WO2005071375A1 - Capteur de temperature interrogeable a distance - Google Patents
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- G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
Definitions
- a surface acoustic wave resonator consists of a transducer with interdigital combs T placed between two reflecting arrays RR1 and RR2 as illustrated in FIG. 1.
- the reflecting arrays behave like mirrors and there are therefore resonant frequencies for which the Round trip in the cavity is equal to an integer number of wavelengths.
- the resonance modes for these frequencies are excited by the transducer placed between the mirrors.
- the resonant frequencies result in rapid variations in the admittance of the component. It is also known the possibility of remote interrogation of sensors based on surface waves.
- the principle is to connect the input of the transducer to a radiofrequency antenna. When the antenna receives an electromagnetic signal, this gives rise to waves on the surface of the substrate which are themselves converted into electromagnetic energy on the antenna.
- the device consisting of a resonator connected to an antenna has a response to the resonant frequency of the resonator and it is possible to measure this frequency remotely. It is thus possible to produce sensors that can be interrogated remotely. This possibility is an important advantage of surface acoustic waves and is used in the context of tire pressure sensors. Indeed, it is interesting to be able to place the sensor in the tire while the interrogation electronics are on the vehicle. More specifically, sensor structures have already been proposed comprising a set of three resonators as illustrated in FIG. 2. These three resonators operate at different frequencies. The measurement principle is based on a measurement of the frequency difference between two resonators. A first resonator R1 makes it possible to obtain a reference frequency.
- the pressure measurement is obtained by subjecting a second resonator R2 alone to a pressure.
- the resonators R1 and R2 being at the same temperature, the frequency difference obtained for these two resonators is proportional only to the pressure applied.
- the direction of propagation used is the direction X for resonators R1 and R2.
- a third resonator R3 is used without pressure constraint, but is positioned with an angle ⁇ relative to the axis X, to measure the temperature, the axis of propagation of the surface acoustic waves is in this case the axis X ' , making an angle ⁇ with the axis X.
- All the resonators have a law of dependence Frequency / Temperature, quadratic, with a coefficient of the second order which can be regarded as identical. In fact, this second order coefficient depends essentially on the material used.
- the temperature T0 corresponds to the top of the parabola and is called the inversion temperature (or turn over temperature in English).
- the inversion temperature of the Frequency / Temperature curve depends on the propagation angle. The difference in frequency between the reference resonator (frequency fi) and the inclined resonator (frequency f2) is therefore proportional to the temperature. This difference follows the law:
- the frequency difference is therefore proportional to the temperature multiplied by a coefficient equal to the product of the inversion temperature difference by twice the second order coefficient.
- the sensitivity of the sensor to temperature is therefore proportional to the difference in inversion temperature.
- We can also estimate this sensitivity by the difference of the linear drift coefficients CTF1 of temperature between the propagation for the zero angle and for a given angle.
- This difference in CTF1 directly gives the relative frequency variation with temperature.
- Figure 3 shows the evolution of this difference in CTF1 in ppm / ° C for the ST cut for different operating points (thickness / metallization rate). In these curves, a denotes the width of the electrodes, h denotes the thickness of metallization of the electrodes and p denotes the period of the electrodes.
- the figure 5 schematizes this divergence by highlighting the angle PFA made by the energy flow of the surface acoustic waves with respect to the direction of propagation X 'If one uses buses parallel to the angle of propagation X', the energy flow will exit the transducer and we will significantly degrade the coefficient of quality of the resonator It can be seen in this figure that this angle of energy flow can reach values as large as 5 ° for propagation angles of 20 ° and this for cutting angles ⁇ .
- the present invention proposes a surface acoustic wave sensor with remote interrogation allowing temperature measurement, comprising at least two resonators connected in parallel on an antenna and operating at different frequencies, the principle of measurement being based on a measurement of the frequency difference between a first and a second resonator, the second resonator being inclined relative to the first and having electrode buses inclined by an angle ⁇ relative to the normal to its electrodes of said third resonator, so as to compensate for the difference between the direction of the energy flow and the direction of the phase vector (power flow angle).
- the subject of the present invention is a surface acoustic wave sensor comprising on the surface of a quartz substrate of cut Y + ⁇ at least two resonators comprising transducers consisting of interdigitated electrodes connected to buses of control and design such that they have different characteristic operating frequencies, a first resonator having a first direction of propagation of surface acoustic waves parallel to one of the axes of the crystal substrate, a second resonator having a direction of wave propagation acoustic surface at a non-zero angle with the direction of propagation of the first and second resonators characterized in that the control buses of the second transducer are inclined relative to normal to the interdigitated electrodes of said second transducer so as to compensate for the divergence of flux energy of the acoustic waves with respect to the direction of propagation of the surface acoustic waves along said second transducer.
- the energy flow angle PFA is expressed as
- the sensor according to the invention being designed to operate in a given frequency band, the characteristic frequencies of each of the resonators are such that they belong to said band and have a maximum frequency difference to promote better sensitivity of the sensor.
