DS0303 - Matériaux et procédés

Micro-capteur à ondes élastiques de surface à base de structures AlN/Saphir pour des températures extrêmes – SALSA

SALSA

Micro-capteur à ondes élastiques de Surface à base de structures AlN/SAphir pour des températures extrêmes

Enjeux et objectifs ambitieux du projet SALSA

L’objectif du projet SALSA est de développer un micro-capteur sans fil permettant le contrôle de procédés industriels mettant en jeu de hautes températures (jusqu’à 1000°C), conditions dans lesquelles les capteurs sans fil conventionnels sont inutilisables. Le capteur envisagé est un dispositif à ondes élastiques de surface (SAW), basé sur la structure bicouche AlN/Saphir. Les difficultés du projet sont liées au caractère sans-fil et autonome du capteur, et à la stabilité de la structure envisagée dans les conditions précitées. Cependant, étant donné que les membres du consortium ont déjà franchi de nombreuses étapes de ce challenge, l’avancée attendue dans ce projet consiste dans la réalisation effective d’un micro-capteur sans fil, relativement bon marché, pouvant être utilisé à haute fréquence et à haute température. Deux problématiques chez Arcelor-Mittal ont été identifiées pour validation industrielle : <br />- la première vise le suivi de refroidissement de palplanches de 600°C à l’ambiante.<br />- la seconde consiste dans le suivi de la température dans un recuit continue avec des passages pour quelques minutes à environ 1000°C. <br />Des structures originales de type WLAW (auto-protégés) ou FBAR (d’un type nouveau) seront étudiées dans SALSA comme solutions de repli, permettant également de générer de la propriété intellectuelle et de produire des articles scientifiques de haut niveau.

Le projet SALSA implique 6 partenaires : un grand groupe (Arcelor-Mittal) comme utilisateur final, une start-up (frec|n|sys) qui dispose d’une ligne de fabrication industrielle intégrale permettant la réalisation de dispositifs SAW répondant à la plupart des applications RF actuelles, et 4 laboratoires académiques (IJL, IMN, LMOPS et SYMME) qui apportent toute leur expérience et leurs connaissances dans le domaine des matériaux, maillons indispensables à la réalisation d’un tel projet. Ces laboratoires ont également une solide expérience de la caractérisation des matériaux et des capteurs à haute température. Une sous-traitance est prévue avec Senseor, PME innovante ayant une expertise reconnue dans le domaine des capteurs SAW sans fil.
Les challenges scientifiques et technologiques du projet SALSA sont :
- l’étude et l’optimisation des différents matériaux constituant le capteur (film piézoélectrique, électrodes métalliques, substrat) et l’antenne associée, afin de garantir une efficacité maximale à haute température.
- le design de dispositifs SAW à hautes performances basés sur les structures envisagées.
- le développement d’une solution de conditionnement pour le capteur, l’antenne associée et leur connexion, permettant un fonctionnement pendant des centaines d’heures à des températures dépassant les 600°C.
- l’optimisation de l’émetteur-récepteur permettant l’interrogation sans fil du capteur, afin de garantir un système global offrant les meilleures performances possibles, notamment à haute température.
L’utilisateur final (Arcelor-Mittal) espère grâce au projet SALSA une amélioration de la qualité de ses produits, une réduction du délai de mise sur le marché et une diminution des coûts de production (via une dépense d’énergie moindre). Cet ensemble d’avantages constituerait un atout essentiel pour Arcelor-Mittal par rapport à ses concurrents.

Les premiers dispositifs testés au laboratoire ont permis de montrer que la structure multicouche Al/AlN/Saphir permet de réaliser des capteurs fonctionnant au moins jusqu’à 600°C. Ce résultat inattendu est très prometteur. Nous avons donc réaliser un design optimisé pour la réalisation de capteurs sans fil haute performances. Ces réalisations son en cours.

