . Le cas er= 1 correspond à l'air, le capteur étant exempt de matériau dans ce cas.
Ces matériaux délivrent donc une réponse fréquentielle caractéristique de leur nature et peuvent être distingués sans ambiguïté.
Sur la figure 6b, on a représenté la variation de la fréquence de résonance pour différentes valeurs de la permittivité relative e du matériau MUT. On voit que pour une variation de permittivité DeG=10, la variation de la fréquence (Af) de résonance est égale à plus de 70 MHz.
A noter que l'instrumentation associée au dispositif (analyseur de réseau vectoriel de préférence) permet aisément de discriminer des variations de fréquences Af inférieures à 1 kHz . On peut donc déceler des variations très faibles de la permittivité à l'aide du dispositif faisant l'objet de l'invention et donc de caractériser avec précision n'importe quel matériau.
Lorsque la largeur du matériau à tester est inférieure à la largeur de fente 9, le couplage capacitif est nettement altéré voire inexistant. Le champ électrique ne pénètre alors pratiquement pas le matériau.
De ce fait, la sensibilité du dispositif est fortement dégradée. Il convient d'éviter ce type de configuration.
Sur la figure 7, on a représenté la variation de la résonance en fonction de la fréquence dans le cas d'une différence de largeur entre la fente 9 et l'échantillon de matériau 10.
La courbe (a) illustre le cas où la largeur de l'échantillon est inférieure à la largeur de la fente et la courbe (b) le cas où la largeur de l'échantillon est égale à la largeur de la fente. On constate que la sensibilité qui est de 70 MHz dans le cas S = Wmut (courbe b) s'écroule à 2,7 MHz lorsque S = 1 mm et Wmut = 800 pm (courbe a) .
En revanche, le matériau peut tout à fait être plus large que la fente puisque la sensibilité s'en trouve améliorée dans ce cas. D'un point de vue applicatif, il faut donc
dimensionner la fente 9 pour que celle-ci soit toujours de plus faible largeur que celle du matériau à tester.
On a également étudié le cas où la largeur de la fente est supérieure et très largement supérieure à la hauteur du substrat 6. Pour une ligne micro-ruban, le champ électrique est confiné entre un des rubans 3 et 4 et le support 5. Le fait de rapprocher ou d'éloigner les deux rubans modifie cette répartition. Si les deux rubans 3 et 4 sont suffisamment proches par rapport à la hauteur du substrat (S < 2. h) le champ électrique sera alors confiné entre ces deux rubans .
La figure 8 illustre l'évolution du coefficient de transmission S21 en fonction de la fréquence pour deux valeurs de largeur de fente. La courbe (c) représente le cas où la largeur de fente est inférieure à deux fois la hauteur du substrat et la courbe (d) le cas où la largeur de fente est supérieure à deux fois la hauteur du substrat.
Lorsque la largeur de fente devient trop grande devant la hauteur de substrat, la qualité de la résonance est radicalement affectée. Ainsi, la courbe (c) illustre l'évolution du paramètre 21 en fonction de la fréquence dans le cas où la condition < * est vérifiée et la courbe (d) le cas contraire pour lequel > * . Cette comparaison démontre que la qualité de la résonance est altérée avec un moins bon facteur de qualité = D / r , de manière à compromettre l'application visée.
On observe dans le cas où S>2*h une sélectivité fréquentielle très dégradée puisque la résonance est moins profonde et un étalement de la résonance dans l'intervalle des fréquences.
Afin de montrer tout l'intérêt de l'invention, les inventeurs ont reproduit l'architecture proposée dans le document Muhammad Amin et al analysé précédemment et désignée ci-après par la référence.
La référence est reproduite sur la figure 9 et on a repris les dimensions transversales divulguées du capteur selon l'invention à savoir le substrat 6 est d'une hauteur de 0,76 mm, la fente d'une largeur de 2 mm dans laquelle est
inséré le matériau 17, les deux rubans 3 et 4 de part et d'autre de la fente présentent une largeur de 2,2 mm et une couche métallique 5 d'épaisseur 35 pm.
On note par ailleurs que les conditions W<<h et S<2.h ne sont pas vérifiées dans le cas de la référence. On conserve la longueur des rubans utilisés dans l'invention sachant que cela définit uniquement la fréquence de résonance éventuelle à vide. Egalement, on considère un matériau de largeur égale à celle de la fente (Wmut=S ) pour confronter les deux architectures dans des conditions d'utilisation égales.
