FR3094484A1 - Dispositif résonateur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif résonateur pour mesurer une contrainte comprenant au moins deux résonateurs, chaque résonateur comprenant une structure de transducteur interdigité arrangée entre deux structures réfléchissantes sur ou dans un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que les au moins deux résonateurs sont arrangés et positionnés de sorte qu'ils ont deux directions de propagation d’onde différentes et que chaque résonateur comprend au moins deux parties avec la zone située entre les deux parties des au moins deux résonateurs formant une cavité, dans lequel la cavité est partagée par les au moins deux résonateurs. L'invention concerne également un dispositif capteur différentielle comprenant au moins un dispositif résonateur tel que décrit précédemment. Figure pour l’abrégé : Fig. 2a
Description
L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques pour des applications de capteur, et plus particulièrement des capteurs différentiels à ondes acoustiques.
Les capteurs sont d’une importance croissante et deviennent de plus en plus omniprésents dans la vie de tous les jours. Les systèmes mécaniques microélectriques (MEMS) sont une option attrayante pour répondre à la demande de performances accrues de capteurs avec des tailles et des coûts réduits. Les capteurs à ondes acoustiques de surface (SAW), et dans une moindre mesure les capteurs à ondes acoustiques de volume (BAW) ou les capteurs acoustiques à onde de Lamb ou à ondes de Love ou les capteurs acoustiques au mode de plaque de cisaillement, offrent des options particulièrement avantageuses en raison d'une grande variété de paramètres ambiants mesurables, notamment la température, la pression, la contrainte et la torsion, par exemple.
Les capteurs à ondes acoustiques utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir un signal électrique en une onde mécanique/acoustique. Les capteurs à base de SAW sont construits sur des matériaux piézoélectriques monocristallins tels que du quartz (SiO2), du niobate de lithium (LiNbO3), du tantalate de lithium (LiTaO3), du langasite (LGS) et du nitrure d'aluminium (AlN) ou de l'oxyde de zinc (ZnO) déposés sur du silicium. Un transducteur interdigité (IDT) convertit l'énergie électrique d'un signal électrique incident en énergie d'onde acoustique. L'onde acoustique se déplace à travers la surface (ou dans la masse) d'un substrat de dispositif via ce que l’on nomme une ligne à retard jusqu'à un autre IDT qui convertit l'onde acoustique en un signal électrique pouvant être détecté. Dans certains dispositifs, des absorbeurs mécaniques et/ou des réflecteurs sont fournis afin d'éviter des motifs d'interférence et de réduire une perte d'insertion. Dans certains dispositifs, l'autre IDT (de sortie) est remplacé par un réflecteur qui réfléchit l'onde acoustique générée en arrière vers l'IDT (d'entrée) qui peut être couplé à une antenne pour une interrogation à distance du dispositif capteur.
Une classe particulière de capteurs acoustiques comprend des résonateurs présentant des fréquences de résonance qui varient selon des conditions ambiantes variables. Un résonateur à ondes de surface conventionnel, par exemple, comprend un transducteur électroacoustique avec des peignes inter-interdigités arrangés entre des miroirs de Bragg. A la fréquence de résonance, la condition de synchronisme entre les réflecteurs est satisfaite, permettant d'obtenir une addition cohérente des différentes réflexions qui se produisent sous les réflecteurs. Un maximum d'énergie acoustique est alors observé dans la cavité résonante et, d'un point de vue électrique, un maximum d'amplitude du courant admis par le transducteur est observé.
Les capteurs différentiels à ondes acoustiques comprennent deux résonateurs ou plus présentant des fréquences de résonance différentes, les différences dans les fréquences mesurées reflétant des variations du paramètre à mesurer, par exemple une contrainte.
Le capteur différentiel doit être capable de séparer l’origine de la perturbation et de réduire ou de supprimer les contributions d’autres paramètres, comme par exemple des vibrations ou une température. Cela nécessite le développement d'un capteur différentiel pour lequel la sensibilité à la température et aux vibrations doit être aussi faible que possible ou rigoureusement égale d'un résonateur à l'autre afin de permettre son rejet par soustraction de signal.
La figure 1 représente un capteur différentiel à ondes acoustiques de surface selon l'état de la technique antérieure. Ce capteur est configuré pour mesurer une contrainte, par exemple sur un objet en rotation. Le capteur différentiel à ondes acoustiques de surface 100 comprend deux résonateurs à ondes acoustiques de surface 102, 104 fournis sur un substrat piézoélectrique 106. Chaque résonateur à ondes acoustiques de surface 102, 104 comprend une structure de transducteur interdigité 108, 110 et une paire de structures réfléchissantes 112, 114, 116, 118. Les structures réfléchissantes 112, 114 sont arrangées de chaque côté de la structure de transducteur interdigité 108 et les structures réfléchissantes 116 et 118 de chaque côté de la structure de transducteur interdigité 110, dans les deux cas par rapport à la direction de propagation de l'onde acoustique, voir les flèches 120, 122, de la structure de transducteur correspondante 108, 110. Les deux résonateurs 102 et 104 sont connectés électriquement l'un à l'autre de manière différentielle par deux lignes conductrices 124 et 126.
Les deux résonateurs 102, 104 sont positionnés sur le substrat piézoélectrique 106 avec un angle Ψ de ± 45° par rapport à l'axe cristallographique X d'un substrat de quartz à rotation unique 106, correspondant à la direction de propagation habituelle d'une onde de Rayleigh. Ainsi, les deux résonateurs sont perpendiculaires l'un à l'autre.
Chaque résonateur 102, 104 présente un pic de résonance à une fréquence f1, f2 respectivement.
Les résonateurs 102, 104 sont connectés en parallèle puis connectés à une antenne à interroger sans fil, la mesure différentielle résultant de la différence des fréquences de résonance mesurées simultanément ou séquentiellement.
En alignant un résonateur 102, 104 parallèlement à la direction radiale d'un objet en rotation, le capteur différentiel 100 est sensible à une contrainte radiale se produisant sur l'objet. En cas de contrainte radiale, des déformations se produisent dans le capteur, entraînant une extension dans le premier résonateur et une contraction dans l'autre. Cela conduit à des changements avec des signes opposés et généralement la même valeur absolue, dans les fréquences de résonance. Ainsi, la différence entre les fréquences de résonance varie par la somme des deux valeurs absolues. En mesurant la variation de la différence Δf entre les deux fréquences de résonance, il est possible de déterminer la force appliquée, comme la différence Δf est linéairement proportionnelle au couple M. Des effets de variation de température non souhaités s'annulent toutefois, car ils vont affecter les deux résonateurs de la même manière.
Cependant, dans le capteur différentiel 100 selon l'état de la technique, l'état de contrainte n'est pas mesuré au même endroit par les deux résonateurs 102, 104, ni la température. En conséquence, des inhomogénéités dans le matériau de l’objet pourraient avoir des conséquences négatives sur la mesure, ce qui entraînerait des erreurs dans la détermination de la contrainte.
Le but de l'invention est donc de surmonter l'inconvénient cité ci-dessus, résultant en un dispositif capteur amélioré.
