Brevet FR2977668A1 — publié le 20130111

DISPOSITIF PIEZOELECTRIQUE La présente invention a pour objet un dispositif piézoélectrique permettant la détermination d'un paramètre physique externe. Elle concerne en particulier un dispositif piézoélectrique permettant de déterminer la température d'un élément avec une grande sensibilité et une grande précision. Les ondes acoustiques de surface, également appelées surface acoustic wave (SAW) en langue anglaise, sont des ondes mécaniques se propageant à la surface d'un matériau et ne pénétrant que très peu à l'intérieur de ce matériau. Certains paramètres physiques externes, comme la température et la pression, ainsi que le milieu en contact avec la surface du matériau, influencent la propagation de l'onde, et donc les caractéristiques de l'onde, qui sont la vitesse et l'amplitude. Ce phénomène est connu depuis 1885 et ses applications ont été développées avec les matériaux piézoélectriques. Un matériau piézoélectrique est un matériau qui possède la propriété de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on lui applique un champ électrique. Il est ainsi connu de placer un transducteur à la surface d'un substrat piézoélectrique (IDT, Interdigital transducer en langue anglaise), le transducteur étant destiné à convertir un signal radio en onde de surface et inversement. Le couplage de l'onde avec son environnement permet de déterminer les paramètres physiques externes à partir des caractéristiques de l'onde. On a ainsi pu concevoir des capteurs sans fil ne requérant pas d'alimentation. Différents capteurs ont été développés : des capteurs de température, pression, agent chimique ou biologique, accélération, torsion, stimulation optique ou électrique. La précision de ces capteurs dépend de la sensibilité de la propagation des ondes mécaniques par rapport aux paramètres externes à mesurer. La précision des capteurs actuels est donc limitée par les propriétés élastiques disponibles dans les substrats piézoélectriques ou dans les couches déposées à la surface de ces substrats. Il a été proposé d'améliorer la sensibilité de ces capteurs en utilisant des associations plus ou moins complexes de transducteurs, de résonateurs et de miroirs à la surface du matériau. Dans le document US 5,912,608, il est ainsi proposé de coupler élastiquement deux résonateurs sur un substrat piézoélectrique pour améliorer la sensibilité en température de la fréquence de résonance. Le document US 6,571,638 décrit un capteur de pression à ondes acoustiques de surface utilisant au moins trois résonateurs sur un substrat piézoélectrique pour détecter les variations de pression tout en prenant en compte les variations de température. Ces améliorations augmentent la précision de la mesure de l'onde de surface, mais n'augmentent pas la sensibilité des caractéristiques de cette onde vis-à-vis d'un paramètre externe. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose ainsi un dispositif permettant de déterminer un paramètre physique externe. Elle propose en particulier un dispositif très sensible à la température et qui permette de la déterminer avec une grande précision. L'invention a ainsi pour objet un dispositif piézoélectrique comprenant : - des moyens de réception et d'émission d'un champ électrique, - un matériau piézoélectrique apte à se déformer sous l'action du 20 champ électrique, produisant ainsi une onde mécanique, et - des moyens d'analyse aptes à déterminer les caractéristiques de l'onde mécanique et à déterminer un paramètre physique externe en fonction desdites caractéristiques de l'onde mécanique, Dans le dispositif selon l'invention, l'onde mécanique se propage dans 25 une structure comprenant une couche de MnAs (arséniure de manganèse). Le paramètre physique externe peut être choisi parmi la température, la pression, et le champ magnétique. Les caractéristiques de l'onde mécanique peuvent être la vitesse et/ou l'amplitude et/ou la fréquence de vibration mécanique d'un résonateur. 30 La couche de MnAs peut être du MnAs monocristallin ou polycristallin. La couche de MnAs peut être dopée avec du phosphore. Le dispositif peut comprendre en outre un substrat de GaAs ou de ZnSe en tant que support de la couche de MnAs. