Méthode de caractérisation et modèles théoriques d’optimisation de la sensibilité des capteurs GIS 

Principe d ‘opération

Les radiomètres hyperfréquences ont plusieurs applications potentielles. Cependant, dans de nombreuses applications, les radiomètres micro-ondes tiennent difficilement la concurrence face aux autres structures micro-ondes classiques, en raison de la complexité de leurs principes de fonctionnement et surtout au prix élevé de leurs coûts de réalisation.

Suivant les applications ciblées, les techniques et principes de mesure de ces structures sont très variables. La technique la plus répandue est celle de la mesure du flux radiant de rayonnement électromagnétique, avec des rotors conçus à l’aide de palettes (avec un sombre et un autre lumineux) plongées dans un vide partiel, et qui sous exposition à la lumière pivotent. La vitesse engendrée suite à l’absorption de la lumière au niveau des faces noires constitue le principe de fonctionnement des capteurs de radiomètre.

Par conséquent, le principe de fonctionnement des radiomètres est basé sur la mesure de l’intensité du rayonnement émis par la matière. La structure peut mesurer le flux radiant de rayonnement électromagnétique avec un dispositif sensible à l’ intensité de rayonnement provenant de la surface de l’objet. Cette intensité de rayonnement dépend de nombreux paramètres de l’objet exposé, tels que la température, la permittivité et la perméabilité.

À l’ image des bruits de rayonnement électromagnétique émis par les charges en mouvement thermique, le rayonnement (X ») peut être défini en combinant les théories de la physique quantique portant sur une charge en mouvement, les statistiques de Boltzmann et la loi de Planck pour la luminosité de la surface de l’objet [5] :

Lorsque Tp est la température physique, h est la constante de Planck (h = 6.626.10-34 J.s), k est la constante de Boltzmann (k = 1.38.10-23 J / K), c la vitesse de la lumière (c = 3.108 m / s) et! est la fréquence. Ainsi, pour réaliser un radiomètre-capteur micro-ondes, le dispositif de radiomètre doit être placé devant l’échantillon sensible au paramètre physique à détecter. Le radiomètre reçoit un signal constant dont la variation du rayonnement émis par l’échantillon dans une bande de fréquence micro-ondes peut être détectée. Cette variation du rayonnement représentera le principe de détection du système. Avec (7), nous pouvons voir que les propriétés physiques permettant la détection d’une variation sont essentiellement basées sur la permittivité, la température et la perméabilité de l’échantillon, mais aussi sur les propriétés liées à la déformation ou à l’apparence physique des k, h et! de l’échantillon.

Application pour la détection environnementale

La plupart des capteurs de radiomètre environnementaux [47, 55-56] sont conçus pour détecter la température, étant donné que dans la bande de fréquences des micro-ondes l’intensité du rayonnement est directement proportionnelle à la température physique de l’objet et à l’émissivité. L’usage récurrent des capteurs radiométriques est pour la plupart axé sur la réalisation de réseau de capteurs environnementaux, opérant dans l’optique se concentrer leurs sensibilités autour de la détection de paramètres environnementaux tels que l’humidité [52-53] ou le gaz [54], ou les capteurs multienvironnement [49-51].

Tableau 3 présente une revue de littérature des capteurs environnementaux de type radiomètre classés dans ce tableau suivant le type de structure, la technique de fabrication et le paramètre environnemental à détecter.

Les radars

Description

Le radar est une structure ou un système qui exploitant la propriété réfléchissante de l’onde électromagnétique en contact avec tout corps physique. Ainsi, en transmettant un signal EM, les radars peuvent évaluer les données de retour réfléchies de ce signal transmis dans un délai et une distance prédéterminés. Toute onde électromagnétique en contact avec un corps physique est soumise aux phénomènes d’absorption d’une partie de son énergie et à la réflexion de l’autre partie. Comme illustrer sur la Figure 4.