L'objet de l'invention est atteint par un dispositif résonateur comprenant au moins deux résonateurs, chaque résonateur comprenant une structure de transducteur interdigité arrangée entre deux structures réfléchissantes sur ou dans un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que les au moins deux résonateurs sont arrangés et positionnés de sorte qu'ils ont deux directions de propagation d’onde différentes et que chaque résonateur comprend au moins deux parties avec la zone située entre les deux parties des au moins deux résonateurs formant une cavité, dans laquelle la cavité est partagée par les au moins deux résonateurs. Ainsi, les deux résonateurs du dispositif mesurent au même endroit et la mesure est donc moins influencée par des inhomogénéités du matériau sur lequel les résonateurs sont fixés. Ceci est contraire au dispositif de l'état de la technique, où chaque résonateur mesure à un emplacement différent.
Selon une variante de l'invention, chacune des au moins deux parties des au moins deux résonateurs peut comprendre au moins une structure réfléchissante et une partie de la structure de transducteur interdigité du résonateur correspondant. Le dispositif tel que décrit permet de gérer les effets parasites dus aux effets de directivité.
Selon une variante de l'invention, la structure de transducteur interdigité du résonateur peut comprendre des électrodes en peigne interdigitées, et pour au moins une structure de transducteur des au moins deux résonateurs, lesdites électrodes en peigne interdigitées sont définies par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement de ladite structure de transducteur et p étant le pas d'électrodes de ladite structure de transducteur. Le dispositif tel que décrit permet de gérer des effets parasites dus à des effets de directivité.
Selon une variante, les deux directions de propagation d’onde différentes des au moins deux résonateurs peuvent former un angle Θ l'une avec l'autre, Θ étant égal à ± 90° ou moins.
Selon une variante de l'invention, les électrodes de la structure de transducteur interdigité d’un résonateur peuvent être connectées électriquement aux électrodes de la structure de transducteur de l'autre résonateur de manière différentielle. La connexion entre les électrodes des au moins deux résonateurs peut être soit en parallèle, ou en série, en fonction de leurs conditions de fonctionnement. Ainsi, le dispositif selon l'invention peut fonctionner soit en résonance ou en antirésonance, en fonction des choix de conception, contrairement au dispositif de l'état de la technique.
Selon une variante de l'invention, au moins un des résonateurs peut être arrangé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d’onde soit parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique.
Selon une variante de l'invention, au moins un des résonateurs peut être arrangé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d'onde fasse un angle Ψ par rapport à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique, en particulier un angle Ψ égal à ± 45°.
Selon une variante de l'invention, au moins une partie de la surface de la cavité peut être métallisée. Le dispositif tel que décrit permet de filtrer ou de sélectionner les modes possibles de la structure, et permet même de fonctionner dans une configuration en mode couplé.
Selon une variante de l'invention, la métallisation de la cavité peut comporter au moins un ou plusieurs réseaux. Lorsque plusieurs réseaux sont présents, les réseaux sont superposés les uns aux autres. Le dispositif tel que décrit permet de filtrer ou de sélectionner les modes possibles de la structure, et permet même de fonctionner dans une configuration en mode couplé.
Selon une variante de l'invention, chacune des structures réfléchissantes des résonateurs peut comporter une ou plusieurs bandes métalliques, lesdites bandes métalliques étant connectées les unes aux autres ou connectées à la terre. Ainsi, les résonateurs peuvent également être des dispositifs à étiquette. En outre, la connexion des bandes métalliques les unes aux autres ou à la terre entraîne une amélioration du coefficient de réflexion des structures réfléchissantes à la condition de Bragg. A la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues aux charges électriques et mécaniques sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur dans la condition de Bragg entraîne une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante.
Selon une variante de l'invention, le résonateur peut être un résonateur à ondes acoustiques de surface (SAW), un résonateur à ondes acoustiques de volume (BAW), un résonateur acoustique à ondes de Lamb, un résonateur acoustique à ondes de Love ou un résonateur acoustique au mode de plaque de cisaillement.
Le but de l'invention est également atteint par un dispositif capteur différentiel, ledit dispositif capteur peut comprendre au moins un dispositif résonateur tel que décrit précédemment. Le dispositif capteur différentiel permet de mesurer les forces radiales et tangentielles de manière différentielle, à savoir que le système de capteur permet de mesurer la contrainte en séparant l’origine de la perturbation et d’être immunisé contre d’autres stimuli comme la température, les vibrations ou la pression.
Selon une variante de l'invention, la direction de propagation de l'un des résonateurs peut être parallèle ou perpendiculaire à une direction radiale pour capter une force radiale. Le résonateur permet de mesurer les forces radiales de manière différentielle, à savoir que le dispositif capteur permet de mesurer la contrainte en séparant l’origine de la perturbation et d’être immunisé contre d’autres stimuli comme la température, les vibrations ou la pression.
Selon une variante de l'invention, la direction de propagation de l'un des résonateurs est à un angle Ψ, en particulier à 45° par rapport à une direction radiale pour capter une force tangentielle. Le résonateur permet de mesurer les forces tangentielles de manière différentielle, à savoir que le dispositif capteur permet de mesurer la contrainte en séparant l’origine de la perturbation et d’être immunisé contre d’autres stimuli comme la température, les vibrations ou la pression.
Selon une variante de l'invention, un dispositif résonateur peut être arrangé de sorte que sa direction de propagation d’onde soit parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique et un dispositif résonateur peut être arrangé de sorte que sa direction de propagation d’onde fasse un angle Ψ par rapport à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique, en particulier un angle Ψ égal à ± 45°. Le dispositif capteur différentiel permet de mesurer les deux forces radiales et tangentielles de manière différentielle, à savoir que le dispositif capteur permet de mesurer la contrainte en séparant l’origine de la perturbation et d’être immunisé contre d’autres stimuli comme la température, les vibrations ou la pression.
Selon une variante de l'invention, le dispositif capteur différentiel peut en outre comprendre une antenne connectée à au moins un dispositif résonateur.
Selon une variante de l'invention, au moins deux dispositifs résonateurs différentiels peuvent être fournis sur un même substrat piézoélectrique. Par conséquent, le processus de fabrication sera simplifié et plus rapide par rapport au dispositif de l'état de la technique pour lequel chaque capteur différentiel est fabriqué sur un substrat séparé, car les deux capteurs différentiels partagent les mêmes caractéristiques structurelles et les mêmes dimensions.
L'invention peut être comprise en se référant à la description suivante conjointement avec les figures annexées, dans lesquelles des références numériques identifient des caractéristiques de l'invention.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail en utilisant des modes de réalisation avantageux d'une manière exemplaire et en se reportant aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles et il convient de garder à l'esprit que les caractéristiques individuelles telles que décrites ci-dessus peuvent être fournies indépendamment les unes des autres ou peuvent être omises complètement pendant la mise en œuvre de la présente invention.
La figure 2a représente un dispositif résonateur selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce qui suit, le dispositif résonateur sera décrit comme un dispositif résonateur à ondes acoustiques de surface (SAW). Selon les variantes, des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW), des résonateurs à ondes de Lamb ou à ondes de Love ou des résonateurs au mode de plaque de cisaillement pourraient être utilisés de la même façon selon l'invention.
Sur la figure 2a, le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 comprend deux résonateurs à ondes acoustiques de surface 202, 204 fournis sur ou dans un substrat propagateur d’onde acoustique de surface 206. Chaque résonateur à ondes acoustiques de surface 202, 204 comprend une structure de transducteur interdigité 208a, 208b et 210a, 210b, chacune étant prise en sandwich par un couple de structures réfléchissantes 212, 214 et 216, 218. Les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 comprennent un réflecteur avec une ou plusieurs bandes métalliques 220, et sont configurées pour réfléchir l'onde acoustique de surface générée par les structures de transducteur interdigité.
