FR3090110A1 - Capteur micro-onde du type à micro-ruban - Google Patents
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Abstract
Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable (1) du type à micro-ruban constitué d’une ligne principale (2) reliée à un circuit électrique (23) injectant un signal sinusoïdal et deux lignes (3,4) de transmission connexe solidaires à une extrémité de la ligne principale pour la mesure des propriétés diélectriques d’un matériau solide ou liquide, la ligne principale et les deux lignes étant espacées l’une de l’autre par une fente (5) et étant rendues solidaires d’un substrat (6), solidaire d’un support (7), les lignes étant constituées par des matériaux polymères biodégradables conducteurs de l’électricité, le substrat (6) étant constitué par un matériau polymère biodégradable, la ligne principale présentant une largeur lui conférant une impédance de l’ordre de 50 Ohm, les deux lignes de transmission connexe étant sensiblement de même largeur, d’une longueur égale au moins au quart de la longueur d’onde guidée dans le substrat, le substrat étant appliqué sur le support conducteur (7). Figure 2b
Description
Description
Titre de l'invention : Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible
Domaine de l’invention
[0001] Le secteur technique de la présente invention est celui des capteurs micro-ondes immergeables, recyclables, biocompatibles et/ou biodégradables se présentant sous la forme d’un micro-ruban aptes à caractériser les propriétés diélectriques des matériaux à l’état solide, semi-solide, liquide, granulaire et gazeux.
Etat de la technique
[0002] Bien que les capteurs micro-ondes possèdent un grand potentiel d’utilisation dans de nombreuses applications, leurs matériaux constitutifs limitent considérablement leurs applications notamment pour des applications biologiques et/ou respectueuses de l’environnement.
[0003] De nombreuses études ont été entreprises afin de caractériser les propriétés des matériaux en utilisant des fréquences micro-ondes par des méthodes interférométriques. Ces études ont porté sur la mesure de la constante diélectrique et des pertes diélectriques à différentes gammes de fréquences.
[0004] Ainsi, l’article publié par Muhammad Amin, Rashad Ramzan et Omar Siddiqui dans la revue SCIENTILIC 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.
[0005] 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.
[0006] 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 microruban 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] L’ensemble des documents cités précédemment n’évoque pas la réalisation d’un capteur réalisé avec des matériaux écologiques biodégradables et recyclables en étant biocompatibles.
Exposé de l’invention
[0010] Le but de la présente invention est de proposer un capteur micro-onde à base de matériaux écologiques, biodégradables, recyclables et/ou biocompatibles aptes à minimiser les déchets et dont le coût énergétique de fabrication est faible.
[0011] Un autre but de l’invention est de proposer un capteur micro-onde biodégradable immergeable ou partiellement immergeable permettant de détecter la nature d’un matériau liquide ou solide en définissant une structure micro-onde résonante suivant les propriétés diélectriques dudit matériau à tester.
[0012] L’invention a donc pour objet un capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible du type à micro-ruban constitué d’une ligne principale reliée à un circuit électrique injectant un signal sinusoïdal et d’au moins deux lignes de transmission connexe solidaires à une extrémité de la ligne principale pour la mesure des propriétés diélectriques d’un matériau solide ou liquide, 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, solidaire d’un support, caractérisé en ce que la ligne principale, les au moins deux lignes de transmission connexe et le support sont constitués par des matériaux recyclables, de polymères conducteurs de l’électricité et/ou biodégradables, en ce que le substrat est constitué par un matériau polymère (isolant électrique) biodégradable, et en ce que la ligne principale présente une largeur (1) 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 épaisseur lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat étant appliqué sur le support conducteur.
[0013] Selon une caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, l’ensemble constitué par le support, le substrat et les lignes sont isolé électriquement à l’aide d’un revêtement constitué par une couche de matériau polymère biocompatible et/ou biodégradable.
[0014] Avantageusement, le revêtement est représenté par du parylène dont l’épaisseur est supérieure ou égale à 1 pm.
[0015] Selon une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, la fente présente une largeur supérieure ou égale à 50 pm.
[0016] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, le support conducteur présente une préférentiellement épaisseur supérieure à 20 pm.
[0017] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, l’épaisseur (h) du substrat est comprise entre 100 et 5000 pm et avantageusement de l’ordre de 1,6 mm.
[0018] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, le substrat présente une permittivité comprise entre 1 et 40, avantageusement de l’ordre de 5,5.
[0019] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, le matériau solide ou liquide à tester est disposé dans la fente délimitée par les au moins deux lignes de transmission connexe.
