Capteurs résonnants passifs : Tendances et perspectives d’avenir
Le choix du sujet s’est porté sur « Passive Resonant Sensors : Trends and Future Prospects » [1]. La revue se concentre sur les technologies qui exploitent le « phénomène de résonance » qui se produit avec tous les types d’ondes : acoustiques, électromagnétiques et optiques. Les capteurs considérés comprennent des transducteurs acoustiques, magnéto-élastiques et électromagnétiques. Ils sont présentés à travers leurs aspects technologiques pertinents et leurs principaux avantages, notamment leur intégrabilité dans les systèmes embarqués et/ou leur exigence d’autonomie énergétique. L’utilisation de ces capteurs résonants est illustrée dans une grande variété d’applications (Fig. 1), allant de la surveillance de l’environnement, des structures et des emballages alimentaires, à des capteurs portables ou implantés des paramètres physiologiques dans les applications liées à la santé, à l’Internet des objets (IoT) et à l’industrie 4.0.
Fig 1. Schéma général de l’article de synthèse : Capteurs résonnants passifs, conceptions et applications.
[1] H. Hallil et al., « Passive Resonant Sensors: Trends and Future Prospects, » in IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 11, pp. 12618-12632, 1 June, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3065734.
Le groupe AIMAN-FILMS de l’IEMN travaille depuis plus de quinze ans sur le développement de technologies de capteurs ultrasensibles permettant de pousser les limites de détection en terme de résolution. L’article de synthèse met en évidence les principaux résultats obtenus sur les technologies de capteurs de champ magnétique à base de MEMS résonants exploitant le couplage magnétoélectrique dans des structures composites à base de films minces magnéto-élastiques/piézoélectriques, le couplage magnéto-élastique dans les guides à ondes élastiques de surface fonctionnalisés par des couches minces magnéto-élastiques nano-structurées. Les capteurs de température et de contraintes exploitant les ondes de surface ou les ondes élastiques guidées pour permettre un fonctionnement en environnements difficiles. Des capteurs de grandeurs physiques ou biochimiques exploitant le design d’une cavité résonante basé sur le concept des bandes interdites phononiques et les modes de défauts quasi-plats qui en découlent.
1) Des designs de capteurs de champ magnétique basés sur les effets magnétoélectriques et magnéto-élastiques ont été proposés en 2007 et 2020.
Des couplages multi-physiques géants ont été obtenus au voisinage d’un état critique appelé Transition de Réorientation de Spin (SRT). Un coefficient magnétoélectrique de 40 V/(cm.Oe) a été rapporté en 2007 en utilisant pour la première fois un cantilever MEMS composite Film/Film constitué d’une couche de (FeCo-TbCo)n nanostructurée déposée sur une couche de nitrure d’aluminium AlN piézoélectrique [2].
En 2020, nous avons proposé un design de capteur de champ magnétique exploitant l’interaction d’une onde de surface transversale avec un film mince magnéto-élastique nanostructuré. La couche magnéto-élastique permet de guider et de confiner l’onde de surface transversale horizontale excitée à la surface d’un substrat piézoélectrique tel que le Quartz. Ce design permet d’atteindre la valeur intrinsèque de la sensibilité au champ magnétique d’un film mince magnéto-élastique avec une modulation de l’ordre de 3% de la vitesse de propagation. Cette valeur définit l’état de l’art des capteurs de champ magnétique basés sur l’utilisation de ce mécanisme de détection [3].
Ces solutions sont très prometteuses pour certains problèmes de diagnostic médical, en particulier ceux qui exploitent des signaux biomagnétiques : la magnétoencéphalographie (MEG) et la magnéto-cardiographie (MCG).
[2] Tiercelin et al., “Magnetoelectric effect near spin reorientation transition in giant magnetostrictive-aluminum nitride thin film structure,” Appl. Phys. Lett., vol. 93, no. 16, Oct. 2008, Art. no. 162902, doi:10.1063/1.3001601.