Ici, les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 sont arrangées avec un espace par rapport aux structures de transducteur interdigité 208a, 208b, 210a, 210b. Dans une variante de l'invention, aucun espace ne peut être présent entre les structures réfléchissantes et la structure de transducteur, de sorte que la structure réfléchissante peut être considérée comme continuant la structure périodique de transducteur interdigité de manière synchrone, c'est-à-dire avec la même période et le même ratio de métallisation, ou de manière non-synchrone.
Dans une autre variante, la au moins une des structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 comprend plus d'un réflecteur, les réflecteurs pouvant avoir le même nombre de bandes métalliques 220, ou non.
Dans une variante de l'invention, les bandes métalliques 220 des structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 peuvent être connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Cela peut entraîner une amélioration du coefficient de réflexion des structures réfléchissantes à la condition de Bragg par rapport aux structures réfléchissantes isolées électriquement. A la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues à une charge électrique et mécanique sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré du réflecteur à la condition de Bragg entraîne une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante.
Les structures de transducteur 208a, 208b et les structures de transducteur 210a, 210b comprennent chacune deux électrodes en peigne interdigitées 224a, 226a, 224b, 224b et 240a, 242a, 240b, 242b. Les électrodes 224a, 226a, 224b, 224b et 240a, 242a, 240b, 242b sont formées de tout métal conducteur approprié, par exemple de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Néanmoins, il est possible d’utiliser d’autre matériau qui génère un coefficient de réflexion plus fort pour une épaisseur relative d'électrode plus petite. Ainsi, les matériaux d'électrode préférés sont du Cuivre (Cu), du Molybdène (Mo), du Nickel (Ni), du Platine (Pt) ou de l'Or (Au) avec une couche d'adhérence comme du titane (Ti) ou du tantale (Ta) ou du chrome (Cr), du Zirconium (Zr), du Palladium (Pd), de l’Iridium (Ir), du Tungstène (W), etc. Sur la figure 2a, les électrodes comprennent des doigts. Dans une variante du mode de réalisation, elles pourraient également avoir des doigts fendus comprenant chacun deux doigts d'électrode directement adjacents ou plus appartenant à la même électrode en peigne. Dans une autre variante, les doigts d'électrode peuvent être inclinés, permettant une compensation de l'orientation du faisceau.
Les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b sont également définies par le pas d'électrodes p (non représenté), correspondant à la distance bord à bord entre deux doigts d'électrode voisins d’électrodes en peigne opposées 224a, b et 226a, b et 240a, b et 242a, b. Dans une variante de l'invention, le pas d'électrodes p est défini par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement desdites structures de transducteur 212, 214. En nommant λ la longueur d'onde acoustique de fonctionnement, il est compris que λ est la longueur d'onde acoustique suivant λ = V/f, avec f la fréquence centrale prédéterminée de la structure de résonateur et V la vitesse de phase du mode utilisé. Une telle structure de transducteur, comme représenté sur la figure 2a, est également indiquée être un transducteur interdigité à 2 doigts par longueur d'onde (IDT).
Dans une variante de l'invention, le transducteur interdigité 208, 210 peut fonctionner en dehors des conditions de Bragg, par exemple en utilisant une structure d'excitation à 3 ou 4 doigts par longueur d'onde ou des transducteurs à 5 doigts par deux longueurs d'onde ou 7 ou 8 doigts par trois longueurs d'onde.
Les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être symétriques, à savoir qu'elles ont le même nombre de doigts d'électrode avec les mêmes caractéristiques. Cependant, dans une variante de l'invention, elles peuvent également être différentes, et peuvent en particulier avoir un nombre différent de doigts d'électrode et/ou un pas p différent.
Dans une variante de l'invention, les structures de transducteur interdigité 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être effilées pour réduire les modes transversaux.
Le substrat 206 sur ou dans lequel les résonateurs 202, 204 sont fournis est un matériau massif piézoélectrique, avec des axes cristallographiques X, Y et Z, comme représenté sur la figure 1. Le matériau en vrac piézoélectrique 206 décrit ici peut à titre d’exemple être du quartz, en particulier du quartz avec une coupe AT.
Selon une variante de l'invention, le substrat propagateur d’onde acoustique 206 sur lequel sont fournis les résonateurs 202, 204 et donc les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b et les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218, peut être un substrat composite 206. Le substrat composite 206 comprend une couche de matériau piézoélectrique d'une certaine épaisseur, formée sur le dessus d'un substrat de base. La couche piézoélectrique peut à titre d’exemple être du tantalate de lithium (LiTaO3) ou du niobate de lithium (LiNbO3).
Selon l’invention, les résonateurs 202, 204 sont positionnés sur le substrat 206 de sorte qu’ils ont deux directions de propagation d’onde acoustique de surface différentes mais, en raison de la disposition croisée des deux résonateurs 202, 204, ils partagent au moins partiellement la même zone sur le substrat 206.
Dans ce mode de réalisation, le premier résonateur 202 est positionné de sorte que sa direction de propagation d'onde acoustique soit dans la direction cristallographique X du substrat propagateur d’onde acoustique 206. Sur la figure 2a, la direction de propagation de l'onde acoustique du deuxième résonateur 204 est dans la direction cristallographique Z du substrat piézoélectrique 206. Ainsi, la direction de propagation de l'onde acoustique pour le résonateur 204 est tournée d’un angle Θ = 90° par rapport à la direction cristallographique X du substrat propagateur d’onde acoustique 206, et par rapport à la direction de propagation d'onde acoustique de surface du premier dispositif résonateur 202. Sur la figure 1a, l'angle Θ a une valeur de 90°, mais dans une variante du mode de réalisation, l'angle pourrait être différent. Dans une variante, l'angle Θ peut être inférieur à 90°, par exemple avec une variation de ±10°, ce qui permet de corriger des effets comme une orientation de faisceau. Cependant, dans ces variantes, la symétrie avec l’axe cristallographique X demeure pour maintenir des propriétés égales dans les deux directions de propagation.
Dans ce mode de réalisation, outre leur direction de propagation d’onde, les résonateurs 202, 204 ont la même structure géométrique, ce qui signifie que leur structure de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b, respectivement, et les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 ont les mêmes conceptions et/ou dimensions. Dans une variante du mode de réalisation, ils peuvent avoir une conception différente, par exemple, différentes dimensions et/ou différentes géométries. Par exemple, les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 peuvent être différentes mais les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b sont identiques ou inversement, ou les structures réfléchissantes 212, 214, 216, 218 et les structures de transducteur 208a, 208b et 210a, 210b peuvent être différentes.
Dans ce mode de réalisation, les résonateurs 202, 204 sont divisés en deux parties, chaque partie d'un résonateur étant séparée de l'autre partie par une certaine distance d1, d2 respectivement.
La région 222 située entre les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des deux résonateurs 202, 204, avec ses dimensions définies par les distances d1 et d2, correspond à une cavité acoustique 222, en particulier une cavité acoustique résonante 222. Sur la figure 2a, les distances d1 et d2 sont identiques, mais dans une variante du mode de réalisation, elles peuvent être différentes.
Dans ce mode de réalisation, les deux parties divisées 202a, 202b du résonateur 202 sont symétriques en ce qui concerne la cavité 222 et identiques l’une à l’autre, de sorte que la cavité 222 est en fait située dans la partie centrale du résonateur 202. Dans une variante du mode de réalisation, les deux parties divisées 202a, 202b du résonateur 202 ne sont pas identiques et/ou symétriques par rapport à la cavité 222.
