Expertise
Thème 1 : Développement de matériaux pyroélectriques et piézoélectriques
Ce sont ici des travaux fondamentaux qui sont l’une des pierres angulaires de l’équipe et qui nous permettent d’avoir une très grande liberté dans le choix des matériaux au travers de différentes techniques de dépôts de couches minces dont nous disposons. La recherche des conditions optimales de croissance des matériaux est très souvent longue et laborieuse et nécessite une rigueur de tous les instants notamment par le contrôle régulier des propriétés électriques, cristallographiques, morphologiques, des matériaux obtenus. Actuellement, l’ensemble des capteurs et micro-capteurs thermiques développés par l’équipe M2N de l’Institut d’Électronique et des Systèmes utilise comme détecteurs des couches minces soit thermo-résistives, soit thermoélectriques. Afin d’améliorer les performances des outils déjà développés et dans le but d’étendre les domaines d’application, j’ai la charge du développement de matériaux pyroélectriques et piézoélectriques élaborés, soit en couches minces par pulvérisation, soit en couches épaisses par sérigraphie. Compte tenu des exigences technologiques que demandent certains de ces matériaux, principalement au niveau de leur élaboration (température de croissance élevée, recuit thermique important, atmosphère gazeuse réactive), il est également nécessaire de leur associer des électrodes qui présentent une excellente tenue. Dans ce but, j’ai développé des électrodes basées sur des empilements de couches minces tels que RuO2/Ru, Pt/TaOx ou encore Pt/TiOx. Pour chacune de ces électrodes, des caractérisations morphologiques et électriques ont été menées et montrent clairement leurs influences sur les caractéristiques des couches pyroélectriques. Concernant les performances des matériaux pyroélectriques, nous avons pu adapter leurs conditions de fabrication afin d’optimiser leur réponse à des stimuli électriques ou thermiques. J’ai développé également des procédés de fabrication afin de disposer d’encres utilisables par sérigraphie que nous adaptons en fonction de l’application visée. Plus particulièrement nous nous focalisons sur des matériaux piézoélectriques pouvant fonctionner à haute température (de 350 °C à 650 °C) que nous synthétisons et que nous employons afin de réaliser des micro-capteurs acoustiques adaptés aux contraintes visées. Ces dernières concernent principalement les environnements radiatifs présents dans des réacteurs nucléaires d’essai afin de développer de nouvelles instrumentations destinées notamment à mesurer la composition et la pression des gaz de fission à l’aide de capteurs acoustiques. Parallèlement aux développements de procédés de fabrication de ces matériaux, il a été nécessaire de développer des bancs expérimentaux permettant de caractériser étape après étape, les différentes propriétés des matériaux obtenus. Ainsi, les propriétés électriques et diélectriques (C(F), C(V), I(V), …) des couches pyroélectriques et piézoélectriques sont mesurées de la température ambiante jusqu’à 700 °C. Les mesures des coefficients pyroélectriques et piézoélectriques peuvent également être obtenues sur une large gamme de température afin d’accéder à la valeur de la température de Curie. Enfin, d’autres méthodes expérimentales plus spécifiques à ces derniers permettent d’améliorer très significativement leurs propriétés (polarisation continue, pulsée, dynamique, mesure de polarisation, hystérésis, …). Mots-clés : pyroélectricité, piézoélectricité, couches minces et épaisses, dépôts physiques en phase vapeur, sérigraphie, caractérisations, capteurs.
Thème 2 : Conception et développement de capteurs et de micro-capteurs Dans ce thème de recherche, nous nous appuyons tout naturellement sur les matériaux que nous maîtrisons afin de pouvoir les intégrer dans la fabrication de capteurs. Ces derniers étant souvent miniaturisés, nous nous adossons à la Centrale de Technologie de Montpellier afin de pouvoir disposer de micro-technologies permettant la structuration des matériaux. Nos compétences en électronique analogique et numériques nous amènent à concevoir une électronique adaptée à chaque type de capteurs que nous réalisons.