- the sensor according to the invention can operate in the ISM (Industrial Scientific and Medical) band around 434 MHz, specifically in the band between 433.05 MHz and 434.79 MHz.
- the substrate is a quartz crystal, of cut Y 'making an angle ⁇ with the crystallographic axis Y which can be between 30 ° and 45 ° and the first resonator has a direction of propagation of the surface waves parallel to the X axis of the crystal.
- the direction of propagation of the surface acoustic waves within the second resonator can typically make an angle ⁇ less than 30 ° and which can be between 14 ° and 22 ° relative to the direction X.
- the angle ⁇ of control bus of the second resonator with respect to the direction of propagation of the waves can typically be between 5 ° and 6 °.
- transverse propagation modes disturb the propagation of the longitudinal propagation modes.
- the transducers can advantageously be weighted, that is to say that within the transducers, the overlap between interdigitated electrodes is variable.
- each resonator comprises a transducer inserted between two networks of electrodes, for each of the networks it is advantageously possible to choose an electrode period such that the reflection coefficient is centered on the central operating frequency of the resonator.
- the invention also relates to a pressure and temperature sensor that can be interrogated remotely using surface acoustic waves, further comprising a third resonator having a direction of propagation of the surface acoustic waves parallel to that of the first transducer and means for applying pressure to said third transducer.
- the sensor is characterized in that the periods of the first, second and third reflective gratings are respectively equal to 3.62 ⁇ m, 3.69 ⁇ m and 3.62 ⁇ m, the periods of the first, second and third transducer are respectively equal to 3.60, 3.67 and 3.60.
- the distances between reflector and transducer networks are respectively 3.28 ⁇ m and 3.28 ⁇ m in the first resonator, 3.82 ⁇ m and 2.85 ⁇ m in the second resonator and 3.27 ⁇ m and 3.27 ⁇ m in the third resonator.
- the opening of the transducers within the three resonators is equal to 350 ⁇ m.
- the number of electrodes within the networks is respectively equal to 270, 360 and 270.
- the number of electrodes within the transducers is respectively equal to 136, 164 and 136. .- .-
- the invention also relates to a pressure and temperature measuring device, comprising a sensor according to the invention and a remote interrogation system.
- FIG. 1 shows diagrammatically the structure of a surface acoustic wave resonator with a small passband width, according to the known art
- Figure 2 illustrates a pressure and temperature sensor interrogable remotely, according to the prior art
- Figure 3 illustrates the variations in ⁇ CTF1 deviation for different operating points (thickness / metallization rate), and different cutting angles.
- - Figure 4 illustrates the variations of the ⁇ CTF1 deviations for different cutting angles and different propagation angles
- Figure 5 illustrates the divergence of the flow angle within a tilted resonator in a sensor according to the invention, depending on the propagation angle, for different cutting angles.
- FIG. 6 illustrates the inclined resonator of the sensor according to the invention and its control buses oriented to optimize the acoustic energy.
- - Figures 7 and 8 illustrate arc c osine functions of weighting which can be used in a sensor according to the invention.
- FIG. 9 illustrates the change in directivity as a function of the angle of propagation within the inclined resonator, in an example of a sensor according to the invention.
- sensor according to the invention may comprise three resonators, such as that shown in FIG. 1, respectively called TISAW for the reference resonator, PSAW for the resonator subjected to pressure variations and T2SAW for the resonator intended for temperature measurements, in a configuration identical to that illustrated in FIG. 2 with R1 ⁇ T1SAW, R2 ⁇ PSAW and R3 ⁇ T2SAW.
- TISAW for the reference resonator
- PSAW for the resonator subjected to pressure variations
- T2SAW for the resonator intended for temperature measurements
- the T1SAW and PSAW resonators are arranged on the substrate along the X axis, the T2SAW resonator is arranged in the direction X 'which forms an angle ⁇ with the direction X.
- the control buses B21 and B22 of the interdigitated electrodes of the T2SAW resonator are inclined by an angle ⁇ relative to the angle ⁇ so as to use the entire energy flow within said third resonator, as illustrated in FIG. 6.
- the three resonators are placed at different frequencies.
- the nominal frequencies are 434.26 MHz, 433.83 MHz and 433.28 MHz respectively. This choice allows both not to leave the ISM band (433.05 MHz to 434.79 MHz) and to keep the three frequencies as far apart as possible.
- the measurement principle is based on a measurement of the frequency difference between two resonators.
- the first T1SAW resonator provides a reference frequency.
- the pressure measurement is obtained by subjecting the PSAW resonator alone to a pressure.
- There are several ways to pressurize the resonator One way is to not support the resonator and to press it with the cover.
- the frequency difference obtained for these two resonators is proportional only to the pressure applied.
- the resonators are produced on a quartz substrate of Y + 34 ° cut.
- the propagation direction used is the X direction for the T1SAW and PSAW resonators.
- the direction used for the T2SAW resonator is X + 18 °. It should be noted that the quartz has symmetry with respect to the X axis, which implies that the angles ⁇ and - ⁇ are equivalent.