En outre, dans ce mode de réalisation, les deux parties divisées 204a, 204b du résonateur 204 sont également symétriques par rapport à la cavité 222 et identiques l’un à l’autre, de sorte que la cavité 222 est en fait située dans la partie centrale du résonateur 204. Ainsi, sur la figure 1a, la cavité 222 est une cavité centrale commune aux deux résonateurs 202, 204.
En outre, dans ce mode de réalisation, les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des deux résonateurs 202, 204 sont symétriques par rapport à la cavité 222 et identiques. Dans une variante du mode de réalisation, les parties divisées 202a, 202b et 204a, 204b des résonateurs 202, 204 ne sont pas identiques et/ou symétriques par rapport à la cavité 222.
Les résonateurs 202, 204 sont divisés de telle manière qu'en fait, la structure de transducteur du résonateur est divisée en deux parties 208a et 208b et 210a et 210b. Ainsi, chaque partie divisée 202a, 202b, 204a, 204b des résonateurs 202, 204 comprend en fait une structure réfléchissante et une partie divisée de la structure de transducteur du résonateur respectif. Donc, la partie divisée 202a du résonateur 202 comprend la structure réfléchissante 212 et la partie divisée 208a de la structure de transducteur. La partie divisée 202b du résonateur 202 comprend la structure réfléchissante 214 et la partie divisée 208b de la structure de transducteur. La partie divisée 204a du résonateur 204 comprend la structure réfléchissante 216 et la partie divisée 210a de la structure de transducteur. La partie divisée 204b du résonateur 204 comprend la structure réfléchissante 218 et la partie divisée 210b de la structure de transducteur.
Dans une variante du mode de réalisation, le résonateur est divisé entre une structure réfléchissante et la structure de transducteur. Ainsi, une partie divisée des deux parties divisées du résonateur comprend la totalité de la structure de transducteur avec une structure réfléchissante, et l'autre partie comprend l’autre structure réfléchissante.
La figure 2b représente un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments portant les mêmes références numériques que sur la figure 2a ne vont pas être décrits à nouveau en détail, comme ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Contrairement au premier mode de réalisation, les deux résonateurs 202, 204 du capteur à ondes acoustiques de surface 300 sont maintenant positionnés selon un angle Ψ par rapport à la direction de propagation acoustique X du substrat piézoélectrique 306 par comparaison avec le capteur à ondes acoustiques de surface 200 du premier mode de réalisation. C'est la seule différence par rapport au premier mode de réalisation.
Ainsi, la direction de propagation de l'onde acoustique pour le résonateur 202 est tournée d’un angle Ψ = 90° par rapport à la direction cristallographique X du substrat propagateur d'onde acoustique 306.
Le résonateur 204 est toujours positionné sur le substrat propagateur acoustique 206 selon un angle Θ = 90°. Dans une variante du mode de réalisation, une autre valeur de Θ différente de 90°, par exemple inférieure à 90°, pourrait être utilisée, ce qui permettrait de corriger des effets de directivité du faisceau.
La figure 3a représente un troisième mode de réalisation selon l'invention sur la base du capteur 200 selon le premier mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, les deux résonateurs sont connectés électriquement de manière différentielle, formant ainsi un dispositif résonateur différentiel 350. Cette configuration peut être utilisée pour mesurer une contrainte, par exemple due à la présence de forces radiales. Les éléments portant les mêmes références numériques que sur la figure 2a ne seront pas décrits à nouveau en détail, car ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes en peigne 224a, 242a, 226b et 240b sont connectées électriquement par la ligne conductrice 356 et les électrodes en peigne 224b, 242b, 226a et 240a sont connectées électriquement par la ligne conductrice 358 pour former un agencement différentiel. Les résonateurs 202, 204 sont ici connectés en parallèle et le dispositif résonateur 350 fonctionne en résonance.
Dans une variante de l'invention, les deux résonateurs peuvent être connectés en série et le dispositif résonateur fonctionnerait en antirésonance.
Le dispositif résonateur 350 selon le troisième mode de réalisation permet de positionner une zone de test dans la cavité centrale partagée par les deux résonateurs et de réaliser une mesure au même emplacement par l’intermédiaire des deux résonateurs, en produisant une amélioration de la qualité de la mesure et également une meilleure immunité aux effets de contraintes parasites par rapport au dispositif de l’état de la technique décrit à la figure 1.
Sur la figure 3a, les deux directions de propagation de résonateur, indiquées par des flèches 352, 354, sont respectivement parallèle et perpendiculaire à la direction d'une force radiale appliquée Fr produisant des contraintes égales et opposées pour les deux résonateurs 202, 204. Ici, les deux composantes principales de contrainte dans le substrat 206 sont alignées sur les deux composantes principales de contrainte dans l'objet du fait d’une contrainte radiale externe. Les directions de propagation des ondes acoustiques de surface se propageant à travers les résonateurs respectifs 202 et 204 peuvent être respectivement alignées avec chacune des deux composantes de contrainte principales du substrat 206 et des deux composantes de contrainte principales de l'objet du fait d’une contrainte externe. Ainsi, lorsqu’une contrainte est appliquée, l’un des résonateurs sera en tension et l’autre sera en compression. Par conséquent, leurs fréquences de résonance f1, f2 changeront dans des directions opposées. En detectant le changement de la différence Δf entre les deux fréquences de résonance, il est possible de trouver la torsion appliquée M, car la différence Δf est linéairement proportionnelle à la torsion M.
La detection du changement de la différence de fréquence Δf permet de supprimer un certain nombre de facteurs d'interférence de mode commun et de réduire des variations dues à une température, ce qui devrait s'annuler dans le dispositif capteur différentiel.
La figure 3b représente le quatrième mode de réalisation selon l'invention dans lequel le capteur SAW 300 selon le deuxième mode de réalisation est configuré pour mesurer la contrainte due à des forces tangentielles. Dans ce mode de réalisation, les deux résonateurs 202 et 204 sont connectés électriquement de manière différentielle, en formant ainsi un dispositif résonateur différentiel 370. Cette configuration peut être utilisée pour mesurer la contrainte, par exemple due à la présence de forces tangentielles. Les éléments portant les mêmes références numériques que sur les figures 2a et 2b ne seront pas décrits à nouveau en détail, comme ils correspondent à ceux déjà décrits ci-dessus.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes en peigne 224a, 242a, 226b et 240b sont connectées électriquement par la ligne conductrice 376 et les électrodes en peigne 224b, 242b, 226a et 240a sont connectées électriquement par la ligne conductrice 378 pour former un agencement différentiel. Les résonateurs 202, 204 sont ici connectés en parallèle et le dispositif résonateur 370 fonctionne en résonance.
Dans une variante de l'invention, les deux résonateurs peuvent être connectés en série et le dispositif résonateur fonctionnerait en antirésonance.
Le dispositif résonateur 370 selon le quatrième mode de réalisation permet de positionner une zone de test dans la cavité centrale partagée par les deux résonateurs et de réaliser une mesure au même emplacement par les deux résonateurs, en produisant une amélioration de la qualité de la mesure et également une meilleure immunité aux effets de contraintes parasites par rapport au dispositif de l’état de la technique décrit à la figure 1.