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus pour déterminer un paramètre physique externe, et notamment pour déterminer la température d'un élément couplé thermiquement au dispositif. Le dispositif peut être utilisé pour déterminer entre 0 et 100°C la température d'un élément couplé thermiquement au dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention, et - les figures 2 et 3 sont des diagrammes utiles à la compréhension de l'invention. Le dispositif 1, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une couche piézoélectrique 2, par exemple une couche 2 de ZnO, un émetteur 3, et un récepteur 4. L'élément piézoélectrique peut aussi être le substrat lui-même. L'émetteur 3 reçoit un signal électromagnétique qui permet de déformer le matériau piézoélectrique (la couche 2 en ZnO par exemple ou le substrat) de façon alternative, produisant une onde mécanique qui se propage dans la structure jusqu'au récepteur 4. La transformation inverse se produit alors : la vibration fait apparaître un champ électrique dans la couche piézoélectrique 2 ou dans le substrat, ce champ électrique étant détecté par le récepteur 4. Le récepteur 4 est relié à des moyens d'analyse permettant d'analyser les caractéristiques de l'onde mécanique, c'est-à-dire la vitesse et/ou l'amplitude de l'onde. A partir des caractéristiques de l'onde, les moyens d'analyse déterminent un paramètre physique externe d'un élément 7 couplé au dispositif 1. Le paramètre physique externe peut être par exemple la température, la pression, ou encore le champ magnétique. Conformément à l'invention, la structure comporte une couche 5 de MnAs. Ainsi, l'onde sonore générée par le matériau piézoélectrique (couche 2 ou substrat) se propage dans la couche 5 de MnAs. Ce couplage entraîne de manière surprenante une augmentation en sensibilité des ondes de surface vis-à-vis du paramètre physique externe, et notamment vis-à-vis de la température. Le couplage permet d'augmenter sensiblement la qualité de la mesure. Le dispositif piézoélectrique selon l'invention permet d'améliorer la sensibilité thermique par rapport à la sensibilité thermique des senseurs SAW de température connus. Un substrat 6 de GaAs ou de ZnSe peut être disposé sous la couche 5 de MnAs. On peut par exemple faire croître par épitaxie la couche 5 de MnAs 10 sur une couche 6 de GaAs(001) ou de ZnSe. La figure 2 montre la variation d'atténuation de l'onde en fonction de la température, tandis que la figure 3 monte les variations relatives de vitesse de l'onde en fonction de la température. On constate ainsi qu'on peut obtenir une grande sensibilité de mesure 15 de la température autour de 35°C, et notamment pour des températures comprises entre 0 et 100°C, et en particulier entre 0 et 80°C, 0 et 60°C et tout particulièrement entre 20 et 50°C. La sensibilité de la mesure est de l'ordre de 5.10-3 °C. On peut également décaler la détection de quelques dizaines de degrés Celsius par le dopage avec du phosphore ou par un choix 20 judicieux de l'orientation cristalline du substrat. Le dispositif selon l'invention présente ainsi de nombreux avantages. Il permet de déterminer avec une grande précision un paramètre physique externe, en particulier la température. Il ne nécessite pas de source d'énergie embarquée sur l'élément sensible. L'élément sensible est en outre économique 25 et peut être de faibles dimensions. Il est intégrable à une technologie sans fil. L'élément sensible a également pour avantage de pouvoir être identifié parmi d'autres dispositifs. REVENDICATIONS1. Dispositif piézoélectrique (1) comprenant : - des moyens (3) de réception et d'émission d'un champ électrique, - un matériau piézoélectrique (2) apte à se déformer sous l'action du champ électrique, produisant ainsi une onde mécanique, et - des moyens d'analyse aptes à déterminer les caractéristiques de l'onde mécanique et à déterminer un paramètre physique externe en fonction desdites caractéristiques de l'onde mécanique, caractérisé en ce que l'onde mécanique se propage dans une structure comprenant une couche (5) de MnAs. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre physique externe est choisi parmi la température, la pression, et le champ magnétique. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les caractéristiques de l'onde mécanique sont la vitesse et/ou l'amplitude et/ou la fréquence de vibration mécanique d'un résonateur. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche (5) de MnAs est du MnAs monocristallin ou polycristallin. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche (5) de MnAs est dopée avec du phosphore. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un substrat (6) de GaAs ou de ZnSe en tant que support de la couche (5) de MnAs. 7. Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6 pour déterminer un paramètre physique externe. 8. Utilisation selon la revendication 7, pour déterminer la température d'un élément (7) couplé thermiquement au dispositif (1). 9. Utilisation selon la revendication 8, pour déterminer entre 0 et 100°C la température d'un élément (7) couplé thermiquement au dispositif (1).5