En parallèle de ces travaux nous avons développé un procédé de dépôt par pulvérisation de couches de ScxAl1-xN. Des résultats très intéressants ont été obtenus jusqu’à x = 0,14 pour l’instant. Pour rappel, ces couches permettront de développer la solution de repli WLAW AlN/ScxAl1-xN/Saphir. Elles pourraient aussi être au final utilisées en lieu et place des couches d’AlN si comme prévu le coefficient de couplage éléctro-mécanique est supérieure à celui de l’AlN mais également si e facteur qualité Q obtenus s’avéraient plus grands et plus propices à une interrogation sans fil.

De plus, le caractère passif des dispositifs SAW permet de les déployer dans des milieux hostiles inaccessibles aux autres types de capteurs sans fil (hautes températures, hauts niveaux de radiation, interférences électromagnétiques, …). Ainsi, les résultats du projet SALSA pourraient contribuer à l’émergence dans le futur d’une nouvelle génération de dispositifs SAW, pour des applications dans les domaines de l’aérospatial, de la chimie, de l’énergie, des industries nucléaires ou pétrolières. A plus court terme, le capteur développé pour les applications d’Arcelor-Mittal peut être directement transposé à l’industrie du verre, ou au contrôle de la température des câbles à haute tension afin d’optimiser le transport de l’énergie électrique, ou encore au domaine de l’automobile pour le contrôle de la combustion dans les moteurs. En conséquence, le projet SALSA donnera à freIcIsys aisni qu’à Senseor l’opportunité unique de conquérir de nouveaux marchés en proposant des produits particulièrement innovants.

Les premières actions de disséminations ont été menées par des communications à des conférences internationales [2-6] et une publication dans une revue internationale à comité de lecture [1]. D’autres communications ont été soumises en vue de présentations dans la conférence IEEE IUS 2017. Notons que les résultats originaux obtenus avec la structure Al/AlN/Saphir ne sont pour le moment pas communiqués afin de conserver une avance au sein du consortium.

[1] A. Taguett, T. Aubert, M. Lomello, O. Legrani, O. Elmazria, J. Ghanbaja, A. Talbi ; Ir-Rh thin films as high-temperature electrodes for SAW sensor applications validation ; Sensors and Actuators A, Vol 243, pp 35-42 (2016).

[2] F. Bartoli, P. Pigeat, T. Aubert, O. Elmazria, F. Genty, P. Boulet, J. Ghanbaja. ; Highly-textured sputtered AlN and ScxAl1-xN thin films, for surface acoustic wave devices. ; 2016 European Materials Research Society (EMRS), Warsaw, Poland, Sept. 19-22 2016 ;

[3] F. Bartoli, S. Zhgoon, T. Aubert, P. Pigeat, A. Talbi, O. Elmazria ; Packageless WLAW devices based on Al2O3/Pt/GaN/Sapphire structure for high-temperature applications.. 2016 IEEE Intern. Ultrasonics Symposium, Tours, France Sept. 18-20 2016

[4] A. Taguett, T. Aubert, M. Lomello , O. Elmazria, High-temperature SAW electrodes based on Ir-Rh thin films. 2016 IEEE Intern. Ultrasonics Symposium, Tours, France Sept. 18-20 2016,

[5] A. Taguett, T. Aubert, M. Lomello , O. Elmazria, High-temperature SAW electrodes based on Ir-Rh thin films. 2016 IEEE Intern. Ultrasonics Symposium, Tours, France Sept. 18-20 2016,

[6] F. Bartoli, S. Zhgoon, T. Aubert, A. Talbi, P. Pigeat, O. Elmazria ; Packageless WLAW devices based on Al2O3/Pt/GaN/Sapphire structure for high-temperature applications. SAW Symposium 2016 Dresden, Germany, France Oct. 20-21 2016 ; (rencontres industriels et académiques travaillant dans le domaine des capteurs SAW),