Sur la figure 3b, les deux directions de propagation du capteur sont représentées sur la figure 3b par des flèches 372 et 374. En mode tangentiel, la contrainte est orthogonale à la direction radiale. Il convient de considérer que la force tangentielle est exercée sur le bord de l'objet, sa partie centrale étant bloquée. Par conséquent, du fait de la réaction de la partie fixe, tout se passe comme dans un cas de torsion. La projection de la force résultante sur les deux résonateurs produit un effet de compression pour un résonateur et un effet d'extension pour l'autre résonateur, en produisant ainsi un mode différentiel.
Les résonateurs 202, 204 du dispositif SAW 370 sont fixés sur un substrat piézoélectrique206 de sorte que les ondes acoustiques de surface se propagent selon un angle Ψ de ±45° par rapport à l'axe cristallographique X du substrat piézoélectrique 206. Pour cet angle, la contribution de variations de température de constantes élastiques de troisième ordre du substrat 206 à la variation de température de la sensibilité de force est sensiblement égale et opposée à la somme totale de variations du coefficient de dilatation linéaire de la température, de constantes élastiques de troisième ordre non nulles, d’une variation de température de contributions provoquée par des constantes élastiques des premier ordre, et de variations de température de densité de substrat. Ainsi, le dispositif résonateur 370 réalise une réduction de la variation de sensibilité de force tangentielle avec la température.
Le dispositif résonateur selon l'invention fonctionne ainsi comme un capteur différentiel en mode différentiel pour séparer les deux effets mécaniques considérés d’une force radiale, voire la figure 3a, et d’une force tangentielle, voir la figure 3b.
La figure 3c représente la simulation d'admittance électrique d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, comme illustré sur la figure 2b. Pour cette simulation, un substrat de quartz avec une coupe (YXlt)/39o/±45° a été utilisé. L'ouverture des deux résonateurs est de 300µm, la longueur de cavité est de 361µm, le pas dans la structure de transducteur interdigité du premier résonateur est de 3,74µm et 3,743µm dans le miroir, et pour le second résonateur, ces valeurs sont de 3,735µm et 3,738µm respectivement. Pour réduire la résonance parasite sur la signature spectrale de résonateur, de petits espaces (300nm et 500nm) entre les structures de transducteur et les miroirs associés ont été introduits. L'épaisseur de métal (AlCu) est de 245nm. Tous les réseaux fonctionnent à la condition de Bragg. Les miroirs sont composés de 300 bandes et les résonateurs de 120 (2×60) et 140 (2×70) paires de doigts pour une correspondance d’impédance, et les résonateurs sont inclinés pour compenser l’orientation de faisceau (4°). Les deux résonateurs du dispositif à ondes acoustiques de surface sont positionnés selon un angle de 90° l'un par rapport à l'autre, ainsi dans une formation de type croix. En outre, les deux résonateurs sont positionnés à un angle de ±45 ° par rapport à la direction de propagation X du substrat de quartz. Les résonateurs sont divisés de manière identique en deux parties, les deux parties étant symétriques l'une par rapport à l'autre et une cavité acoustique centrale partagée par les deux résonateurs peut être vue, comme décrit sur les figures 2a et 2b.
Le graphique d'admittance électrique trace la conductance (S) et la susceptance (S) sur les axes Y droit et gauche respectivement en fonction de la fréquence (MHz) sur l'axe X. Comme deux résonateurs sont présents, deux pics de résonance sont visibles dans le graphique d'admittance électrique, légèrement au-dessus de 434MHz et légèrement au-dessus de 434,3MHz respectivement, pour la partie réelle de l'admittance (conductance G) et la partie imaginaire de l'admittance (susceptance B). Les deux pics de résonance sont équilibrés pour approcher une correspondance de 50Ω dans la bande ISM centrée à 434MHz.
Lorsqu'une force radiale est appliquée au dispositif, comme dans le troisième mode de réalisation de l'invention tel que représenté sur la figure 3a, la force radiale appliquée Fr produit des contraintes égales et opposées pour les deux résonateurs 202, 204. Ici, les deux composantes de contrainte principales dans le substrat 206 sont alignées sur les deux composantes principales de contrainte dans l'objet du fait d’une contrainte appliquée. Les directions de propagation des ondes acoustiques de surface se propageant à travers les résonateurs respectifs 202 et 204 sont respectivement alignées avec chacune des deux composantes de contrainte principales du substrat 206 et des deux composantes de contrainte principales de l'objet du fait d’une contrainte. Ainsi, lorsqu’une contrainte radiale est appliquée, l’un des résonateurs sera en tension et l’autre sera en compression. Par conséquent, leurs fréquences de résonance f1, f2 vont changer dans des directions opposées, comme représenté sur la figure 1b avec les flèches des cas a) et b). Le changement de Δf entre les deux pics résonants est alors proportionnel à la force appliquée F.
Contrairement à l'état de la technique, les résonateurs 202 et 204 ont une cavité commune 222, qui correspond à l'emplacement où la mesure est faite pour les deux résonateurs 202, 204. Ainsi, les deux résonateurs vont mesurer au même emplacement et une valeur plus précise de la force appliquée sera obtenue, par comparaison à la valeur obtenue avec un dispositif de l'état de la technique tel que représenté sur la figure 1a.
La figure 4a représente un dispositif capteur selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Sur la figure 4a, le dispositif capteur 400 comprend deux capteurs différentiels 350 et 370 selon le troisième et quatrième mode de réalisation de l'invention, respectivement.
Dans le mode de réalisation de la figure 4a, les capteurs différentiels 350 et 370 sont situés chacun sur un dé de quartz 402, 404. Dans une variante du mode de réalisation, les mêmes dés de quartz pourraient comprendre les deux capteurs différentiels 350 et 370. Ils ne sont pas décrits à nouveau en détail, mais il est fait référence à leur description ci-dessus.
Les deux dés de quartz 402, 404 sont positionnés sur un objet 406, afin de mesurer par exemple les contraintes générées par des forces tangentielles et radiales sur l'objet 406. Sur la figure 4a, l'objet est une roue. Les dés de quartz 402 et 404 sont positionnés sur la même ligne radiale 408, le dé de quartz 404 plus proche du centre de l'objet 406 que le dé de quartz 402. Les positions des dés de quartz sur l'objet 406 pourraient également être échangées de sorte que le dé de quartz 402 soit celui qui est le plus proche du centre de l'objet 406.
Les dés de quartz 402, 404 sont collés sur l'objet 406, qui comprend une plaque d'acier dans cette position, avec de la colle cyanoacrylate (M-bond 200), mais toute autre technique de fixation par colle ou à l'état solide pourrait être utilisée.
Les résonateurs 202, 204 sont divisés en deux parties, comme décrit dans le troisième et le quatrième mode de réalisation, de sorte que les capteurs différentiels 350 et 370 comprennent chacun une cavité centrale 222, partagée par les deux résonateurs 202, 204 de chaque capteur 350, 370.
Dans ce mode de réalisation, le capteur différentiel 370 est configuré pour mesurer la contrainte sur l'objet 406 due à des forces tangentielles tandis que l'autre capteur différentiel 350 est configuré pour mesurer la contrainte sur l'objet 406 due à des forces radiales, comme expliqué ci-dessus.
Les deux capteurs différentiels 350, 370 sont connectés à une antenne 410 pour transmettre les mesures. Dans une variante du mode de réalisation, chaque capteur différentiel peut avoir sa propre antenne.
