Brevet FR3090110A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible Domaine de l'invention [0001] Le secteur technique de la présente invention est celui des capteurs micro-ondes im- mergeables, recyclables, biocompatibles et/ou biodégradables se présentant sous la forme d'un micro-ruban aptes à caractériser les propriétés diélectriques des matériaux à l'état solide, semi-solide, liquide, granulaire et gazeux. Etat de la technique [0002] Bien que les capteurs micro-ondes possèdent un grand potentiel d'utilisation dans de nombreuses applications, leurs matériaux constitutifs limitent considérablement leurs applications notamment pour des applications biologiques et/ou respectueuses de l'environnement. [0003] De nombreuses études ont été entreprises afin de caractériser les propriétés des matériaux en utilisant des fréquences micro-ondes par des méthodes interférométriques. Ces études ont porté sur la mesure de la constante diélectrique et des pelles diélectriques à différentes gammes de fréquences. [0004] Ainsi, l'article publié par Muhammad Amin, Rashad Ramzan et Omar Siddiqui dans la revue SCIENTIFIC REPORTS, Vol. 8, 23357, du 5/02/2018 intitulé "Slow Wave Applications of Electromagnetically Induced Transparency in Microstrip Resonator" décrit l'utilisation d'un micro-ruban comme équivalent d'un résonateur désigné RLC. Il est indiqué que ce micro-ruban peut être utilisé comme un condensateur, un inducteur ou un circuit résonant. Dans ce document, on s'intéresse essentiellement à la résonance d'un micro-ruban simple, double ou triple dans un domaine de fréquence allant de 1 à 2 GHz. Aucune application n'est envisagée pour caractériser un matériau liquide ou solide. [0005] On peut citer également le document US-2013/0302843 qui décrit un détecteur de bio-matériaux à l'aide d'une unité sensible disposée dans un canal et sur lequel deux électrodes sont appliquées, les bio-matériaux étant disposés entre les deux électrodes. Aucun micro-ruban n'est proposé ou suggéré dans ce document. [0006] Le document CN-107490727 décrit un capteur hyperfréquence comportant deux lignes de micro-ruban. Ce document est peu précis sur la structure à lignes de micro-ruban et il est indiqué que le capteur ainsi conçu présente une sensibilité plus élevée et une plus grande précision dans la mesure de la constante diélectrique. [0007] Le document CN-107655902 décrit un procédé de mesure de la concentration d'une solution à l'aide d'un capteur circulaire à cavité résonante hyperfréquence. 2 100081 On peut encore citer le brevet US-6617861 qui décrit de manière générale un ensemble de dispositifs (ligne, anneau ou patch micro-strip, ligne coplanaire et stripline) et une méthode pour mesurer la permittivité des matériaux solides ou liquides. Dans ce document, on s'intéresse essentiellement à des mesures en transmission (deux ports) ou en réflexion (un port) d'un solide apposé sur le capteur dans un domaine de fréquence allant de 0,5 à 20 GHz. Aucune indication n'est clairement envisagée pour caractériser des matériaux à l'état liquide et pour des matériaux de faibles dimensions. [0009] L'ensemble des documents cités précédemment n'évoque pas la réalisation d'un capteur réalisé avec des matériaux écologiques biodégradables et recyclablcs en étant biocompatibles. Exposé de l'invention [0010] Le but de la présente invention est dc proposer un capteur micro-onde à base de matériaux écologiques, biodégradables, recyclables et/ou l'incompatibles aptes à minimiser les déchets et dont le coût énergétique de fabrication est faible. [0011] Un autre but de l'invention est de proposer un capteur micro-onde biodégradable im- mergeable ou partiellement immergeable permettant dc détecter la nature d'un matériau liquide ou solide en définissant une structure micro-onde résonante suivant les propriétés diélectriques dudit matériau à tester. [0012] L'invention a donc pour objet un capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable et biocompatible du type à micro-ruban constitué d'une ligne principale reliée à un circuit électrique injectant un signal sinusoïdal et d'au moins deux lignes de transmission connexe solidaires à une extrémité de la ligne principale pour la mesure des propriétés diélectriques d'un matériau solide ou liquide, la ligne principale et les au moins deux lignes dc transmission connexe étant espacées l'une de l'autre par une fente et étant rendues solidaires d'un substrat, solidaire d'un support, caractérisé en ce que la ligne principale, les au moins deux lignes de transmission connexe et le support sont constitués par des matériaux recyclables, de polymères conducteurs de l'électricité et/ou biodégradables, en ce que le substrat est constitué par un matériau polymère (isolant électrique) biodégradable, et en ce que la ligne principale présente une largeur (1) lui conférant une impédance de l'ordre de 50 Ohm, les au moins deux lignes de transmission connexe étant sensiblement de même largeur et d'une longueur égale au moins au quart de la longueur d'onde guidée dans le substrat, le substrat présentant une épaisseur lui conférant une flexibilité ou une rigidité, le substrat étant appliqué