- the T2SAW resonator can therefore be replaced without any change in properties by a symmetrical resonator with respect to X + 90 °, that is to say along the axis X + 162 0 . This is equivalent to achieving symmetry with respect to the x axis and then a 180 ° rotation of the device. All the resonators have a quadratic frequency frequency dependence law with a second order coefficient which can be considered to be identical. On the other hand, the inversion temperature of the frequency frequency curve depends on the angle of propagation. This temperature is at -25 ° C for the T1SAW and PSAW resonators, it is at + 25 ° C for the T2SAW resonator.
- the frequency difference between T1SAW and T2SAW resonators is therefore proportional to the temperature which allows a measurement of the temperature.
- the transducers are weighted with a cosine type weighting, that is to say that one chooses to vary the lengths of overlap of the electrodes according to a cosine arc function having a maximum in the center and zeros at the extremities. This weighting makes it possible to couple only the main mode.
- FIGS. 7 and 8 illustrate two types of cosine arc function, respectively symmetrical and antisymmetrical, which can advantageously be used in a sensor according to the invention.
- ⁇ is the directivity in degrees which is defined in the aforementioned reference.
- the number of electrodes of the transducers and their opening are chosen to have an impedance close to 50 ohms. This maximizes the electromagnetic energy re-emitted by the sensor. 0 Summary table of optimized sensor data
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Abstract
L'invention concerne un capteur de température interrogeable à distance à ondes acoustiques de surface, comportant à la surface d'un substrat de quartz de coupe selon la direction Y' faisant un angle theta avec la direction Y, au moins deux résonateurs (T1SAW, T2SAW) comportant des transducteurs constitués d'électrodes interdigitées connectées à des bus de commande et de conception telle qu'ils présentent des fréquences caractéristiques de fonctionnement différentes, un premier résonateur ayant une première direction de propagation des ondes acoustiques de surface, parallèle à un des axes du substrat et un second résonateur ayant une direction de propagation des ondes acoustiques de surface faisant un angle non nul (beta) avec la direction de propagation du premier résonateur caractérisé en ce que les bus de commande du second transducteur sont inclinés d'un angle non nul (gamma) par rapport à la normale aux électrodes interdigitées dudit second transducteur de manière à compenser la divergence de flux d'énergie des ondes acoustiques par rapport à la direction de propagation des ondes acoustiques de surface le long dudit second transducteur.
Description
CAPTEUR DE TEMPERATURE INTERROGEABLE A DISTANCE
Les capteurs basés sur les ondes acoustiques de surface sont connus depuis les années 1970. Le principe est de mesurer la variation de fréquence ou de retard d'un dispositif SAW. En effet, les contraintes appliquées sur le substrat se traduisent par une déformation de celui-ci ainsi que par une variation de la vitesse des ondes de surface. Si un dispositif est réalisé à la surface du substrat, ces effets mécaniques se traduiront par une variation de fréquence centrale du dispositif ainsi que par une variation de son retard. Les variations de température donnent des effets analogues (dilatation et variation de vitesse). Un principe habituel est de réaliser un résonateur à la surface du substrat. En effet, du fait de la très faible bande passante de ce type de dispositif, il est possible de mesurer précisément les variations de fréquence. Un résonateur à ondes acoustiques de surface est constitué d'un transducteur à peignes interdigités T placé entre deux réseaux réflecteurs RR1 et RR2 comme illustré en figure 1. Les réseaux réflecteurs se comportent comme des miroirs et il existe donc des fréquences de résonance pour lesquelles le trajet aller retour dans la cavité est égal à un nombre entier de longueurs d'ondes. Les modes de résonance pour ces fréquences sont excités par le transducteur placé entre les miroirs. Les fréquences de résonance se traduisent par des variations rapides de l'admittance du composant. Il est également connu la possibilité de l'interrogation à distance de capteurs à base d'onde de surface. Le principe est de connecter l'entrée du transducteur à une antenne radiofréquence. Lorsque l'antenne reçoit un signal électromagnétique, celui-ci donne naissance à des ondes sur la surface du substrat qui sont elles-mêmes reconverties en énergie électromagnétique sur l'antenne. Ainsi, le dispositif constitué d'un résonateur connecté à une antenne a une réponse à la fréquence de résonance du résonateur et il est possible à distance de mesurer cette fréquence. On peut ainsi réaliser des capteurs interrogeables à distance. Cette possibilité est un avantage important des ondes acoustiques de surface et est utilisée dans le cadre des capteurs de pression de pneumatiques. En effet, il est intéressant de pouvoir placer le capteur