Selon l'invention, la contrainte résultant des forces appliquées à l'objet 406 et captées par les capteurs 350, 370 est mesurée au même emplacement au niveau de la cavité centrale 222 pour chaque capteur 350, 370, en produisant une amélioration de la qualité de mesure et une meilleure immunité aux effets de contraintes parasites.
Dans une variante, le dispositif capteur 400 peut comporter plus de deux capteurs différentiels selon l'invention.
Dans une autre variante de l'invention, le dispositif capteur 400 peut être appliqué à tout autre objet, et pas seulement à une roue, afin de mesurer de façon concomitante la contrainte due aux forces radiales et tangentielles subies par l'objet. D'autres paramètres physiques, en dehors de la contrainte, peuvent également être mesurés avec le dispositif capteur 400. Par exemple, des effets de torsion et un couple peuvent également être mesurés ou tout autre paramètre physique non lié à la contrainte.
Dans une autre variante de l'invention, le dispositif capteur 400 peut mesurer la contrainte due aux forces radiales et tangentielles subies par l'objet au même emplacement. Les quatre résonateurs du dispositif capteur partageraient la même cavité de résonance.
La figure 4b représente la simulation d’admittance électrique du dispositif capteur selon le cinquième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif capteur 400 tel que représenté sur la figure 4a comprend deux capteurs différentiels 350, 370, chacun comprenant deux résonateurs 202, 204. Le capteur différentiel 350 est selon le troisième mode de réalisation tel que décrit sur la figure 3a et le capteur différentiel 370 est selon le quatrième mode de réalisation tel que décrit sur la figure 3b.
Le graphique d'admittance électrique trace la conductance (en Siemens - S) et la susceptance (en S) sur les axes Y droit et gauche, respectivement, en fonction de la fréquence (MHz) sur l'axe X. Comme deux capteurs différentiels sont présents, chacun comprenant deux résonateurs, quatre pics de résonance sont visibles dans le graphique d'admittance électrique, légèrement supérieurs et inférieurs à 434MHz, à la fois pour la partie réelle de l'admittance (conductance G) et la partie imaginaire de l'admittance (susceptance B) Les pics de résonance de chaque résonateur sont équilibrés pour approcher une correspondance de 50Ω dans la bande ISM centrée à 434MHz.
Les figures 5a à 5d et les figures 6a, 6b et les figures 7a à 7e représentent de multiples variantes du dispositif résonateur selon l'invention.
La structure de base correspond à l’un des premiers modes de réalisation, et seules les différences par rapport à celui-ci vont être décrites. Ainsi, les caractéristiques communes au premier mode de réalisation de la figure 2a ne vont pas être décrites à nouveau, mais il est fait référence à leur description ci-dessus. En outre, les variantes vont être représentées sur la base de la structure du premier mode de réalisation, mais elles peuvent aussi bien être appliquées à la structure des deuxième, troisième ou quatrième modes de réalisation.
La figure 5a représente une variante du premier mode de réalisation de la figure 2a, où les structures réfléchissantes 512, 514, 516 et 518 des résonateurs 502, 504 comprennent des bandes métalliques 520 qui sont connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Cela résulte en une amélioration du coefficient de réflexion des structures réfléchissantes à la condition de Bragg. A la condition de Bragg, les ondes réfléchies dues aux charges électriques et mécaniques sont en phase, de sorte qu'un coefficient de réflexion amélioré des structures réfléchissantes 512, 514, 516 et 518 ou à la condition de Bragg entraîne une meilleure détection des ondes réfléchies par la structure de transducteur correspondante 208a, 208b et 210a, 210b.
Le dispositif résonateur 500 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus aux effets de directivité.
La figure 5b représente une variante du premier mode de réalisation où les parties divisées des résonateurs 602, 604 ne sont pas identiques ou symétriques par rapport à la cavité 622. Sur la figure 5b, la division se produit entre la structure de transducteur 208, 210 et l'une des structures réfléchissantes 212, 216 du résonateur 602, 604, respectivement. La partie divisée 602a du résonateur 602 comprend uniquement la structure réfléchissante 212. La partie divisée 602b du résonateur 602 comprend la totalité de la structure de transducteur 208 et la structure réfléchissante 214. De manière correspondante, la partie divisée 604a du résonateur 604 comprend uniquement la structure réfléchissante 216. La partie divisée 604b du résonateur 604 comprend la totalité de la structure de transducteur 210 et la structure réfléchissante 218. La cavité 622 n'est pas parfaitement au centre des deux structures de résonateur 602, 604 mais est toujours partagée par les deux résonateurs 602, 604.
Le dispositif résonateur 600 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus aux effets de directivité.
La figure 5c représente une variante supplémentaire de la figure 6b, ainsi du premier mode de réalisation, où la structure de transducteur 708, 710 des résonateurs 702, 704 comprend des doigts divisés en tant que moyens d'électrode 728. Les doigts divisés 728 comprennent chacun deux doigts d'électrode 732, 734 directement adjacents appartenant à la même électrode en peigne 724. Ainsi, les structures de transducteur 708, 710 ne fonctionnent pas dans les conditions de Bragg.
En outre, les parties divisées des résonateurs 702, 704 sont également différentes et non symétriques par rapport à la cavité 722, comme les structures réfléchissantes 712, 714 et 716, 718 ne sont pas identiques à l'intérieur d'un résonateur 702, 704, respectivement. Pour le résonateur 702, la structure réfléchissante 714 comprend plus de bandes métalliques 120 que la structure réfléchissante 712 (même chose pour le résonateur 704). Les bandes métalliques 120 sont également connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. En variante, elles peuvent également ne pas être connectées les unes aux autres.
Ici, comme dans la deuxième variante du premier mode de réalisation, la partie divisée d'un résonateur comprend une structure réfléchissante et l'autre partie divisée du résonateur comprend la structure de transducteur complète et l'autre structure réfléchissante adjacente à la structure de transducteur. De nouveau, la cavité 722 n'est pas centrale à l’intérieur des résonateurs 702, 704, mais est toujours partagée par les deux résonateurs 702, 704.
Le dispositif résonateur 700 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus aux effets de directivité.
La figure 5d représente une variante supplémentaire de la figure 5c, où les structures de transducteur 708, 810 des résonateurs 702, 804 sont différentes. Le résonateur 702 correspond au résonateur de la figure 5c, dans lequel la structure de transducteur 708 comprend des doigts divisés 728 comme moyens d'électrode et ainsi, ne fonctionne donc pas à la condition de Bragg. Au contraire, le résonateur 804 est le même que sur la figure 1a et la structure de transducteur 804 fonctionne à la condition de Bragg et est un transducteur interdigité à 2 doigts par longueur d'onde (IDT). De nouveau, comme sur la figure 1a, les parties divisées 804a et 804b du résonateur 804 comprennent chacune une structure réfléchissante 716, 818 et une partie de la structure de transducteur 810a, 810b, respectivement. Alors que pour le résonateur 702, une partie divisée 702a comprend la structure réfléchissante 712 et la totalité de la structure de transducteur 708, l'autre partie divisée 702b comprend uniquement une structure réfléchissante 714.
Les bandes métalliques 120 des structures réfléchissantes 712, 714 et 716, 818 sont également connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Dans une variante, elles peuvent également être connectées les unes aux autres.
Le dispositif résonateur 800 tel que décrit dans cette variante permet de gérer des parasites dus aux effets de directivité.