sur le support conducteur. [0013] Selon une caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, l'ensemble constitué par le support, le substrat et les lignes sont isolé électriquement à l'aide d'un 3 revêtement constitué par une couche de matériau polymère l'incompatible et/ou biodégradable. [0014] Avantageusement, le revêtement est représenté par du parylène dont l'épaisseur est supérieure ou égale à 1 pm. [0015] Selon une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, la fente présente une largeur supérieure ou égale à 50 pm. [0016] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, le support conducteur présente une préférentiellement épaisseur supérieure à 20 pm. [0017] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, l'épaisseur (h) du substrat est comprise entre 100 et 5000 pm et avantageusement de l'ordre de 1,6 mm. [0018] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, le substrat présente une permittivité comprise entre 1 et 40, avantageusement de l'ordre de 5,5. [0019] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, le matériau solide ou liquide à tester est disposé dans la fente délimitée par les au moins deux lignes de transmission connexe. [0020] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, le capteur comporte deux lignes de transmission connexe, la fente présentant une largeur inférieure à deux fois la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 1,6 mm. [0021] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, chacune des deux lignes de transmission connexe présentent une largeur inférieure à la hauteur du substrat et avantageusement de l'ordre de 150 pm. [0022] Selon encore une autre caractéristique du capteur micro-onde selon l'invention, chacune des deux lignes de transmission connexe présentent une longueur sensiblement égale et comprise entre 500 in et 50 cm, et avantageusement de l'ordre de 47 min [0023] L'invention vise encore l'application du capteur micro-onde micro-ruban à la carac- térisation d'échantillons liquides ou solides ou gazeux, in vitro. [0024] Un tout premier avantage du capteur selon l'invention réside dans la fiabilité de la détection des caractéristiques des matériaux. [0025] Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans l'extrême simplicité d'utilisation en évitant toute destruction, modification ou adaptation de l'échantillon analysé. [0026] Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans son coût et sa mise en oeuvre très faibles [0027] Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans son utilisation dans un environnement gazeux, liquide ou solide. 100281 Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside clans la répétabilité et la fiabilité du résultat obtenu par la mesure de la fréquence de résonance. [0029] Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans son utilisation comme capteur à faible empreinte environnementale basé sur des matériaux biodégradables et/ou recyclables. [0030] Un autre avantage encore du capteur selon l'invention réside dans la mesure d'une activité biologique. Brève description des dessins [0031] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés en relation avec des dessins sur lesquels : [0032] [fig.1] représente le circuit électrique dans lequel le capteur selon l'invention peut être intégré, [0033] [fig.24 représente une vue de dessus du capteur selon l'invention, [0034] [fig.211] représente une vue en coupe selon AA de la figure 2, [0035] [fig.3] représente une vue de dessus du capteur partiellement protégé par un re- vêtement, [0036] [fig.4] illustre l'apposition d'un échantillon solide sur le détecteur dans la fente, [0037] W8.51 illustre l'apposition d'un échantillon solide appliqué sur les lignes de transmission connexe du détecteur, [0038] [fig.6] illustre l'apposition d'un échantillon solide sur l'ensemble de la surface du détecteur, [0039] [fig.74 illustre l'apposition d'un récipient contenant un échantillon dans la fente sur le détecteur, [0040] [fig.711] illustre l'apposition d'un tube dans la fente sur le détecteur, [0041] [fig.8] illustre le principe de fonctionnement du capteur selon l'invention d'un point de vue électrique et de dimensionnement, [0042] [fig.9] illustre un exemple concret de réalisation du capteur, et [0043] [fig.10J illustre l'effet de l'épaisseur du polymère conducteur sur la réponse fré- quentielle. [0044] Description détaillée de modes de réalisation de l'invention [0045] L'invention va maintenant être décrite avec davantage de détails. [0046] Le capteur recyclable et/ou biodégradable et biocompatible selon l'invention présente une architecture qui résonne à une fréquence dite de résonance qui correspond à l'interférence destructive entre une onde transmise et une onde réfléchie. Ce capteur est composé d'une ligne de transmission principale qui relie deux ports (un port d'entrée et un port de sortie, l'un et l'autre étant réversibles) et d'au moins deux lignes de transmission connexe. La résonance intervient lorsque l'onde directe se propageant sur la ligne principale se recombine en opposition de phase avec l'onde réfléchie par l'extrémité des deux lignes de transmission connexe. Cette