L’objectif du projet SALSA est de développer un micro-capteur sans fil permettant le contrôle de procédés industriels mettant en jeu de hautes températures (jusqu’à 1000°C), conditions dans lesquelles les capteurs sans fil conventionnels sont inutilisables. Le capteur envisagé est un dispositif à ondes élastiques de surface (SAW), basé sur la structure bicouche AlN/Saphir. Les difficultés du projet sont liées au caractère sans-fil et autonome du capteur, et à la stabilité de la structure envisagée dans les conditions précitées. Cependant, étant donné que les membres du consortium ont déjà franchi de nombreuses étapes de ce challenge, l’avancée attendue dans ce projet consiste dans la réalisation effective d’un micro-capteur sans fil, relativement bon marché, pouvant être utilisé à haute fréquence et à haute température. Des structures originales de type WLAW (auto-protégés) ou FBAR (d’un type nouveau) seront étudiées dans SALSA comme solutions de repli, permettant également de générer de la propriété intellectuelle et de produire des articles scientifiques de haut niveau.
Le projet SALSA implique 6 partenaires : un grand groupe (Arcelor-Mittal) comme utilisateur final, une start-up (frec|n|sys) qui dispose d’une ligne de fabrication industrielle intégrale permettant la réalisation de dispositifs SAW répondant à la plupart des applications RF actuelles, et 4 laboratoires académiques (IJL, IMN, LMOPS et SYMME) qui apportent toute leur expérience et leurs connaissances dans le domaine des matériaux, maillons indispensables à la réalisation d’un tel projet. Ces laboratoires ont également une solide expérience de la caractérisation des matériaux et des capteurs à haute température. Une sous-traitance est prévue avec Senseor, PME innovante ayant une expertise reconnue dans le domaine des capteurs SAW sans fil.
Les challenges scientifiques et technologiques du projet SALSA sont :
- l’étude et l’optimisation des différents matériaux constituant le capteur (film piézoélectrique, électrodes métalliques, substrat) et l’antenne associée, afin de garantir une efficacité maximale à haute température.
- le design de dispositifs SAW à hautes performances basés sur les structures envisagées.
- le développement d’une solution de conditionnement pour le capteur, l’antenne associée et leur connexion, permettant un fonctionnement pendant des centaines d’heures à des températures dépassant les 600°C.
- l’optimisation de l’émetteur-récepteur permettant l’interrogation sans fil du capteur, afin de garantir un système global offrant les meilleures performances possibles, notamment à haute température.
L’utilisateur final (Arcelor-Mittal) espère grâce au projet SALSA une amélioration de la qualité de ses produits, une réduction du délai de mise sur le marché et une diminution des coûts de production (via une dépense d’énergie moindre). Cet ensemble d’avantages constituerait un atout essentiel pour Arcelor-Mittal par rapport à ses concurrents.
De plus, le caractère passif des dispositifs SAW permet de les déployer dans des milieux hostiles inaccessibles aux autres types de capteurs sans fil (hautes températures, hauts niveaux de radiation, interférences électromagnétiques, …). Ainsi, les résultats du projet SALSA pourraient contribuer à l’émergence dans le futur d’une nouvelle génération de dispositifs SAW, pour des applications dans les domaines de l’aérospatial, de la chimie, de l’énergie, des industries nucléaires ou pétrolières. A plus court terme, le capteur développé pour les applications d’Arcelor-Mittal peut être directement transposé à l’industrie du verre, ou au contrôle de la température des câbles à haute tension afin d’optimiser le transport de l’énergie électrique, ou encore au domaine de l’automobile pour le contrôle de la combustion dans les moteurs. En conséquence, le projet SALSA donnera à freIcIsys aisni qu’à Senseor l’opportunité unique de conquérir de nouveaux marchés en proposant des produits particulièrement innovants.

Coordination du projet

Omar EL MAZRIA (Institut Jean Lamour UMR 7198)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LMOPS LABORATOIRE MATÉRIAUX OPTIQUES, PHOTONIQUE ET SYSTÈMES
Frec I n I sys Frec I n I sys SAS
SYMME Laboratoire SYstèmes et Matériaux pour la Mécatronique
IJL Institut Jean Lamour UMR 7198
IMN Institut des Matériaux Jean Rouxel
AMMR ARCELORMITTAL MAIZIERES RESEARCH SA

Aide de l'ANR 660 518 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 36 Mois

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