La figure 6a représente une variante du premier mode de réalisation où la cavité 922 du capteur différentiel 900 est métallisée. La cavité 922 est une cavité centrale, comme représenté sur la figure 1a. La métallisation de la cavité 922 peut être faite sur toute la surface, comme représenté sur la figure 6a, mais elle peut également être faite uniquement sur une partie de la surface de la cavité 922. Ainsi, la surface de la cavité 922 peut être complètement métallisée ou partiellement métallisée.
De nouveau, les bandes métalliques 120 des structures réfléchissantes 212, 214 et 216, 218 sont également connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Dans une variante, elles peuvent également être connectées les unes aux autres.
Le dispositif résonateur 900 tel que décrit dans cette variante permet de filtrer ou de sélectionner les modes possibles de la structure ou même de fonctionner dans une configuration en mode couplé.
La figure 6b représente la variante du premier mode de réalisation où la cavité 1022 du capteur différentiel 1000 comprend un ou plusieurs réseaux 1024, 1026. Les réseaux 1024, 1026 peuvent être un réseau métallique, déposé sur le dessus de la surface de la cavité 1022, ou peut également être un réseau gravé. Lorsqu'un réseau unique est présent, il peut s'agir d'un réseau unidirectionnel. Lorsque plusieurs réseaux sont présents, les réseaux 1024, 1026 peuvent être superposés à l’intérieur de la surface de la cavité 1022, comme représenté sur la figure 6b. En variante, les réseaux 1024, 1026 peuvent être situés à l’intérieur de la totalité de la surface de la cavité 1022 ou uniquement partiellement à l’intérieur de la surface de la cavité 1022.
De nouveau, les bandes métalliques 120 des structures réfléchissantes 212, 214 et 216, 218 sont également connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Dans une variante, elles peuvent également être connectées les unes aux autres.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 1000 tel que décrit dans cette variante permet de filtrer ou de sélectionner les modes de la structure ou permet même de fonctionner dans une configuration en mode couplé.
La figure 7a représente le capteur différentiel à ondes acoustiques de surface selon une septième variante du premier mode de réalisation de l'invention.
Dans cette variante, les structures réfléchissantes des résonateurs 1102, 1104 comprennent une pluralité de réflecteurs comprenant chacun plus ou moins de bandes métalliques 1122. Dans cette variante, les résonateurs 1102, 1104 sont des dispositifs à étiquettes SAW. Les dispositifs à étiquettes SAW sont des capteurs qui peuvent être interrogés à distance, fournissant une mesure sans fil d'une quantité physique. Quelle que soit cette quantité physique, il est préférable de mettre en place une mesure différentielle pour garantir la mesure d'une quantité physique absolue ou pour supprimer des perturbations externes corrélées affectant le capteur.
Deux étiquettes SAW sont utilisées de façon à ce que uniquement les deux premiers échos soient utilisés pour déterminer la valeur de contrainte, les autres échos pouvant être utilisés comme marques d'identification et/ou comme d'autres marqueurs d'effet physique (par exemple, la température).
Le dispositif à étiquette SAW 1102 comprend une structure de transducteur 1108, en particulier une seule structure de transducteur, et un ensemble de réflecteurs 1114, 1116 et 1118, positionnés avec des retards divers sur un côté de la structure de transducteur 1108 dans la direction de propagation X, comme représenté sur la figure 7a. Ces réflecteurs 1116, 1118 et 1120 comprennent généralement une ou plusieurs bandes métalliques 1122, par exemple des bandes d'aluminium. Le dispositif à étiquette SAW 1102, 1104 comprend également une antenne (non représentée) connectée à la structure de transducteur 1108, 1110.
Le dispositif à étiquette SAW 1104 est le même que le dispositif à étiquette SAW 1102, mais son ensemble de réflecteurs 1116, 1118 et 1120 étant positionnés avec des retards divers sur un côté de la structure de transducteur 1110 dans la direction de propagation Y, comme représenté sur la figure 7a.
Le dispositif à étiquette SAW 1102, 1104 est en fait divisée en deux parties 1102a et 1102b, 1104a et b, entre les structures interdigitées 1108, 1110 et le premier réflecteur 1116, de sorte qu'une partie de l'étiquette SAW divisée 1102a, 1104a comprend l'ensemble des réflecteurs 1116, 1118 et 1120 ou une ligne à retard et l'autre partie 1102b, 1104b de l'étiquette SAW 1102, 1104 comprend uniquement la structure de transducteur interdigité 1108, 1110.
Les structures de transducteur interdigité 1108, 1110 fonctionnent à la condition de Bragg mais pourraient fonctionner en dehors de cette condition, et les réflecteurs 1114, 1116 et 1118 sont en mode de circuit ouvert. Les distances L11, L12, L13 et L21, L22 et L23 entre les réflecteurs 1114, 1116 et 1118 et la structure de transducteur 1108, 1110 sont choisies de façon à ce que les échos correspondants ne se chevauchent pas sur toute la plage de mesure. La cavité 1122 est partagée par les deux résonateurs 1102, 1104 bien qu'elle ne soit pas située centralement entre les deux résonateurs 1102, 1104, puisque les parties divisées 1102a et 1102b et les parties divisées 1104a et 1104b des deux résonateurs 1102, 1104 ne sont pas les mêmes et pas symétriques l'une par rapport à l'autre.
Dans la variante représentée sur la figure 7b, la partie divisée 1102b et 1104b comprend une structure réfléchissante 1118 et la structure interdigitée 1108, 1110, respectivement. Les structures de transducteur interdigité 1108, 1110 fonctionnent à la condition de Bragg mais pourraient fonctionner en dehors de cette condition, et elles sont associées ici à une structure réfléchissante 1118 pour réfléchir et lancer toute l'énergie vers l'obstacle, les miroirs sur lesquels les ondes se réfléchissent partiellement sont raccourcis et les deux lignes à retard sont identiques. Les distances L11, L12, L13 et L21, L22 et L23 entre les réflecteurs 1114, 1116, 1118 et les transducteurs 1108, 1110 sont choisies de façon à ce que les échos correspondants ne se chevauchent pas sur toute la plage de mesure.
Dans la variante de la figure 7c, le dispositif à ondes acoustiques de surface 1300 est une variante du dispositif 1200 de la figure 7b, où la partie divisée 1204a du résonateur 1204 comprend uniquement un réflecteur 114 et la partie divisée 1202a du résonateur 1202 comprend plus de réflecteurs que la partie divisée 1102a du dispositif 1200. Dans cette variante, les deux résonateurs 1202 et 1204 sont différents, bien qu'ils soient tous les deux des dispositifs à étiquette SAW. Le résonateur 1204 ou l’étiquette SAW 1204 comprend beaucoup plus de réflecteurs que l'étiquette SAW 1204.
De nouveau, la cavité 1222 est partagée par les deux résonateurs 1202, 1204 bien qu'elle ne soit pas située centralement entre les deux résonateurs 1202, 1204, puisque les parties divisées 1202a et b et les parties divisées 1204a et b des deux résonateurs 1202, 1204 ne sont pas les mêmes et pas symétriques l'une par rapport à l'autre.
Les bandes métalliques 1120 des réflecteurs 1118, 1116, 1114 et 1120 sont également connectées les unes aux autres et/ou raccourcies. Dans une variante, elles peuvent également être connectées les unes aux autres.
Le dispositif résonateur 1500 tel que décrit dans cette variante mesure la contrainte au niveau de la cavité 1422, qui est située à l’intérieur du premier espace transducteur-réflecteur de l’étiquette SAW 1202 la plus longue. La cavité 1422 est définie par les espaces L11 et L21. Dans une autre variante, une étiquette SAW peut partager plus d'une cavité avec les autres étiquettes SAW ou résonateurs. Cela permettrait de mesurer une distribution de contrainte.