[0020] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, le capteur comporte deux lignes de transmission connexe, la fente présentant une largeur inférieure à deux fois la hauteur du substrat et avantageusement de l’ordre de 1,6 mm.
[0021] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, chacune des deux lignes de transmission connexe présentent une largeur inférieure à la hauteur du substrat et avantageusement de l’ordre de 150 pm.
[0022] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l’invention, chacune des deux lignes de transmission connexe présentent une longueur sensiblement égale et comprise entre 500 pm et 50 cm, et avantageusement de l’ordre de 47 mm.
[0023] L’invention vise encore l’application du capteur micro-onde micro-ruban à la caractérisation d’échantillons liquides ou solides ou gazeux, in vitro.
[0024] Un tout premier avantage du capteur selon l’invention réside dans la fiabilité de la détection des caractéristiques des matériaux.
[0025] 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.
[0026] Un autre avantage encore du capteur selon l’invention réside dans son coût et sa mise en œuvre très faibles.
[0027] Un autre avantage encore du capteur selon l’invention réside dans son utilisation dans un environnement gazeux, liquide ou solide.
[0028] 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.
[0029] Un autre avantage encore du capteur selon l’invention réside dans son utilisation comme capteur à faible empreinte environnementale basé sur des matériaux biodégradables et/ou recyclables.
[0030] Un autre avantage encore du capteur selon l’invention réside dans la mesure d’une activité biologique.
Brève description des dessins
[0031] 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 :
[0032] [fig. 1] représente le circuit électrique dans lequel le capteur selon l’invention peut être intégré,
[0033] [fig.2a] représente une vue de dessus du capteur selon l’invention,
[0034] [fig.2b] représente une vue en coupe selon AA de la figure 2,
[0035] [fig.3] représente une vue de dessus du capteur partiellement protégé par un revêtement,
[0036] [fig.4] illustre l’apposition d’un échantillon solide sur le détecteur dans la fente,
[0037] [fig.5] illustre l’apposition d’un échantillon solide appliqué sur les lignes de transmission connexe du détecteur,
[0038] [fig.6] illustre l’apposition d’un échantillon solide sur l’ensemble de la surface du détecteur,
[0039] [fig.7a] illustre l’apposition d’un récipient contenant un échantillon dans la fente sur le détecteur,
[0040] [fig.7b] illustre l’apposition d’un tube dans la fente sur le détecteur,
[0041] [fig.8] illustre le principe de fonctionnement du capteur selon l’invention d’un point de vue électrique et de dimensionnement,
[0042] [fig.9] illustre un exemple concret de réalisation du capteur, et
[0043] [fig. 10] illustre l’effet de l’épaisseur du polymère conducteur sur la réponse fréquentielle.
[0044] Description détaillée de modes de réalisation de l’invention
[0045] L’invention va maintenant être décrite avec davantage de détails.
[0046] Le capteur recyclable et/ou biodégradable et biocompatible 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 cinterférence 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 est appelée fréquence de résonance.
[0047] Cette fréquence de résonance propre au capteur se décale en fonction de l’élément apposé sur les lignes du détecteur. Ce décalage fréquentiel de résonance due à la présence de matériau à tester sert de signature fréquentielle propre au matériau mais aussi à caractériser les propriétés du dit élément.
[0048] Technologiquement, le capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable 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 biocompatible, biodégradable et /ou recyclable peut toutefois se décliner sous d’autres technologies telle le résonateur en anneau ou antenne planaire micro-ruban, 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.
[0049] Le capteur selon l’invention se distingue des réalisations classiques par l’utilisation de matériaux biodégradables, biocompatibles et/ou recyclables. Ce capteur est tout à fait adapté pour la caractérisation de matériaux organiques ou inorganiques quelle que soit leur quantité, utilisable en milieu liquide, à l’air ou sous vide et en température (<150 °C).
[0050] L’utilisation de polymères conducteurs de l’électricité comme électrodes peuvent présenter des dispersions importantes en terme de modification de leurs conductivités en fonction de la fréquence et du milieu auquel ils sont exposés (température élevée, radiation UV, atmosphère oxygénée et humide). Dans la présente invention, le rôle des électrodes est essentiel et l’utilisation de polymères conducteurs est conditionnée par la conductivité, l’épaisseur et les facteurs de dégradation mécaniques et chimiques notamment, liés à l’environnement d’utilisation du capteur. Le capteur décrit ci-après répond à ces exigences.
