WO2013004962A1 - Dispositif piezoelectrique - Google Patents

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Massimiliano Marangolo
Jean-Yves DUQUESNE
Victor H. ETGENS
Jean-Yves PRIEUR
Mahmoud EDDRIEF
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Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G01L9/0025Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element with acoustic surface waves

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif piézoélectrique (1) comprenant :des moyens (3) de réception et d'émission d'un champ électrique, un matériau piézoélectrique (2) apte à se déformer sous l'action du champ électrique, produisant ainsi une onde mécanique, et des moyens d'analyse aptes à déterminer les caractéristiques de l'onde mécanique et à déterminer un paramètre physique externe en fonction desdites caractéristiques de l'onde mécanique. Selon l'invention, l'onde mécanique se propage dans une structure comprenant une couche de MnAs (arséniure de manganèse). Le paramètre physique peut être la température, un champ magnétique ou une pression.

Description

DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE
La présente invention a pour objet un dispositif piézoélectrique permettant la détermination d'un paramètre physique externe. Elle concerne en particulier un dispositif piézoélectrique permettant de déterminer la température et le champ magnétique d'un élément avec une grande sensibilité et une grande précision.
Les ondes acoustiques de surface, également appelées surface acoustic wave (SAW) en langue anglaise, sont des ondes mécaniques se propageant à la surface d'un matériau et ne pénétrant que très peu à l'intérieur de ce matériau. Certains paramètres physiques externes, comme la température et la pression, ainsi que le milieu en contact avec la surface du matériau, influencent la propagation de l'onde, et donc les caractéristiques de l'onde, qui sont la vitesse et l'amplitude.
Ce phénomène est connu depuis 1885 et ses applications ont été développées avec les matériaux piézoélectriques. Un matériau piézoélectrique est un matériau qui possède la propriété de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on lui applique un champ électrique.
Il est ainsi connu de placer un transducteur à la surface d'un substrat piézoélectrique (IDT, Interdigital transducer en langue anglaise), le transducteur étant destiné à convertir un signal radio en onde de surface et inversement. Le couplage de l'onde avec son environnement permet de déterminer les paramètres physiques externes à partir des caractéristiques de l'onde. On a ainsi pu concevoir des capteurs sans fil ne requérant pas d'alimentation. Différents capteurs ont été développés : des capteurs de température, pression, agent chimique ou biologique, accélération, torsion, stimulation optique ou électrique.
La précision de ces capteurs dépend de la sensibilité de la propagation des ondes mécaniques par rapport aux paramètres externes à mesurer. La précision des capteurs actuels est donc limitée par les propriétés élastiques disponibles dans les substrats piézoélectriques ou dans les couches déposées à la surface de ces substrats.
Il a été proposé d'améliorer la sensibilité de ces capteurs en utilisant des associations plus ou moins complexes de transducteurs, de résonateurs et de miroirs à la surface du matériau. Dans le document US 5,912,608, il est ainsi proposé de coupler élastiquement deux résonateurs sur un substrat piézoélectrique pour améliorer la sensibilité en température de la fréquence de résonance. Le document US 6,571,638 décrit un capteur de pression à ondes acoustiques de surface utilisant au moins trois résonateurs sur un substrat piézoélectrique pour détecter les variations de pression tout en prenant en compte les variations de température. Ces améliorations augmentent la précision de la mesure de l'onde de surface, mais n'augmentent pas la sensibilité des caractéristiques de cette onde vis-à-vis d'un paramètre externe.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
Elle propose ainsi un dispositif permettant de déterminer un paramètre physique externe. Elle propose en particulier un dispositif très sensible à la température et qui permette de la déterminer avec une grande précision.
L'invention a ainsi pour objet un dispositif piézoélectrique comprenant :
- des moyens de réception et d'émission d'un champ électrique,
- un matériau piézoélectrique apte à se déformer sous l'action du champ électrique, produisant ainsi une onde mécanique, et
- des moyens d'analyse aptes à déterminer les caractéristiques de l'onde mécanique et à déterminer un paramètre physique externe en fonction desdites caractéristiques de l'onde mécanique,
Dans le dispositif selon l'invention, l'onde mécanique se propage dans une structure comprenant une couche de MnAs (arséniure de manganèse). La structure comprend le matériau piézoélectrique et la couche de MnAs.
Le paramètre physique externe peut être choisi parmi la température, la pression, et le champ magnétique.
Les caractéristiques de l'onde mécanique peuvent être la vitesse et/ou l'amplitude et/ou la fréquence de vibration mécanique d'un résonateur.
La couche de MnAs peut être du MnAs monocristallin ou polycristallin. La couche de MnAs peut comprendre un ou plusieurs éléments choisis parmi le phosphore, l'antimoine, le cobalt, le fer et le nickel.
Le dispositif peut comprendre en outre un substrat de GaAs ou de ZnSe en tant que support de la couche de MnAs. Dans ce cas, la structure, dans laquelle se propage l'onde mécanique, comprend le matériau piézoélectrique, la couche de MnAs, et le substrat.
Le matériau piézoélectrique peut également être le substrat lui-même. Dans ce cas, la structure, dans laquelle se propage l'onde mécanique, comprend le matériau piézoélectrique et la couche de MnAs.
Ainsi, dans un premier mode de réalisation, le dispositif comprend un substrat sur lequel est disposé la couche de MnAs, et un matériau piézoélectrique disposé sur la couche de MnAs.
Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif comprend un substrat piézoélectrique sur lequel est disposé la couche de MnAs, sans autre couche de matériau piézoélectrique sur la couche de MnAs.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci- dessus pour déterminer un paramètre physique externe, et notamment pour déterminer la température d'un élément couplé thermiquement au dispositif.
Le dispositif peut être utilisé pour déterminer entre 0 et 100°C la température d'un élément couplé thermiquement au dispositif.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention, et
- les figures 2 et 3 sont des diagrammes utiles à la compréhension de l'invention.
Le dispositif 1, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une couche piézoélectrique 2, par exemple une couche 2 de ZnO, un émetteur 3, un récepteur 4, une couche 5 de MnAs et un substrat 6. La couche supérieure piézoélectrique 2 peut également être omise. Dans ce cas, le matériau piézoélectrique est le substrat 6. L'émetteur 3 reçoit un signal électromagnétique qui permet de déformer le matériau piézoélectrique (la couche 2 en ZnO par exemple ou le substrat) de façon alternative, produisant une onde mécanique qui se propage dans la structure jusqu'au récepteur 4.
La transformation inverse se produit alors : la vibration fait apparaître un champ électrique dans la couche piézoélectrique 2 ou dans le substrat, ce champ électrique étant détecté par le récepteur 4. Le récepteur 4 est relié à des moyens d'analyse permettant d'analyser les caractéristiques de l'onde mécanique, c'est-à-dire la vitesse et/ou l'amplitude de l'onde. A partir des caractéristiques de l'onde, les moyens d'analyse déterminent un paramètre physique externe d'un élément 7 couplé au dispositif 1. Le paramètre physique externe peut être par exemple la température, la pression, ou encore le champ magnétique.
Conformément à l'invention, la structure comporte une couche 5 de MnAs. Ainsi, l'onde sonore générée par le matériau piézoélectrique (couche 2 ou substrat 6) se propage dans la couche 5 de MnAs.
Ce couplage entraîne de manière surprenante une augmentation en sensibilité des ondes de surface vis-à-vis du paramètre physique externe, et notamment vis-à-vis de la température. Le couplage permet d'augmenter sensiblement la qualité de la mesure.
Le dispositif piézoélectrique selon l'invention permet d'améliorer la sensibilité thermique par rapport à la sensibilité thermique des senseurs SAW de température connus.
Le substrat 6, par exemple en GaAs ou ZnSe, peut être disposé sous la couche 5 de MnAs. On peut par exemple faire croître par épitaxie la couche 5 de MnAs sur une couche 6 de GaAs(OOl) ou de ZnSe.
La figure 2 montre la variation d'atténuation de l'onde en fonction de la température, tandis que la figure 3 monte les variations relatives de vitesse de l'onde en fonction de la température.
On constate ainsi qu'on peut obtenir une grande sensibilité de mesure de la température autour de 35°C, et notamment pour des températures comprises entre 0 et 100°C, et en particulier entre 0 et 80°C, 0 et 60°C et tout particulièrement entre 20 et 50°C. La sensibilité de la mesure est de l'ordre de 5.10"3 °C. On peut également décaler la détection de quelques dizaines de degrés Celsius par le dopage avec du phosphore ou par un choix judicieux de l'orientation cristalline du substrat.
Le dispositif selon l'invention présente ainsi de nombreux avantages. Il permet de déterminer avec une grande précision un paramètre physique externe, en particulier la température. Il ne nécessite pas de source d'énergie embarquée sur l'élément sensible. L'élément sensible est en outre économique et peut être de faibles dimensions. Il est intégrable à une technologie sans fil. L'élément sensible a également pour avantage de pouvoir être identifié parmi d'autres dispositifs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif piézoélectrique (1) comprenant :
- des moyens (3) de réception et d'émission d'un champ électrique,
- un matériau piézoélectrique (2,6) apte à se déformer sous l'action du champ électrique, produisant ainsi une onde mécanique, et
- des moyens d'analyse aptes à déterminer les caractéristiques de l'onde mécanique et à déterminer un paramètre physique externe en fonction desdites caractéristiques de l'onde mécanique, caractérisé en ce que l'onde mécanique se propage dans une structure (2,5,6) comprenant une couche (5) de MnAs.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre physique externe est choisi parmi la température, la pression, et le champ magnétique.
3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les caractéristiques de l'onde mécanique sont la vitesse et/ou l'amplitude et/ou la fréquence de vibration mécanique d'un résonateur.
4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche (5) de MnAs est du MnAs monocristallin ou polycristallin.
5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche (5) de MnAs comprend un ou plusieurs éléments choisis parmi le phosphore, l'antimoine, le cobalt, le fer et le nickel.
6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un substrat (6) de GaAs ou de ZnSe en tant que support de la couche (5) de MnAs.
7. Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6 pour déterminer un paramètre physique externe.
8. Utilisation selon la revendication 7, pour déterminer la température d'un élément (7) couplé thermiquement au dispositif (1).
9. Utilisation selon la revendication 8, pour déterminer entre 0 et 100°C la température d'un élément (7) couplé thermiquement au dispositif (1).
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103557955A (zh) * 2013-10-19 2014-02-05 国家电网公司 无源无线温度传感器
CN103557957A (zh) * 2013-10-19 2014-02-05 国家电网公司 变电站设备触点温度在线监测装置
WO2017097769A1 (fr) * 2015-12-09 2017-06-15 Université De Lille 1 Procede pour favoriser le glissement d'au moins une goutte sur un support
EP3722762A1 (fr) * 2019-04-12 2020-10-14 General Electric Technology GmbH Dispositif capteur