[3] A. Mazzamurroet al., “Giant magnetoelastic coupling in alove acoustic waveguide based onTbCo2/FeCo nanostructured film on ST-cut quartz”, Phys. Rev. Applied., vol. 13, no. 4, Apr. 2020, Art. no. 044001, doi:10.1103/PhysRevApplied.13.044001.
Fig 2. Dispositifs à ondes élastiques de surface transverses horizontales fonctionnalisés avec un film mince multicouche TbCo2/FeCo (à gauche). Image de microscopie électronique à transmission à balayage du film mince multicouche nanostructuré TbCo2/FeCo (épaisseur totale : 200 nm).
Fig 3. Couplage magnéto-élastique géant 2.5% obtenu avec un film mince multicouche TbCo2/FeCo combiné à une onde de cisaillement de surface pure sur un substrat de quartz à 1.2 GHz
Fig. 4. a) Représentation d’un guide d’ondes avec un résonateur de cavité constitué de nanomatériaux ici l’Or comme couche de recouvrement.
b) Mode de galerie de chuchotement localisé dans la couche de recouvrement.
c) Conception d’un démultiplexeur basé sur la résonance locale de la couche de recouvrement.
[5] Moutaouekkil et al., “Highly confined radial contour modes in phononic crystal plate based on pillars with cap layers,” J. Appl. Phys., vol. 126, no. 5, Aug. 2019, Art. no. 055101;
[6] M Moutaouekkil al., Acoustic isolation of disc‐shaped modes using periodic corrugated plate‐based phononic crystal, Electronics Letters 54 (5), 2018, 301-303.
2) Les résonateurs à ondes acoustiques sont des candidats très prometteurs pour la détection chimique et biologique gravimétrique.
Dans l’objectif de pousser la limite de détection des systèmes actuel en terme de résolution, le groupe AIMAN-FILMs et l’équipe Ephoni du groupe Physique collaborent ensemble pour exploiter le potentiel des cristaux et méta-matériaux phononiques pour le design de résonateur MEMS avec un minimum de dissipation vers la structure support. Cela permet d’améliorer drastiquement le facteur de qualité du résonateur. Plusieurs designs exploitant les modes élastiques de surface ou de plaques dans des matériaux piézoélectriques combinés à un cristal phononique de surface (SPnC) bidimensionnel (2D) ont été proposés. Le cristal est constitué de résonateurs mécaniques périodiques tels que des piliers ou des trous percés à la surface du matériau. Les designs proposés permettent de réaliser des fonctions avancées basés sur le control de la propagation de l’onde élastique : confinement sous-longueur d’onde, guidage de l’onde, fonction de démultiplexage.
Les designs que nous avons proposés exploitent les modes de défaut quasi-plat situés dans la bande interdite d’un cristal phononique. Les designs mis en avant dans ce papier de synthèse ont été développés dans le cadre de la thèse de Mohammed Moutaouekkil et ont fait l’objet de deux publications en 2018 et 2019 [4-5]. Le cristal phononique est constitué d’une plaque micro-structurée en surface sous forme de rubans ou sous forme de piliers, cela permet d’obtenir une large band interdite. Les modes de défaut sont introduits en déposant sur la surface des rubans ou des piliers un disque d’or d’épaisseur nanométrique (Figure 4).
Ces solutions sont très prometteuses pour le design de capteurs gravimétriques avec un seuil de détection pouvant atteindre l’attogram. En effet le design permet de confiner l’onde élastique à l’échelle nanométrique et par conséquence de réduire la masse du résonateur pour la rendre comparable avec la masse des objets à détecter.
Le SPnC peut également être utilisé pour ralentir de manière significative la vitesse des ondes acoustiques en se basant sur les phénomènes de résonance locale et, par conséquent, limiter le rayonnement acoustique vers les milieux environnants, notamment en cas de contact avec un liquide.