Principe d ‘opération

Les capteurs radar sont des dispositifs électroniques basés sur la réflexion des signaux hyperfréquences provenant d’objets non absorbants. L’exploitation des données recueillies de la réflexion des ondes radios permet au système radar de fournir des informations sur le portrait du réflecteur en question. Généralement, les capteurs radar sont utilisés pour la mesure de la distance, du mouvement, de la position ou de la vitesse. Cependant, l’utilisation des propriétés de réflexion des ondes électromagnétiques dans le contexte du radar peut également être utilisée pour la détermination de l’information, telle que la forme, la taille et l’Er de l’objet réfléchissant. Ainsi, les radars, connus comme un système électronique maniant des ondes électromagnétiques sont composés d’un émetteur chargé d’envoyer les ondes micro-ondes et d’un récepteur orienté dans le sens que l’émetteur pour recevoir les signaux de retour, appelés Écho radar. La distance de l’émetteur à partir des objets est obtenue par le temps de trajet aller-retour de l’onde et la direction due à la position angulaire de l’antenne du récepteur et la vitesse avec le décalage de fréquence du signal de retour généré par l’ effet Doppler [5] .

Application pour la détection environnementale

Les détecteurs radar sont connus pour être performants dans leurs domaines d’applications (mesure de position/vitesse), du fait que ces technologies sont rangées dans la catégorie des systèmes actifs. Par conséquent, en fonction du type d’alimentation RF, certains paramètres comme la distance d’ interrogation entre le capteur et l’objet à sonder, la précision de mesure, le temps de recouvrement … peuvent être grandement augmentés.

Ainsi, employant la technologie radar, plusieurs types de capteurs ont déjà été développés lors de cette décennie. Comme le capteur d’humidité [57] utilisant des nanofils de silicium, qui très sensibles à la variation de l’humidité de l’environnement, modifient les propriétés d’un ensemble de lignes de transmission. Pour la détection de gaz, le concept de capteurs utilisant un résonateur diélectrique fonctionnant avec des modes de murmuregalerie a été réalisé sur la technologie micro-mécanique [65]. Un concept particulier est également développé dans [66] pour la détection de pression et de gaz, avec le concept de capteur sans contact, testé dans un système de radar bistatique mm W A VE-FMCW.

Tableau 4 présente une revue de littérature des capteurs environnementaux de type radar classés dans ce tableau suivant le type de structure, la technique de fabrication et le paramètre environnemental à détecter.

Perspectives et futurs défis

De façon générale, le choix de la technologie micro-ondes pour la réalisation de capteurs, quel que soit le domaine d’application, est pour la plupart du temps congratulé par les spécialités du domaine des senseurs. Ceci est surtout dû, à la certitude de la commodité de déploiement de ces technologies en système sans fil (ou sans contact). Ce qui fait de ces systèmes des candidats idéaux, pour pouvoir se développer sans module d’ alimentation et ainsi, éviter les complexités et les difficultés rencontrées au développement d’ alimentations embarquées.

Par ailleurs, ce travail de revue de littérature des capteurs micro-ondes conçus pour des applications de détection environnementale, aura également permis de relever deux problématiques majeures concernant le déploiement de ces différentes technologies microondes: les coûts de réalisation élevés et des performances limitées dans beaucoup de cas.

Afin d’optimiser les performances des capteurs hyperfréquences, leur robustesse, mais surtout réduire leurs coûts de production, la communauté scientifique s’est focalisée depuis peu, autour le développement et l’exploitation de nouvelles technologies émergentes pour la réalisation de capteurs performants et à moindres coûts. Au cours des dernières années, après l’émergence de la génération d’antenne-capteur intégrant une antenne dans leur structure [68-70], l’une des technologies de détection les plus explorées repose sur des substrats flexibles. Les dispositifs basés sur cette technologie sont généralement réalisés par impression sur des substrats flexibles comme le papier, le tissu, le plastique . .. ce qui les rend peu coûteux. Ce type de technologie présente également de nombreux avantages, en particulier une bonne compatibilité avec différents emballages électroniques modernes, ainsi qu’une petite taille et une flexibilité, ce qui les permet d’être utilisés pour plusieurs applications, telles que la détection en chimie et en biologie [71-75], les dispositifs acoustofluidiques pour l’emballage électronique compact [76], les capteurs de pression [57] , les capteurs de température [77], les capteurs d’humidité [78-80] et la flexibilité piézoélectrique pour les applications portables [81].