dans le pneumatique alors que l'électronique d'interrogation est sur le véhicule. Plus précisément il a déjà été proposé des structures de capteur comprenant un ensemble de trois résonateurs telle qu'illustrée en figure 2. Ces trois résonateurs fonctionnent à des fréquences différentes. Le principe de mesure est basé sur une mesure de l'écart de fréquences entre deux résonateurs. Un premier résonateur R1 permet d'obtenir une fréquence de référence. La mesure de pression est obtenue en soumettant un second résonateur R2 seul à une pression. Les résonateurs R1 et R2 étant à la même température, l'écart de fréquence obtenu pour ces deux résonateurs est proportionnel uniquement à la pression appliquée. Typiquement si l'ensemble des résonateurs est réalisé à la surface d'un substrat de quartz, de coupe Y + θ ( dans un repère cristallographique X,Y,Z tel que représenté sur la figure 2), la direction de propagation utilisée est la direction X pour les résonateurs R1 et R2. Un troisième résonateur R3 est utilisé sans contrainte de pression, mais est positionné avec un angle β par rapport à l'axe X, pour mesurer la température, l'axe de propagation des ondes acoustiques de surface est dans ce cas l'axe X', faisant un angle β avec l'axe X. Tous les résonateurs ont une loi de dépendance Fréquence/Température, quadratique, avec un coefficient du second ordre qui peut être considéré comme identique. En effet, ce coefficient du second ordre est dépendant essentiellement du matériau utilisé. Lorsque l'on utilise du quartz de coupe dite ST, c'est à dire ayant une coupe comprise entre Y+30° et Y+42.75°, ce coefficient CTF2 est égal pour une propagation suivant l'axe X à environ 3.3 10"8/°C . En d'autres termes, si fO est la fréquence centrale nominale du dispositif, sa fréquence f suivra en f -f fonction de la température T une loi du type : = CTF2(T - TO)2
La température T0 correspond au sommet de la parabole et est appelée température d'inversion (ou turn over température en anglais). On montre également que le coefficient du 2ème ordre CTF2 varie peu lorsque la direction de propagation s'écarte de l'axe X.
Par contre, la température d'inversion de la courbe Fréquence/ Température, dépend de l'angle de propagation. La différence de fréquence entre le résonateur de référence (fréquence fi) et le résonateur incliné (fréquence f2) est donc proportionnelle à la température. Cette différence suit la loi :
f1 " f°1 = CTF2(T - T01)2 ' 01 f2 ~ f°2 = CTF2(T - T02)2 f2 - f1 ≈ f02 - f01 + CTF2(f02T022 - f01T012 )- 2CTF2(f02T02 - f01T0l)T f 2 - f 1 ≈ {f2 - fl T = 0)- 2CTF2T02 f02 + f01 T
L'écart de fréquence est donc proportionnel à la température multipliée par un coefficient égal au produit de l'écart de température d'inversion par le double du coefficient du second ordre. La sensibilité du capteur à la température est donc proportionnelle à l'écart de température d'inversion. O n peut également estimer cette sensibilité par l'écart des coefficients de dérive linéaire CTF1 de température entre la propagation pour l'angle nul et pour un angle donné. Cet écart de CTF1 donne directement la variation relative de fréquence avec la température. La figure 3 montre l'évolution de cet écart de CTF1 en ppm/°C pour la coupe ST pour différents points de fonctionnement (épaisseur/ taux de metallisation). Dans ces courbes, a désigne la largeur des électrodes, h désigne l'épaisseur de metallisation des électrodes et p la période des électrodes. L'ensemble de ces courbes très rapprochées montre que la courbe d'écart de CTF1 dépend très peu du point de fonctionnement puisque l'on observe au maximum un écart de 2ppm/°C pour 22 ppm/°C pour l'angle de propagation de 30° par rapport à x. On peut donc considérer en première approximation que cet écart de CTF1 n'en dépend pas. D'autre part, la figure 4 montre les variations de cet écart de CTF1 ΔCTF1 pour différents angles de coupe θ et différents angles de propagation.