[0051] Sur la figure 1, on a représenté un circuit électrique 23 pour la mise en œuvre du capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable 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.
[0052] Sur les figures 2a et 2b, on a représenté le capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable 1 selon l’invention qui est du type à micro-ruban constitué d’une ligne principale 2 reliée au circuit électrique 23 et de deux lignes de transmission connexe 3, 4 solidaires à une extrémité de la ligne principale 2, et libres 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, espacées l’une de l’autre par une fente 5, sont rendues solidaires d’un substrat 6.
[0053] Les lignes 2, 3 et 4 sont des matériaux polymères conducteurs de l’électricité comme par exemple le polyparaphénylène (PPP), le poly thiophene (PTh), la poly aniline (PANI), le Polypyrrole (PPy), le mélange de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) et d’un mélange de deux polymères, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS). Elles constituent une électrode recyclable et/ ou biocompatible du capteur (lignes 2, 3 et4), l’autre électrode étant constituée par le support 7 sur lequel le substrat 6 est posé ou fixé. Ces matériaux polymères conducteurs sont bien connus pour leur flexibilité et leur biocompatibilité et/ou leur biodégradabilité lorsqu’ils sont mélangés ou composés d’autres alliages. En outre, ils sont compatibles avec la technologie de micro-fabrication conventionnelle.
[0054] La figure 2b représentant une coupe transversale selon AA de la figure 2 montre le support 7 et un revêtement 8 constitué par une couche d’un polymère inerte en milieu liquide et biocompatible tel que du Parylène permettant d’isoler électriquement l’ensemble constitué par le substrat 6 et les lignes 2, 3, 4. Le parylène est homologué par la pharmacopée des Etats-Unis d’Amérique pour des implants à long terme dans le corps humain.
[0055] Sur cette figure 2b, on voit que le revêtement biocompatible 8 recouvre entièrement du capteur 1 et est préférentiellement inerte en milieu liquide.
[0056] Le support (ou plan de masse) 7 qui constitue l’autre électrode du capteur peut être déposé sur le substrat 6 biocompatible ou biodégradable par un dépôt à la tournette, par un dépôt électrolytique, ou par sérigraphie.
[0057] Le revêtement isolant 8 (tel que le parylène) peut se présenter sous la forme d’une enveloppe fermée sauf au niveau des ports pour permettre le contact 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 peut également recouvrir partiellement le capteur 1 en laissant une zone libre qui sera directement en contact avec l’échantillon à caractériser à l’état solide, liquide ou gazeux interagissant directement les électrodes.
[0058] Sur la figure 2b, on voit que le substrat 6 est apposé sur la couche 7 uniforme constitué par un matériau conducteur biodégradable et/ou biocompatible d’une épaisseur de l’ordre de 20 à 50 pm. Avantageusement, la couche 7 présente une épaisseur de l’ordre de 35 pm.
[0059] Le capteur micro-onde biodégradable et/ou recyclable ainsi conçu constitue un dispositif compact permettant une utilisation simple à un coût très abordable. Ce capteur permet donc la réalisation de dispositifs de reconnaissance, de surveillance, doués d’une fiabilité utilisable dans des applications variées dans le domaine de la chimie, de la pharmacie, de l’alimentation.
[0060] Avantageusement, la fente 5 présente une largeur de l’ordre de 2,2 mm à 6 mm et chacune des deux lignes 3, 4 de transmission connexe une largeur de 1,6 mm et une longueur de 47 mm.
[0061] 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.
[0062] Le substrat 6 peut être de différents types : recyclables, flexibles, biocompatibles ou biodégradables. On citera à titre d’exemple le verre, les polyimides, l’acide polyactique (PLA), l’acide polyglycolique (PGA), le polybétahydroxybutyrate (PHB) ou le polybéta-hydroxy butyrate-covalerate (PHBV).
[0063] A titre d’illustration, le capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable peut comprendre :
[0064] - les lignes 2, 3 et 4 constituées de polymère conducteur,
[0065] - le support 7 constitué de polymère conducteur,
[0066] - le substrat 6 constitué par l’acide polyactique,
[0067] - le revêtement 8 constitué par du parylène.
[0068] Dans le cas d’un capteur recyclable, le substrat 6 de verre peut présenter une hauteur (h) de l’ordre de l’ordre de 1,6 mm et une permittivité de 5,5.
[0069] 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, 4 sont sensiblement de même largeur et d’une longueur égale au moins au 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.
[0070] 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 (λ/4), longueur d’onde correspondante à la fréquence de résonance initiale de travail (f r ), 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 employée 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.