Sur la figure 10, on a représenté l'évolution fréquentielle du coefficient de transmission S21 du capteur selon l'invention (courbe e) et du coefficient de transmission S21 du dispositif selon la référence (courbe f) pour le même matériau testé.
On voit que les comportements électromagnétiques sont bien différents : dans le cas du capteur selon l'invention, l'évolution fréquentielle du coefficient de transmission S21 (courbe e) met en évidence une fréquence de résonance associée à une interférence destructrice. Dans le cas du dispositif selon la référence, l'évolution fréquentielle du coefficient de transmission S21 (courbe f) est totalement différente et dépourvue de fréquence de résonance associée à une interférence destructrice.
Par ailleurs, en examinant la répartition du champ électrique, on note l'absence de couplage capacitif pour la référence. La capacité Cl modélisant le couplage capacitif et décrite précédemment n' intervient donc pas dans le schéma équivalent du dispositif de la référence. Cette capacité n'est d'ailleurs ni mentionnée ni introduite dans le schéma équivalent par les auteurs de la référence.
Les schémas équivalents électriques et de fonctionnement sont donc bien différents dans le cas de la référence et du capteur selon l'invention.
Sur la figure 11, on a représenté l'évolution fréquentielle des coefficients de transmission S21 pour la référence de la figure 9 pour trois valeurs de permittivité. On voit que l'évolution fréquentielle du coefficient de
transmission S21 est totalement différente pour les trois matériaux testés de permittivité différente (courbes hl, h2 et g) pour la référence de la figure 9. La courbe hl ne présente pas de résonance liée à une interférence destructive alors que la courbe h2 présente deux résonances liées à une interférence destructive et que la courbe g présente une seule résonance de ce type.
L'architecture de la référence ne permet donc pas de corréler une fréquence de résonance à une valeur de permittivité. Il en résulte que la référence ne peut en aucun cas remplir une fonction de capteur.
La montée en fréquence du capteur selon l'invention nécessite de réduire la longueur Ls b des stubs. La limite ultime à cette réduction est le rapport d' aspect doit être Lstub/W > 5. Dans le cas conventionnel d'utilisation de ruban, l'impédance caractéristique des rubans est de 50 Ohm, correspondant à une largeur W = 2,2 mm en considérant le substrat de l'exemple présenté précédemment sur les figures 6a et 6b ( er = 2,55, h = 800 pm) .
Dans le cas du capteur selon l'invention, on rappelle que la condition W << h implique que W soit de l'ordre de la centaine de micromètres.
Or, la théorie impose L=Àg/4 = lo/ ( 4 . er 1/2 ) où :
- sr est la permittivité du substrat (er = 2,55) dans notre exemple,
- Àg est la longueur d'onde guidée,
- lo est la longueur d'onde dans le vide : lo = c/f ,
- f : fréquence.
On peut donc définir la fréquence maximale de fonctionnement du ruban comme égale à :
fmax = c/ ÀO = c/ (Lstub-min - ( 4 . 8r 1/2 ) ) avec Lstub-min = 5. W
Soit fmax =c/ (W . 20 . er 1/2 )
Dans le cas d'un capteur utilisant exclusivement des lignes micro-ruban de 50 Ohm (W = 2,2 mm pour e r= 2,55 et h = 800 pm) , on obtient une longueur minimale Lstub-min =11 mm et par conséquent une fréquence maximale de fonctionnement de 4,3 GHz.
Dans le cas du capteur selon l'invention, les lignes de transmission connexe présentent une largeur W = 100 mpi, ce qui impose une longueur minimale Lstub-min de l'ordre de 500 pm et donc une fréquence maximale de l'ordre de 94 GHz .
Le capteur selon l'invention présente donc des dimensions propices à la montée en fréquence.
On montre ensuite qu' à cette montée en fréquence est associée une forte augmentation de la sensibilité.
Un exemple de résultat marquant est proposé sur la figure 12. La configuration étudiée pour le capteur selon l'invention correspond à une largeur et une longueur de rubans 3 et 4 respectivement égales à 100 pm et de 4 mm.
Sur cette figure, la courbe (i) représente la variation de la fréquence de résonance en fonction de la permittivité.
On constate une variation de la fréquence de résonance de 8,8 GHz pour une permittivité relative variant de 5,5 (verre) à 16,5 (diamant) . Dans le cas d'une longueur de rubans de 4 mm, la fréquence de résonance varie de 8,8 GHz entre le test effectué sur un échantillon de verre et le test effectuée sur un échantillon de diamant.