La figure 7d est une variante du dispositif résonateur 1300 de la figure 7c, où la cavité 1222 est métallisée. La métallisation de la cavité 1222 peut être réalisée sur toute la surface, comme représenté sur la figure 7d, mais elle peut également être réalisée uniquement sur une partie de la surface de la cavité 1222. Ainsi, la surface de la cavité 1222 peut être complètement métallisée ou partiellement métallisée. Dans une variante, la cavité 1222 peut également comprendre un réseau métallique ou plusieurs réseaux métalliques superposés les uns aux autres. Dans une autre variante, la surface de cavité peut être partiellement ou complètement recouverte par une couche active. Par exemple, la couche active pourrait être sensible à un champ magnétique. Par conséquent, par magnétostriction, le film peut subir des contraintes qui peuvent être détectées selon l'invention. La couche active pourrait également être une couche qui change de propriétés lorsqu'elle est exposée à un gaz, par exemple du palladium et hydrogène.
Le dispositif résonateur 1400 tel que décrit dans cette variante permet d'augmenter la sensibilité du capteur ou plus généralement d'optimiser le fonctionnement du capteur.
La figure 7e est une variante du dispositif résonateur 1300 de la figure 7c, où la division du résonateur 1202 est réalisée entre les lignes à retard ou les résonateurs 1114, 1116 et 1118, de sorte que la partie divisée 1202b du résonateur 1202 comprend maintenant certains réflecteurs 1114, 1116 et 1118 sur un côté de la structure de transducteur 1108 avec la structure de transducteur 1108 et la structure réfléchissante 1118 sur l'autre côté de la structure de transducteur 1108. Le résonateur 1204 est le même que sur la figure 7c.
Le dispositif résonateur 1500 tel que décrit dans cette variante mesure la contrainte au niveau de la cavité 1422, qui est située n'importe où sur la ligne à retard des résonateurs, mais entre le premier espace transducteur-réflecteur, défini par les distances L11 et L21, de l’étiquette SAW 1202 la plus longue.
Un certain nombre de modes de réalisation de l'invention ont été décrits. Néanmoins, il convient de comprendre que diverses modifications et améliorations peuvent être faite sans sortir des revendications qui suivent.
Claims (17)
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) pour mesurer une contrainte, comprenant : au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402), chaque résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) comprenant une structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) arrangée entre deux structures réfléchissantes (212, 214, 216, 218, 512, 514, 516, 518, 712, 714, 716, 718, 818, 1108, 1112, 1114, 1116, 1118, 1212, 1214 , 1216, 1218) sur ou dans un substrat piézoélectrique (206, 306, 406), caractérisé en ce que
les au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1102, 1202, 1204, 1302, 1402) sont arrangés et positionnés de sorte qu’ils ont deux directions de propagation d’onde différentes, et
chaque résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1102, 1204, 1302, 1402) comprend au moins deux parties avec la zone entre les deux parties des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) formant une cavité (222, 622, 722, 822, 922, 1022, 1122, 1222, 1422), dans lequel la cavité (222, 622, 722, 822, 922, 1022, 1122, 1222, 1422) est partagée par les au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102 1104, 1202, 1204, 1302, 1402).
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 800, 900, 1000) selon la revendication 1, dans lequel chacune des au moins deux parties des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 804) comprend au moins une structure réfléchissante (212, 214, 216, 218, 512, 514, 516, 518, 818), et une partie de la structure de transducteur interdigité (208, 210, 810) du résonateur correspondant (202, 204, 502, 504, 804).
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 ou 2, dans lequel la structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) du résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1302, 1402 ) comprend des électrodes en peigne interdigitées (226, 224, 240, 242, 724, 730), et dans lequel, pour au moins une structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) des au moins deux résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402), lesdites électrodes en peigne interdigitées (226, 224, 240, 242, 724, 730) sont définies par la condition de Bragg donnée par p = λ/2, λ étant la longueur d'onde acoustique de fonctionnement de ladite structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) et p étant le pas d'électrodes de ladite structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110).
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, dans lequel les deux directions de propagation d’onde différentes forment un angle Θ avec l’autre, Θ étant inférieur ou égal à ±90°.
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les électrodes (226, 224, 240, 242, 724, 730) de la structure de transducteur interdigité (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) d'un résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) sont connectés électriquement aux électrodes (226, 224, 240, 242, 724, 730) de la structure de transducteur (208, 210, 708, 710, 810, 1108, 1110) de l'autre résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 602, 702, 704, 804, 1104, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) de manière différentielle.
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, dans lequel au moins l'un des résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1102, 1202, 1204, 1302, 1402) est arrangé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d’onde soit parallèle à l'un des axes cristallins du substrat piézoélectrique (206, 306, 406).
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, dans lequel au moins un des résonateurs (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1102, 1202, 1204, 1302, 1402) est arrangé et positionné de telle sorte que sa direction de propagation d’onde forme un angle Ψ par rapport à l’un des axes cristallins du substrat piézoélectrique (206, 306, 406), en particulier un angle Ψ égal à ±45°.
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, dans lequel au moins une partie de la surface de la cavité (922, 1022) est métallisée.
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon la revendication 8, dans lequel la métallisation de la cavité (1022) comprend au moins un ou plusieurs réseaux (1022, 1024).
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 9, dans lequel chacune des structures réfléchissantes (512, 514, 516, 518, 712, 714, 716, 718, 818, 1108, 1112, 1114, 1116, 1118) des résonateurs (502, 504, 702, 704, 704, 804 , 1202, 1204, 1302, 1402) comprend une ou plusieurs bandes métalliques (220, 520, 1120), lesdites bandes métalliques (220, 520, 1120) étant connectées les unes aux autres ou connectées à la terre.
- Dispositif résonateur (200, 300, 350, 370, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 10, dans lequel le résonateur (202, 204, 502, 504, 602, 604, 702, 704, 804, 1102, 1104, 1202, 1204, 1302, 1402) est un résonateur à ondes acoustiques de surface (SAW), un résonateur à ondes acoustiques de volume (BAW), un résonateur acoustique à ondes de Love ou à ondes de Lamb ou un résonateur acoustique au mode de plaque de cisaillement.
- Dispositif capteur différentiel (400) comprenant au moins un dispositif résonateur (350, 370) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 11.
- Dispositif capteur différentiel (400) selon la revendication 12, dans lequel la direction de propagation de l'un des résonateurs est parallèle ou perpendiculaire à une direction radiale (408) pour capter une force radiale.
- Dispositif capteur différentiel (400) selon la revendication 12, dans lequel la direction de propagation de l'un des résonateurs est selon un angle, en particulier à 45°, par rapport à une direction radiale (408) pour capter une force tangentielle.
- Dispositif capteur différentiel (400) comprenant un dispositif résonateur (350) arrangé selon la revendication 13 et un dispositif résonateur (370) arrangé selon la revendication 14.
- Dispositif capteur différentiel (400) selon l'une des revendications 12 à 15, comprenant en outre une antenne (410) connectée à au moins un dispositif résonateur (350, 370).
- Dispositif capteur différentiel (400) selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les au moins deux dispositifs résonateurs différentiels (350, 370) sont fournis sur le même substrat piézoélectrique (406).
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