On a pu montrer que cet écart de CTF1 est approché de manière très précise par la forme : ΔCTF1(ppm /°C) = (0.4471 .10'3Θ - 6.153.10"3 )β2 + (0.1848.10_6θ + 1.88.10-6)β4 Dans cette équation, θ est l'angle de coupe en degrés, β l'angle de propagation en degrés. Cette équation permet donc de déterminer la sensibilité du capteur. La présence d'un capteur incliné permet ainsi de déterminer la température, néanmoins un problème de divergence de flux d'énergie des ondes acoustiques le long de la direction de propagation, se pose en raison de l'angle d'inclinaison du résonateur par rapport à la direction X. La figure 5 schématise cette divergence en mettant en évidence l'angle PFA que fait le flux d'énergie des ondes acoustiques de surface par rapport à la direction de propagation X' Si l'on utilise des bus parallèles à l'angle de propagation X', le flux d'énergie va sortir du transducteur et on va dégrader de manière importante le coefficient de qualité du résonateur. On constate sur cette figure que cet angle de flux d'énergie peut atteindre des valeurs aussi importantes que 5° pour des angles de propagation de 20° et ce pour des angles de coupe θ . Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un capteur à ondes acoustiques de surface à interrogation à distance permettant la mesure de la température, comportant au moins deux résonateurs connectés en parallèle sur une antenne et fonctionnant à des fréquences différentes, le principe de mesure étant basé sur une mesure de l'écart de fréquence entre un premier et un second résonateurs, le second résonateur étant incliné par rapport au premier et possédant des bus d'électrodes inclinés d'un angle γ par rapport à la normale à ses électrodes dudit troisième résonateur, de manière à compenser la différence entre la direction du flux d'énergie et la direction du vecteur de phase (power flow angle en anglais). Plus précisément la présente invention a pour objet un capteur à ondes acoustiques de surface comportant à la surface d'un substrat de quartz de coupe Y+ θ au moins deux résonateurs comportant des transducteurs constitués d'électrodes interdigitées connectées à des bus
de commande et de conception telle qu'ils présentent des fréquences caractéristiques de fonctionnement différentes, un premier résonateur ayant une première direction de propagation des ondes acoustiques de surface parallèle à un des axes du substrat cristallin, un second résonateur ayant une direction de propagation des ondes acoustiques de surface faisant un angle non nul avec la direction de propagation des premier et second résonateurs caractérisé en ce que les bus de commande du second transducteur sont inclinés par rapport à la normale aux électrodes interdigitées dudit second transducteur de manière à compenser la divergence de flux d'énergie des ondes acoustiques par rapport à la direction de propagation des ondes acoustiques de surface le long dudit second transducteur. De plus la demanderesse a montré que pour un angle de propagation donné β , l'angle de flux d'énergie PFA s'exprime en fonction de l'angle de coupe θ et de l'angle de propagation β :
PFA(β,θ) ≈ A1(θ)β + A2(θ)β 133
A1(θ) = 0.6259 -0.014Θ + 1.9152.10 -~44 ΩΘ2 A2(θ) = -5.1796.10-4 + 1.2673.10_5θ -1.397.10-7θ2 A3(θ) = 4.3.10~8 -4.8611.10"9Θ + 4.5141.10~11Θ2
Cette expression est valable pour un angle de propagation β compris entre -30° et 30° et un angle de coupe situé entre 30° et 45°. Elle permet de déterminer l'angle γ égal à l'angle PFA que doivent faire les bus avec la perpendiculaire aux électrodes. Le capteur selon l'invention étant conçu pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée, les fréquences caractéristiques de chacun des résonateurs sont telles qu'elles appartiennent à ladite bande et présentent une différence de fréquence maximale pour favoriser une meilleure sensibilité du capteur. Avantageusement le capteur selon l'invention peut fonctionner dans la bande ISM (Industrial Scientific and Médical) autour de 434 MHz,
plus précisément dans la bande située entre 433.05 MHz et 434.79 MHz. Il existe d'autres bandes ISM qui pourraient être utilisées pour les capteurs dans les gammes 868 MHz et 2.4 GHz. Les limites de bandes et de puissance dépendent des régulations locales. Selon un mode préférentiel de l'invention, le substrat est un cristal de quartz, de coupe Y' faisant un angle θ avec l'axe cristallographique Y pouvant être compris entre 30° et 45° et le premier résonateur a une direction de propagation des ondes de surface parallèle à l'axe X du cristal. La direction de propagation des ondes acoustiques de surface au sein du second résonateur peut typiquement faire un angle β inférieur à 30° et pouvant être compris entre 14° et 22° par rapport à la direction X. Dans cette configuration, l'angle γ des bus de commande du second résonateur par rapport à la direction de propagation des ondes peut typiquement être compris entre 5° et 6° . Dans le cas d'un capteur sur substrat de quartz, des modes de propagation transverses viennent perturber la propagation des modes de propagation longitudinaux. Pour supprimer ces modes transverses, les transducteurs peuvent avantageusement être pondérés, c'est à dire qu'au sein des transducteurs, le recouvrement entre électrodes interdigitées est variable. Une fonction de pondération efficace peut typiquement être une fonction en arc cosinus présentant un maximum de recouvrement au centre et des zéros aux extrémités. Plus précisément si z est le recouvrement entre électrodes au sein d'un transducteur : z(x) = arc cos(x) avec x =0, au centre du transducteur. De manière préférentielle, chaque résonateur comprend un transducteur inséré entre deux réseaux d'électrodes, pour chacun des réseaux on peut avantageusement choisir une période d'électrodes telle que le coefficient de réflexion soit centré sur la fréquence centrale de fonctionnement du résonateur. En d'autres termes, cela signifie que la phase de propagation sur une période est égale à 180° à la fréquence centrale (on parle souvent de fréquence de Bragg ou de synchronisme) ; ceci permet d'optimiser le coefficient de qualité du résonateur tout en réduisant au maximum la longueur des réseaux. L'invention a aussi pour objet un capteur de pression et de température interrogeable à distance à ondes acoustiques de surface,