A titre de comparaison, on rappelle que dans le cas d'une longueur de ruban de 47 mm, la fréquence de résonance varie de 70 MHz entre le test effectué sur un échantillon de verre et le test effectué sur un échantillon de diamant.
L'architecture du capteur objet de la présente invention peut être modélisée par un schéma électrique équivalent qui, au vu de l'art antérieur, est inédit.
Ce schéma équivalent résulte du couplage capacitif entre les deux rubans 3 et 4, lequel couplage, pour être sollicité, impose des conditions sur les dimensions de l'architecture clairement identifiées.
Parmi ces conditions, la très faible largeur imposée pour les rubans 3 et 4 permet une diminution de la longueur de ces rubans et par ce biais, une montée en fréquence qui offre une combinaison record de compacité et de sensibilité de ce dispositif dans sa configuration haute fréquence.
Comme indiqué précédemment, le capteur 1 selon l'invention peut être mis en œuvre pour caractériser les
propriétés diélectriques de matériaux solides ou liquides sur un faible volume, par exemple de 0,001 mm3 ou de quantité importante (plusieurs dm3), à différentes fréquences.
Le capteur 1 permet de s'affranchir de montages complexes et de la destruction d'un échantillon.
Le capteur 1 selon l'invention offre donc dans l'industrie un grand nombre d'applications nécessitant des protocoles rigoureux où les échantillons analysés ne sont pas réutilisables. L'analyse fréquentielle sur laquelle est fondé le capteur 1 selon l'invention permet une analyse simple non destructive de l'échantillon.
Le capteur selon l'invention permet de discriminer chaque signature fréquentielle de matériaux caractérisés définis par leurs permittivités mais aussi par leurs pertes.
Claims
1. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban pour la mesure des propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide, constitué d'une ligne principale (2) et d'au moins deux lignes de transmission connexe (3, 4) solidaires à une de leurs extrémités de la ligne principale (2), la ligne principale (2) et les au moins deux lignes de transmission connexe (3, 4) étant espacées l'une de l'autre par une fente (9) et étant rendues solidaires d'un substrat (6), caractérisé en ce que la ligne principale (2) est connectée à un circuit électrique (23) par l'intermédiaire de chacune de ses deux extrémités respectives pour y injecter un signal sinusoïdal, en ce que ladite ligne principale (2) présente une largeur lui conférant une impédance de l'ordre de 50 Ohm, les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe étant sensiblement de même largeur et d'une longueur égale au moins au quart de la longueur d'onde guidée dans le substrat (6), le substrat (6) présentant une hauteur ou épaisseur (h) lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat (6) étant appliqué sur un support métallique (5) constitué par une couche d'un matériau métallique.
2. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par le substrat (6) et les lignes (2, 3, 4) est isolé électriquement à l'aide d'un revêtement isolant (8) sous la forme d'une mince couche d'un polymère.
3. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement isolant (8) est représenté par du parylène d'une épaisseur de l'ordre de 1 à 40 pm.
4. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fente (9) présente une largeur de l'ordre de 100 pm à 5 mm.
5. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'un matériau métallique (5) présente une épaisseur de l'ordre de 35 pm.
6. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon
l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur (h) du substrat (6) est comprise entre 500 et 1500 mpi et avantageusement de l'ordre de 800 pm.
7. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (6) présente une permittivité comprise entre 1 et 40, avantageusement de l'ordre de 2,55.
8. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fente (9) délimitée par les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe constitue un moyen de réception dudit matériau solide ou liquide.
9. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur (h) du substrat est comprise entre 500 et 1500 pm et avantageusement de l'ordre de 800 pm.
10. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux lignes (3, 4) de transmission connexe, la fente intermédiaire (9) présentant une largeur (W) inférieure à deux fois la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 800 pm.
11. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon la revendication 10, caractérisé en ce que chacune des deux lignes (3, 4) de transmission connexe présente une largeur inférieure à la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 100 pm.
12. Capteur micro-onde (1) du type à micro-ruban selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé chacune des deux lignes de transmission connexe présente une longueur sensiblement égale et comprise entre 500 pm et 50 cm, et avantageusement de l'ordre de 47 mm.
13. Application du capteur micro-onde (1) micro-ruban selon l'une quelconque des revendications précédentes, à la caractérisation d'échantillons liquides ou solides.
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