[0071] 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 demilongueur d’onde guidée (λ/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.
[0072] Par ailleurs, la présente invention en termes de performance et de large éventail d’applications visées se base sur une configuration correspondant à deux lignes λ/4 à fentes (S) terminées en court-circuit ouvert(CO).
[0073] On notera que l’impédance d’entrée d’une ligne λ/4 terminée par un court-circuit ouvert est identique à l’impédance d’entrée d’une ligne λ/2 fermée par un court-circuit.
[0074] La ligne λ/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 λ/4 est deux fois plus courte qu’une ligne λ/2 fermée en court-circuit et n’impose pas de percer le substrat pour créer la connexion avec le support 7 constituant un plan de masse.
[0075] Le revêtement polymère 8 est avantageusement constitué par du 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.
[0076] 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.
[0077] 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.
[0078] En d’autres termes, le polymère isolant 8 n’a aucun impact sensible sur le comportement électromagnétique du dispositif et donc sur ses performances.
[0079] 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.
[0080] 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 5 de largeur (s). La longueur totale (L t ) de la ligne principale 2 est égale à : Lt= dl + W1 + S + W2 + d2.
[0081] De préférence, on choisit dl = d2 mais le fonctionnement du capteur selon l’invention reste valable si cette condition n’est pas vérifiée.
[0082] Lorsqu’on souhaite étudier un matériau solide ou liquide de faible volume par exemple inférieur à 0,001 mm3, celui-ci est disposé dans la fente 5 délimitée par les deux lignes 3 et 4 de transmission connexe. 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.
[0083] Le principe de fonctionnement du capteur selon la présente invention repose sur le couplage entre les deux rubans 3 et 4 qui consiste à détecter les changements du paramètre de transmission S21 en termes d’amplitude, de décalage de fréquence de résonance et de largeur de bande attribué au matériau à tester.
[0084] Ce couplage défini par la fente 5 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 à tester (MUT : Material Under Test) liquide ou solide et de permittivité relative différente de 1 (er mut *1) est appliqué sur le capteur ou sur la fente pour un matériau de faible quantité ou encombrement.
[0085] 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 ;ouh2 s h) et de même longueur L stub que les deux rubans 3 et 4. Ce matériau MUT présente une permittivité relative er MUT = ε r2 (a priori inconnue) tandis que la permittivité du substrat 6 du capteur est bien connue (ε ri = 5,5).
[0086] La figure 3 illustre une variante de réalisation du capteur 1 en vue de dessus selon laquelle ce capteur est partiellement protégé par le revêtement 8 biocompatible et partiellement inerte en milieu liquide.
[0087] La figure 4 représente le matériau (MUT) 9 à tester apposé sur le capteur 1 précédemment décrit. Dans cette configuration, le matériau 9 est inséré entre les deux rubans 3 et 4. Il se présente sous la forme d’un échantillon de faibles dimensions, le volume étant inférieur par exemple à 0,001 mm3.
[0088] 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.ereff_A.(Lstub.S)/h
[0089] dans laquelle ereff_A correspond à une permittivité relative effective de l’environnement électromagnétique situé entre les rubans 3 et 4, environnement normalement impacté par ε ri, ε r2, h, S et W mut , L stub , la longueur des rubans, S la largeur de la fente et h la hauteur du substrat.
[0090] De même, la capacité de couplage Ci entre les rubans 3 et 4 peut être exprimée par la relation :
Cl = eo.ereff_B.(Lstub.S)/t
[0091] dans laquelle ereff_B correspond à une permittivité relative effective de l’environnement électromagnétique situé entre les rubans 3 et 4, normalement impacté par ε ri, ε r2, t, S et W mut , L stub la longueur des rubans, S la largeur de la fente et t l’épaisseur des rubans.
urefi'B = f(erl, er2)
[0092] La valeur de la permittivité relative εΓ[ du matériau 9 impacte essentiellement la valeur de la capacité Ci et, et en conséquence la fréquence de résonance de la structure.
[0093] Dans l’invention, on privilégie le couplage capacitif modélisé par C i par rapport aux capacités C 0. Afin d’obtenir ce résultat, il est nécessaire que la capacité C i soit supérieure à C 0, ce qui suppose de satisfaire les trois conditions suivantes : Pour Cl > Co:
[0094] La hauteur du substrat 6 est généralement de faible dimension (quelques centaines de micromètres) : par conséquent, le dispositif présentera :
[0095] - 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.