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5912608A (en) 1995-05-26 1999-06-15 The Nippon Signal Co., Ltd. Planar type electromagnetic actuator
US6571638B2 (en) 2000-06-30 2003-06-03 Sawtek, Inc. Surface-acoustic-wave pressure sensor and associated methods

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5912608A (en) 1995-05-26 1999-06-15 The Nippon Signal Co., Ltd. Planar type electromagnetic actuator
US6571638B2 (en) 2000-06-30 2003-06-03 Sawtek, Inc. Surface-acoustic-wave pressure sensor and associated methods

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HICKERNELL F S ET AL: "SURFACE ACOUSTIC WAVE CHARACTERIZATION OF PECVD FILMS ON GALLIUM ARSENIDE", IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, IEEE, US, vol. 42, no. 3, 1 mai 1995 (1995-05-01), pages 410-415, XP000616840, ISSN: 0885-3010, DOI: 10.1109/58.384451 *
YOONKEE KIM ET AL: "ZnO Films on 001 -Cut 110 -Propagating GaAs Substrates for Surface Acoustic Wave Device Applications", IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, 1 mai 1995 (1995-05-01), pages 351-361, XP055019929, *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103557955A (zh) * 2013-10-19 2014-02-05 国家电网公司 无源无线温度传感器
CN103557957A (zh) * 2013-10-19 2014-02-05 国家电网公司 变电站设备触点温度在线监测装置
WO2017097769A1 (fr) * 2015-12-09 2017-06-15 Université De Lille 1 Procede pour favoriser le glissement d'au moins une goutte sur un support
FR3044937A1 (fr) * 2015-12-09 2017-06-16 Univ De Lille 1 Procede pour favoriser le glissement d'au moins une goutte sur un support
US11090698B2 (en) 2015-12-09 2021-08-17 Université de Lille Method for increasing the ability of at least one droplet to slide over a medium
EP3722762A1 (fr) * 2019-04-12 2020-10-14 General Electric Technology GmbH Dispositif capteur

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