comportant en outre un troisième résonateur ayant une direction de propagation des ondes acoustiques de surface parallèle à celle du premier transducteur et des moyens pour appliquer une pression sur ledit troisième transducteur. Selon une variante de l'invention le capteur est caractérisé en ce que les périodes des premiers, seconds et troisièmes réseaux réflecteurs sont respectivement égales à 3.62 μm, 3.69 μm et 3.62 μm, les périodes des premier, second et troisième transducteur sont respectivement égales à 3.60, 3.67 et 3.60. les distances entre réseaux réflecteurs et transducteurs sont respectivement égales à 3.28 μm et 3.28 μm dans le premier résonateur, à 3.82 μm et à 2.85 μm dans le second résonateur et à 3.27 μm et à 3.27 μm dans le troisième résonateur. l'ouverture des transducteurs au sein des trois résonateurs est égale à 350 μm. le nombre d'électrodes au sein des réseaux est égal respectivement à 270, 360 et 270. le nombre d'électrodes au sein des transducteurs est égal respectivement à 136, 164 et 136. .- .- L'invention a aussi pour objet un dispositif de mesure de pression et de température, comprenant un capteur selon l'invention et un système d'interrogation à distance.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront grâce à la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 schématise la structure d'un résonateur à ondes acoustiques de surface de faible largeur de bande passante, selon l'art connu - la figure 2 illustre un capteur de pression et de température interrogeable à distance, selon l'art antérieur
- La figure 3 illustre les variations d'écart ΔCTF1 pour différents points de fonctionnement (épaisseur/ taux de metallisation), et différents angles de coupe. - La figure 4 illustre les variations des écarts ΔCTF1 pour différents angles de coupe et différents angles de propagation - La figure 5 illustre la divergence d'angle de flux au sein d'un résonateur incliné dans un capteur selon l'invention, en fonction de l'angle de propagation, pour différents angles de coupe. - la figure 6 illustre le résonateur incliné du capteur selon l'invention et ses bus de commande orientés pour optimiser l'énergie acoustique . - les figures 7 et 8 illustrent des fonctions arc c osinus de pondération pouvant être utilisées dans un capteur selon l'invention. - la figure 9 illustre l'évolution de directivité en fonction de l'angle de propagation au sein du résonateur incliné, dans un exemple de capteur selon l'invention.
De manière générale, !$_• capteur selon l'invention peut comprendre trois résonateurs , tels que celui représ enté en figure 1, respectivement dénommés TISAW pour le résonateur de référence, PSAW pour le résonateur soumis à des variations de pression et T2SAW pour le résonateur destiné à des mesures de température, dans une configuration identique à celle illustrée en figure 2 avec R1→T1SAW, R2→PSAW et R3→T2SAW . Notons que le résonateur PSAW n'est pas obligatoire, on peut réaliser simplement un capteur de température interrogeable à distance. Ces trois résonateurs sont connectés entre eux en parallèle comme illustré en figure 2 et également connectés à une antenne. Les résonateurs T1SAW et PSAW sont disposés sur le substrat selon l'axe X, le résonateur T2SAW est disposé selon la direction X' qui fait un angle β avec la direction X. Les bus de commande B21 et B22 des électrodes interdigitées du résonateur T2SAW sont inclinés d'un angle γ
par rapport à l'angle β de manière à utiliser l'ensemble du flux d'énergie au sein dudit troisième résonateur, comme illustré en figure 6.
EXEMPLE DE REALISATION DE CAPTEUR SELON L'INVENTION FONCTIONNANT DANS LA BANDE ISM
Selon cet exemple de réalisation, les trois résonateurs sont placés à des fréquences différentes. Les fréquences nominales sont respectivement 434.26 MHz, 433.83 MHz et 433.28 MHz. Ce choix permet à la fois de ne pas sortir de la bande ISM (433.05 MHz à 434.79 MHz) et d'écarter le plus possible les trois fréquences. Le principe de mesure est basé sur une mesure de l'écart de fréquence entre deux résonateurs. Le premier résonateur T1SAW permet d'obtenir une fréquence de référence. La mesure de pression est obtenue en soumettant le résonateur seul PSAW à une pression. Il existe plusieurs moyens de mettre le résonateur en pression. Un des moyens est de ne pas supporter le résonateur et d'appuyer dessus avec le couvercle. Les résonateurs T1SAW et PSAW étant à la même température, l'écart de fréquence obtenu pour ces deux résonateurs est proportionnel uniquement à la pression appliquée. Les résonateurs sont réalisés sur un substrat de quartz de coupe Y+34°. La direction de propagation utilisée est la direction X pour les résonateurs T1SAW et PSAW. La direction utilisée pour le résonateur T2SAW est X+18°. Il faut bien noter que le quartz présente une symétrie par rapport à l'axe X, ce qui implique que les angles β et - β sont équivalents. Le résonateur T2SAW pourra donc être remplacé sans aucun changement des propriétés par un résonateur symétrique par rapport à X+90°, c'est à dire suivant l'axe X+1620. Ceci est équivalent à réaliser une symétrie par rapport à l'axe x et ensuite une rotation de 180° du dispositif. Tous les résonateurs ont une loi de dépendance fréquence température quadratique avec un coefficient du second ordre qui peut être considéré comme identique. Par contre, la température d'inversion de la courbe fréquence température dépend de l'angle de propagation. Cette température est à -25°C pour les résonateurs T1SAW et PSAW, elle est à +25°C pour le résonateur T2SAW. La différence de fréquence entre les
résonateurs T1SAW et T2SAW est donc proportionnelle à la température ce qui permet une mesure de la température. Pour supprimer les modes transverses, on pondère les transducteurs avec une pondération de type cosinus, c'est à dire que l'on choisit de faire varier les longueurs de recouvrement des électrodes suivant une fonction en arc cosinus présentant un maximum au centre et des zéros aux extrémités. Cette pondération permet de ne coupler que le mode principal. Les figures 7 et 8 illustrent deux types de fonction en arc cosinus respectivement symétrique et antisymétrique qui peuvent avantageusement être utilisées dans un capteur selon l'invention.