Table des matières

Résumé 
Avant-propos
Liste des tableaux 
Liste des figures
Liste des symboles 
Chapitre 1 – Introduction 
1.1 Mise en contexte
1.2 Problématique de recherche
1.3 Les objectifs de recherche
1.4 Principales Contributions scientifiques
1.5 Organisation de la thèse
Chapitre 2 – État de l’ art des capteurs environnementaux à technologies microondes
2.1 Introduction générale
2.2 Classification des capteurs environnementaux micro-ondes
2.2.1 Les lignes de transmission
2.2.2 Les résonateurs
2.2.3 Les radiomètres
2.2.4 Les radars
2.3 Perspectives et futurs défis
2.4 Conclusion
Chapitre 3 – La technologie des guides d’ondes intégrés aux substrats 
3.1 Introduction
3.2 Description et fonctionnement d’un GIS
3.3 Les cavités résonantes GIS
3.4 Conclusion
Chapitre 4 – Méthode de caractérisation et modèles théoriques d’ optimisation de la sensibilité des capteurs GIS 
4.1 Introduction
4.2 La méthode des cavités perturbées
4.3 Modèles théoriques et calcul d’ optimisation de la sensibilité des capteurs à cavité résonnante GIS basés sur la méthode des cavités perturbées
4.3.1 Principe d’opération d’un capteur à base de cavité résonnante . GIS
4.3.2 Calcul de la fréquence de résonance perturbée
4.3.3 Expression de sensibilité
4.3.4 Optimisation de la sensibilité d’ un capteur à cavité GIS
4.4 Modèle théorique et méthode de caractérisation de matériau diélectrique à l’aide de cavités résonnantes GIS basés sur la méthode des cavités perturbées
4.4.1 Extraction de la constante diélectrique
4.4.2 Extraction des pertes diélectriques
4.4.3 Validation de la méthode
4.5 Conclusion
Chapitre 5 – Conception et réalisation d’une cavité résonnante GIS perturbée au Sn02 pour la détection de l’ hydrogène
5.1 Introduction
5.2 Conception du capteur H2
5.2.1 Préparation du matériau sensible
5.2.2 Caractérisation du matériau
5.2.3 Structure des dispositifs
5.2.4 Banc de test sous hydrogène
5.3 Résultats expérimentaux
5.3.1 L’effet de la taille de la région fonctionnalisée
5.3.2 L’effet de la différence permittivité relative entre le matériau sensible et le substrat
5.3.3 L’effet de la topologie de la région fonctionnalisée
5.4 Synthèse des travaux
5.5 Conclusion
Chapitre 6 – Conception et réalisation d’une cavité résonante GIS perturbée aux nanofibres de cellulose pour la détection d’humidité 
6.1 Introduction
6.2 Conception du capteur SICCR
6.2.1 Le matériau sensible
6.2.2 Structure du capteur
6.3 Validation expérimentale
6.3.1 Banc d’essai
6.3.2 Résultats expérimentaux
6.4 Conclusion
Chapitre 7 – Conception et réalisation de résonateurs à cavité d’air intégré au substrat pour la détection d’ humidité 
7.1 Introduction
7.2 Topologie et conception de la structure
7.2.1 Structure du capteur
7.2.2 Théorie de base et principe d’exploitation
7.3 Conception et réalisation du dispositif
7.3.1 Procédé de fabrication de la structure
7.3.2 Réalisation du dispositif
7.4 Validation expérimentale
7.5 Comparaison et discussion
7.6 Conclusion
Chapitre 8 – Conception et réalisation de multicapteur à technologie GIS pour la détection simultanée d’humidité et de température
8.1 Introduction
8.2 Structure du multicapteur et principe de fonctionnement
8.3 Conception et réalisation du dispositif
8.3.1 Théorie de base
8.3.2 Simulation et mesure du dispositif
8.4 Résultats expérimentaux
8.4.1 Détection indépendante de la température et de l’humidité
8.4.2 Détection simultanée de la température et de l’humidité
8.5 Conclusion
Chapitre 9 – Conclusions et perspectives des futurs travaux 
9.1 Conclusions
9.2 Perspectives
Annexe A – Sensitivity evaluation of dielectric perturbed substrate integrated
resonators for hydrogen detection
Annexe B – Air Filled Substrate Integrated Cavity Resonator for Humidity Sensing
Annexe C – Substrate Integrated Circular Cavity Resonator Filled with Nano-
Fibrillated Cellulose for Humidity Detection
Annexe D – Passive Monolithic Microwave Multisensor Based on N coupled
Substrate Integrated Resonators for Environmental Detection
Annexe E – Parti ally-open SIW resonator for microwave characterization of particulate dielectrics: Effect of interaction with gases
Annexe F – Review of Environmental Detection based on Microwave technologies of Resonators, Transmission lines, Radiometers and Radars Sensors

Télécharger le rapport complet