Projet 1 : Étude et développement de micro-capteurs thermiques en vue de leur application dans la mesure inertielle. Ces travaux de recherche ont pour objectif l’étude, la fabrication et l’optimisation d’une nouvelle génération d’accéléromètres thermiques à convection sans masse sismique qui présentent une tenue importante aux fortes accélérations (supérieures à 100 000 g). Les techniques de la micro-électronique ont été mises en œuvre pour réaliser le capteur. Des couches de platine déposées sur nitrure de silicium non contraint par canon à électrons, ont été utilisées comme résistance chauffante et détecteurs thermo-résistifs. Ce matériau a été choisi compte tenu de son fort coefficient thermoélectrique et de sa grande stabilité dans le temps aux hautes températures. Pour cette étude, j’ai axé mes travaux sur la compréhension et la modélisation des phénomènes convectifs aux courtes échelles. La solution analytique basée sur la résolution des équations de Navier-Stockes en coordonnées cylindriques a permis d’appréhender l’influence des différents paramètres du capteur sur sa sensibilité et sa bande passante. En parallèle, l’utilisation des méthodes de résolutions numériques a apporté une analyse plus fine des phénomènes transitoires qui n’avait pu être obtenue avec la solution analytique obtenue en régime stationnaire. Actuellement, je poursuis les développements sur l’accéléromètre thermique dans le but de pouvoir mesurer les très fortes accélérations dépassant 100 000 g. Nous avons également développé une électronique spécifique en partenariat - par un contrat du plan France Relance, obtenu en 2022 - avec une société grenobloise afin d’obtenir un prototype industriel pour la mesure de puissantes accélérations. Mots-clés : accéléromètre thermique à convection, forte tenue aux chocs, modélisation analytique et numérique.
Projet 2 : Étude et développement de micro-anémomètres en vue de leur application dans le domaine des écoulements En s’appuyant sur les micro-technologies et sur le savoir-faire acquis par l’équipe dans le domaine des micro-échanges thermiques, nous élaborons des micro-capteurs permettant une étude comportementale des écoulements le long d’un profil. Un premier projet en partenariat avec l’ONERA et mettant en œuvre une thèse (M. Baptiste Baradel) en co-direction a eu pour objectif de mesurer la turbulence aérothermique en utilisant une sonde miniaturisée présentant une résolution spatiale et des gammes de fréquences de mesures anémométriques et thermométrique améliorées. En effet, l'étude de la turbulence à nombres de Reynolds élevés se confronte rapidement à des échelles spatiales et temporelles très fines. Les moyens métrologiques habituellement employés dans l'étude de cette turbulence opèrent un filtrage parfois très important sur les fluctuations de vitesse mesurées. Pour pallier cette difficulté et améliorer la précision des mesures, une miniaturisation des sondes à fil-chaud est effectuée en utilisant les méthodes de fabrication MEMS. Nous cherchons notamment à étudier la faisabilité d'un micro-capteur mesurant deux composantes de vitesse afin d'accéder à une partie du tenseur de Reynolds, ou mesurant simultanément des fluctuations de vitesse et de température pour l’étude du transport de chaleur. Les performances métrologiques des sondes développées sont caractérisées par des essais en soufflerie dans des configurations de couches limites turbulentes sur parois lisses ou rugueuses. Un deuxième projet mettant également en œuvre une thèse (M. Léo Chamard) a consisté à étudier, réaliser et enfin caractériser un microcapteur de contraintes de frottement pariétal. La contrainte de frottement fluide, ou contrainte de frottement pariétale, est une grandeur fondamentale en aérodynamique. Elle représente la force de frottement par unité de surface sur une surface solide immergée dans un fluide en mouvement. Le dispositif envisagé dont l’étude a déjà été entreprise dans le cadre de divers échanges avec l’Université Technologique de Berlin, est poursuivi afin par exemple, d’augmenter leurs performances notamment en termes d’étendue de mesure et de temps de réponse. Pour cela, les paramètres jouant sur les caractéristiques du capteur sont étudiés principalement par modélisation numérique puis en caractérisant les microcapteurs réalisés sur des bancs de mesure dédiés. Deux thèses en collaboration avec l’ONERA, sont actuellement en cours (démarrage en octobre 2023) afin d’augmenter les performances des capteurs à la fois en termes de réduction de la taille mais également en visant une augmentation de l’étendue et de la dynamique de la mesure. Mots-clés : microtechnologies, anémomètre, frottement fluide, turbulence.