Choix des périodes des réseaux et transducteurs Une manière de concevoir le capteur est décrite ci-après : - Pour chaque résonateur, on choisit une période de réseau telle que le coefficient de réflexion des réseaux, soit centré sur la fréquence centrale visée du résonateur. - Pour les résonateurs T1SAW et PSAW, on choisit des distances entre les extrémités des électrodes des réseaux et celles des transducteurs pour maximiser le couplage du transducteur avec la cavité résonante. Typiquement le décalage optimal des réflecteurs par rapport aux réseaux peut-être égal à 0.45λ . Ce décalage s'entend comme la distance que l'on rajoute entre réseaux et transducteurs. En d'autres termes, si Pr est la période dans le réseau et Pt dans le transducteur, la distance entre les deux électrodes adjacentes du réseau et du transducteur est :
Lorsque l'angle de propagation n'est pas nul et donc pour le résonateur T2SAW, les deux directions de propagation ne sont pas équivalentes et il existe une phase entre coefficient de réflexion et transduction. Cet effet physique dit souvent effet NSPUDT en anglais est lié à l'anisotropie des cristaux. Il est équivalent à considérer que le centre
de réflexion d'une électrode réflective n'est pas au centre de l'électrode mais est légèrement décalé. Lorsque l'on examine la phase de l'onde réfléchie sur un réseau, on obtient une valeur différente suivant que l'onde émise est émise vers la gauche (et donc réfléchie vers la droite) ou inversement. Si cet effet n'est pas compensé correctement dans la conception des résonateurs, il se traduit par l'apparition de modes parasites indésirés. Pour supprimer ces modes on décale de manière différente le réseau de gauche et le réseau de droite de manière à obtenir une phase identique des deux côtés entre le centre de transduction (c'est à dire le centre de la dernière électrode active du transducteur et le centre de réflexion) qui dépend de quel côté se trouve le réseau. Cette directivité dépend fortement de la coupe, de l'angle de propagation et surtout du point de fonctionnement utilisé (épaisseur de métal, taux de metallisation). Cette directivité peut être mesurée ou calculée en utilisant par exemple une méthode de type FEM/BEM [1]. On se reportera avantageusement à P. Ventura et al., « A NEW ACCURATE ANALYSIS OF PERIODIC IDTs. BUILT ON UNCONVENTIONAL ORIENTATION ON QUARTZ », 1997 IEEE Ultrasonics symp., pp 139-142. Un exemple de la variation de cet angle de directivité est donné par la figure 9, pour un angle de coupe de 42.75°, un rapport a/p égal à 0.75, un rapport h/2p égal à 1.6% et une période égale à 3.756 μm. Pour compenser cet effet, il est nécessaire d'avoir une distance différente entre réseaux et transducteur du côté droit et du côté gauche. Cette distance est optimisée pour supprimer les modes parasites qui apparaissent si la compensation n'est pas correcte. Dans le cas où les taux de metallisation sont égaux sur les réseaux et le transducteur, on a trouvé que pour compenser cet effet, il faut augmenter la distance entre l'électrode extrême d'un réseau et celle du transducteur en regard de
— — ( φ étant en degrés) d'un côté et en diminuant cette distance de la 2 360 même valeur de l'autre. Les décalages entre réseaux et transducteurs λ ω λ φ sont ainsi respectivement égaux à 0.45λ + — — et à 0.45λ -— — - 2 360 2 360
Dans ces expressions, φ est la directivité en degrés qui est définie dans la référence précitée. Cette directivité peut s'exprimer par la phase du
coefficient de réflexion sur une électrode réflective qui est (avec une référence de phase au centre de l'électrode) : Rgauche = -jrexp(-2jφ) Rdroite = -jrexp(2jφ)