[0096] - une largeur S de fente de l’ordre quelques centaines de micromètres à quelques millimètres selon la hauteur de substrat considérée.
[0097] Ces conditions sont nécessaires pour assurer le couplage capacitif et permettent la modélisation présentée ci-après.
[0098] Sur la figure 5, on a représenté le capteur 1 de la figure 3 mais en utilisant un matériau 10 dont la largeur est égale à celle des deux rubans 3 et 4 et de la fente 5, les autres éléments étant inchangés.
[0099] Sur la figure 6, on a représenté le capteur 1 de la figure 3 mais en utilisant un matériau 11 dont la largeur est égale à celle du substrat 6 en recouvrant totalement les lignes 2, 3 et 4, les autres éléments étant inchangés.
[0100] On comprend que dans le cas des configurations selon les figures 5 et 6, les conditions précédemment énoncées sont remplies. On voit que l’épaisseur t des rubans 3 et 5 est petite par rapport à l’épaisseur h du substrat 6. On sait que l’impédance caractéristique de la ligne de transmission 2 du capteur micro-onde biocompatible et/ou biodégradable dépend de ses dimensions et de la nature du substrat 6.
[0101] Ainsi, sur la figure 10, on a illustré l’influence de différentes épaisseurs de polymère conducteur constituant les lignes 2, 3 et 4 sur la réponse fréquentielle du capteur ca ractérisée par l’évolution fréquentielle du module du paramètre de transmission S21. L’évolution de la résonance en fonction de l’épaisseur de polymère conducteur permet de constater qu’une épaisseur de 15 à 20 pm suffit pour obtenir une résonance au coefficient de qualité suffisant pour la plupart des applications envisagées.
[0102] Sur la figure 7a, on a représenté un réservoir 12 reposant sur les lignes 3 et 4 du détecteur renfermant un échantillon 13. 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 l’étude de matériaux pulvérulents ou des liquides.
[0103] Sur la figure 7b, on a représenté un canal fluidique 14 disposé dans la fente 9 permettant de faire circuler un liquide à analyser entre les rubans. Ce canal 14 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.
[0104] Sur la figure 8, 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 C i.
[0105] 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).
[0106] Sur la figure 9, on a représenté la réalisation concrète d’un capteur 1 dont les dimensions sont indiquées et font partie intégrante de la présente description. Dans cette configuration le substrat 6 est du verre.
[0107] Le schéma équivalent du dispositif global est détaillé par la figure 8. Ce schéma équivalent inclut celui du ruban de type R-L-C impliquant la capacité C 0 pour chacun d’entre eux.
[0108] 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= f ri -f r2 ) constatée lorsque la permittivité du matériau MUT est modifiée (variation de permittivité Δε r et donc variation de la capacité Cl).
[0109] La sensibilité du capteur selon l’invention est très importante, ce qui constitue un avantage très précieux pour distinguer deux matériaux de permittivité proche.
[0110] Dans des exemples particuliers, on peut adopter une fente 5 de largeur S = 1,6 mm. Elle est égale à la largeur du matériau sous test MUT, à savoir 1,6 mm. La largeur des rubans 3 et 4 est égale à W1 = W2 = W = 150 μηι.
[OUI] 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 = 880 MHz)
[0112] Lorsque la largeur du matériau à tester est inférieure à la largeur de fente 5, le couplage capacitif est nettement altéré voire inexistant. Le champ électrique ne pénètre alors pratiquement pas le matériau.
[0113] De ce fait, la sensibilité du dispositif est fortement dégradée. Il convient d’éviter ce type de configuration.
[0114] 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 5 pour que celle-ci soit toujours de plus faible largeur que celle du matériau à tester.
[0115] 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 7. 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.
[0116] Lorsque la largeur de fente devient trop grande devant la hauteur de substrat, la qualité de la résonance est radicalement affectée.
[0117] La montée en fréquence du capteur selon l’invention nécessite de réduire la longueur L stUb des stubs. La limite ultime à cette réduction est le rapport d’aspect doit être L stub /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 la figure 8 (ε r =5,5, h =1,6 mm).
[0118] 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=Zg/4 = λο/(4. er 1/2) où :
[0119] - ε r est la permittivité du substrat (ε r = 5,5) dans notre exemple,
- 7.g est la longueur d’onde guidée,
[0120] -λο est la longueur d’onde dans le vide : λο = c/f, - f : fréquence.