5 Résonateur T2SAWet compensation de l'angle de flux d'énergie.
Pour la direction X+18°, la direction du flux d'énergie et du vecteur d'onde sont différentes d'un angle égal à 5.3°. Cet effet est compensé en choisissant de réaliser des bus non perpendiculaires aux 0 électrodes, conformément à l'invention. L'angle entre bus et électrodes est maintenant de 18°+5.3°=23.3°. Ceci permet d'avoir les limites du transducteur suivant la direction du flux d'énergie alors que les électrodes sont perpendiculaires au vecteur d'ondes. 5 Nombre d'électrodes des transducteurs et ouverture
Le nombre d'électrodes des transducteurs et leur ouverture sont choisis pour avoir une impédance proche de 50 ohms. Ceci permet de maximiser l'énergie électromagnétique réémise par le capteur. 0 Tableau récapitulatif des données du capteur optimisé
Claims
1. Capteur de température interrogeable à distance à ondes acoustiques de surface, comportant à la surface d'un substrat de quartz de coupe selon la direction Y' faisant un angle θ avec la direction Y, - au moins deux résonateurs (T1SAW, T2SAW) comportant des transducteurs constitués d'électrodes interdigitées connectées à des bus de commande et de conception telle qu'ils présentent des fréquences caractéristiques de fonctionnement différentes, un premier résonateur ayant une première direction de propagation des ondes acoustiques de surface, parallèle à un des axes du substrat et un second résonateur ayant une direction de propagation des ondes acoustiques de surface faisant un angle non nul (β) avec la direction de propagation du premier résonateur caractérisé en ce que les bus de commande (B21, B22) du second transducteur sont inclinés d' un angle non nul (γ) par rapport à la normale aux électrodes interdigitées dudit second transducteur de manière à compenser la divergence de flux d'énergie des ondes acoustiques par rapport à la direction de propagation des ondes acoustiques de surface le long dudit second transducteur.
2. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la bande de fréquence de fonctionnement dudit capteur étant bornée entre une fréquence inférieure (Fi) et une fréquence supérieure ( Fs), les fréquences caractéristiques de fonctionnement de chacun desdits résonateurs sont comprises dans ladite bande et présentent une différence maximale pour augmenter la sensibilité dudit capteur.
3. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat est un cristal de quartz de coupe selon les axes cristallographiques (X,Y',Z), l'axe Y' faisant un angle θ avec l'axe Y, et en ce que l'angle des bus avec la direction de propagation des ondes au sein du second résonateur répond à la formule suivante à +/- 0.5 degrés près : γ(β, θ) ≈ A1(θ)β + A2(θ)β3 + A3(θ)β5 A1(θ) = 0.6259 -0.0140 + 1.9152.10~4Θ2 A2(Θ) = -5.1796.10_4 +1.2673.10_5Θ -1.397.10-7Θ2 A3(θ) = 4.3.10~8 - 4.8611.10""9Θ + 4.5141.10_1 θ2
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle θ étant compris entre 30° et 40°, l'angle β étant compris entre 14° et 22°, I' angle γ est compris entre 5° et 6°.
5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un résonateur comportant un transducteur avec une ouverture correspondant à la dimension de recouvrement entre électrodes interdigitées, présentant une fonction de pondération le long de l'axe de propagation des ondes acoustiques pour coupler le moins possible les modes de propagation transverse et donc pour réduire leur influence.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fonction de pondération est une fonction en arc cosinus.
7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque résonateur comprenant un transducteur inséré entre deux réseaux réflecteurs, les périodes des réseaux sont telles que le coefficient de réflexion des réseaux est centré sur la fréquence centrale dudit transducteur.
8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second résonateur comprend des distances non symétriques entre réseaux réflecteurs et transducteur.
9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en que les distances entre les deux réseaux réflecteurs et le transducteur sont λ φ λ φ respectivement égales à 0.45λ + et 0.45λ — , avec λ 2 360 2 360 longueur d'onde caractéristique du transducteur et φ la phase de directivité entre le coefficient de réflexion et le coefficient de transduction.
10. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs ont une impédance proche ou égale à 50 ohms
11. Capteur de température et de pression, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température selon l'une des revendications précédentes et sur le substrat dudit capteur de température, un troisième résonateur ( PSAW) et des moyens pour appliquer une pression sur ledit troisième résonateur, ledit résonateur ayant une direction de propagation des ondes acoustiques de surface, parallèle à la direction de propagation des ondes acoustiques de surface du premier résonateur.
12. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont connectés à une antenne et en parallèle.
13. Capteur selon la revendication 11 , caractérisé en ce que - les périodes des premiers, seconds et troisièmes réseaux réflecteurs sont respectivement égales à 3.62 μm, 3.69 μm et 3.62 μm, les périodes des premier, second et troisième transducteur sont respectivement égales à 3.60, 3.67 et 3.60. - les distances entre réseaux réflecteurs et transducteurs sont respectivement égales à 3.28 μm et 3.28 μm dans le premier résonateur, à 3.82 μm et à 2.85 μm dans le second résonateur et à 3.27 μm et à 3.27 μm dans le troisième résonateur. - l'ouverture des transducteurs au sein des trois résonateurs est égale à 350 μm. - le nombre d'électrodes au sein des réseaux est égal respectivement à 270, 360 et 270. - le nombre d'électrodes au sein des transducteurs est égal respectivement à 136, 164 et 136.
14. Dispositif de mesure de pression et de température, comprenant un capteur selon l'une des revendications précédentes et un système d'interrogation à distance
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