[0121] On peut donc définir la fréquence maximale de fonctionnement du ruban comme égale à :
[0122] fmax = c/ λο = c/(L stub.min .(4. ε rV2 )) avec L = 5.W
Soit fmax =c/(W.2O. er 1/2)
[0123] 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.
[0124] 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.
[0125] 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.
[0126] 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, à différentes fréquences. Le capteur hyperfréquence 1 permet donc de s’affranchir de montages complexes voir la destruction d’un échantillon.
[0127] 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.
[0128] Le capteur 1 selon l’invention permet de discriminer chaque signature de matériaux caractérisés définis par leurs permittivités mais aussi par leurs pertes (pertes tangentielles).
[0129] Le capteur 1 selon l’invention permet de détecter chaque signature de milieu auquel il est exposé par le biais de facteurs de dégradations de polymères conducteurs totalement ou partiellement protégé tel que la montée en température, l’exposition au radiation UV et au gaz.
[0130] Pour le capteur 1 selon l’invention, des changements peuvent être apporté en termes de dimensionnement de fréquence de fonctionnement selon l’application visée.
[0131] Le capteur 1 selon l’invention permet donc d’accéder à un grand nombre d’applications industrielles comme par exemple le niveau de liquide dans un réservoir, la signature des produits alimentaires, chimiques ou pharmaceutiques. Ainsi, dans le domaine biomédical l’invention offre un outil de diagnostic d’utilisation immédiate sans destruction de l’échantillon.
[0132] L’association de polymères conducteurs biocompatibles et/ou biodégradables avec un substrat également recyclable et/ou biodégradable offre une dimension considérable pour l’environnement tout en préservant les performances du capteur. L’invention permet donc l’accès à une nouvelle génération de capteurs électromagnétiques bas coût, fondés sur des matériaux verts qui minimisent les déchets et dont le coût énergétique de fabrication est faible.
[0133] Le capteur selon l’invention permet la caractérisation in vitro des propriétés diélectriques de matériaux solides, liquides ou gazeux de faible volume, de l’ordre du mm3.
Claims (1)
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Revendications [Revendication 1] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban constitué d’une ligne principale (2) reliée à un circuit électrique (23) injectant un signal sinusoïdal et d’au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe solidaires à une extrémité de la ligne principale (2) pour la mesure des propriétés diélectriques d’un matériau solide ou liquide, la ligne principale (2) et les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe étant espacées l’une de l’autre par une fente (5) et étant rendues solidaires d’un substrat (6), solidaire d’un support (7), caractérisé en ce que la ligne principale (2), les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe et le support (7) sont constitués par des matériaux polymères biodégradables et conducteurs de l’électricité, en ce que le substrat (6) est constitué par un matériau polymère biodégradable, et en ce que la ligne principale (2) présente une largeur (1) 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, le substrat (6) présentant une épaisseur lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat (6) étant appliqué sur le support conducteur (7). [Revendication 2] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable (1) du type à microruban selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’ensemble constitué par le support conducteur (7), le substrat (6) et les lignes conductrices (2, 3, 4) est isolé électriquement à l’aide d’un revêtement (8) constitué par une couche de matériau polymère biocompatible et/ou biodégradable. [Revendication 3] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement (8) est représenté par du parylène dont l’épaisseur est supérieure ou égale à 1 pm. [Revendication 4] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fente (5) présente une largeur supérieure ou égale à 50 pm. [Revendication 5] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support conducteur (7) présente une épaisseur de l’ordre de 35 pm. [Revendication 6] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’épaisseur (h) du substrat (6) est comprise entre 100 et 5000 pm et avantageusement de l’ordre de 1,6 mm. [Revendication 7] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (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 5,5. [Revendication 8] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau solide ou liquide à tester est disposé dans la fente (5) délimitée par les au moins deux lignes (3, 4) de transmission connexe. [Revendication 9] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (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 (5) présentant une largeur inférieure à deux fois la hauteur du substrat (6) et avantageusement de l’ordre de 1,6 mm. [Revendication 10] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacune des deux lignes (3, 4) de transmission connexe présente une largeur inférieure à la hauteur du substrat (6) et avantageusement de l’ordre de 150 pm. [Revendication 11] Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) du type à micro-ruban selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé chacune des deux lignes (3, 4) de transmission connexe présentent une longueur sensiblement égale et comprise entre 500 pm et 50 cm, et avantageusement de l’ordre de 47 mm. [Revendication 12] Application du capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible (1) micro-ruban selon l’une quelconque des revendications précédentes, à la caractérisation d’échantillons liquides ou solides in vitro. 1/6
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