recombinaison en opposition de phase des ondes directe et réfléchie est connue sous l'appellation qui se caractérise sous la forme d'un pic d'absorption. Cette interférence destructive intervient à la fréquence vérifiant cette condition d'opposition de phase, cette fréquence particulière est appelée fréquence de résonance. [0047] Cette fréquence de résonance propre au capteur se décale en fonction de l'élément apposé sur les lignes du détecteur. Ce décalage fréquentiel de résonance duc à la présence de matériau à tester sert de signature fréquentielle propre au matériau mais aussi à caractériser les propriétés du dit élément. [0048] Technologiquement, le capteur micro-onde recyclable et/ou biodégradable selon l'invention est fondé sur la mise en oeuvre de la technologie micro-ruban (connue sous le vocable anglais tnicrostrip). Par ailleurs, la présente invention biocompatible, biodégradable et /ou recyclable peut toutefois se décliner sous d'autres technologies telle le résonateur en anneau ou antenne planaire micro-ruban, la technologie « striplinc », ou encore coplanaire. Selon ces différentes technologies, les lignes et le plan de masse support sont situés dans des plans différents ou identiques. [0049] Le capteur selon l'invention se distingue des réalisations classiques par l'utilisation de matériaux biodégradables, biocompatiblcs et/ou recyclables. Ce capteur est tout à fait adapté pour la caractérisation de matériaux organiques ou inorganiques quelle que soit leur quantité, utilisable en milieu liquide, à l'air ou sous vide et en température ( Co: 100941 La hauteur du substrat 6 est généralement de faible dimension (quelques centaines de micromètres) : par conséquent, le dispositif présentera : 100951 - des largeurs de rubans 3 et 4 de l'ordre de la centaine de micromètres. Toutefois, cette largeur W doit rester supérieure à l'épaisseur de métallisation t(W > t), ce qui est cohérent avec les contraintes technologiques de réalisation. 100961 - une largeur S de fente de l'ordre quelques centaines de micromètres à quelques mil- limètres selon la hauteur de substrat considérée. 100971 Ces conditions sont nécessaires pour assurer le couplage capacitif et permettent la modélisation présentée ci-après. 100981 Sur la figure 5, on a représenté le capteur 1 de la figure 3 mais en utilisant un matériau 10 dont la largeur est égale à celle des deux rubans 3 et 4 et de la fente 5, les autres éléments étant inchangés. 100991 Sur la figure 6, on a représenté le capteur 1 de la figure 3 mais en utilisant un matériau 11 dont la largeur est égale à celle du substrat 6 en recouvrant totalement les lignes 2, 3 et 4, les autres éléments étant inchangés. 101001 On comprend que dans le cas des configurations selon les figures Set 6, les conditions précédemment énoncées sont remplies. On voit que l'épaisseur t des rubans 3 et 5 est petite par rapport à l'épaisseur h du substrat 6. On sait que l'impédance caractéristique de la ligne de transmission 2 du capteur micro-onde biocompatible et/ou biodégradable dépend de ses dimensions et de la nature du substrat 6. [0101] Ainsi, sur la figure 10, on a illustré l'influence de différentes épaisseurs de polymère conducteur constituant les lignes 2, 3 et 4 sur la réponse fréquentielle du capteur ca- 11 ractérisée par l'évolution fréquentielle du module du paramètre de transmission S21. L'évolution de la résonance en fonction de l'épaisseur de polymère conducteur permet de constater qu'une épaisseur de 15 à 20 pm suffit pour obtenir une résonance au coefficient de qualité suffisant pour la plupart des applications envisagées. [0102] Sur la figure 7a, on a représenté un réservoir 12 reposant sur les lignes 3 et 4 du détecteur renfermant un échantillon 13. Il va de soi que le matériau constitutif de ce réservoir peut présenter une permittivité de 2,55 et être réalisé en téflon ou en une résine époxy. Il peut être utilisé pour l'étude de matériaux pulvérulents ou des liquides. [0103] Sur la figure 7b, on a représenté un canal fluidique 14 disposé dans la fente 9 permettant de faire circuler un liquide à analyser entre les rubans. Ce canal 14 peut se présenter sous la forme d'un tube ou d'une gouttière. Il va de soi que le matériau constitutif de ce canal 16 peut présenter une permittivité de 2,55 et être réalisé en téflon ou en une résine époxy. [0104] Sur la figure 8, on a illustré le capteur 1 selon l'invention suivant un schéma équivalent LRC en fonction de capacités Co et CI. On introduit notamment sur cette représentation le couplage capacitif par le biais de la capacité C . [0105] Egalement, on considère que les inductances L constituent une inductance mutuelle afin de modéliser le couplage magnétique entre les rubans ou stubs, ce couplage ma- gnétique reste néanmoins négligeable devant le couplage électrique (capacitif). [0106] Sur la figure 9, on a représenté la réalisation concrète d'un capteur 1 dont les di- mensions sont indiquées et font partie intégrante de la présente description. Dans cette configuration le substrat 6 est du verre. [0107] Le schéma équivalent du dispositif global est détaillé par la figure 8. Ce schéma équivalent inclut celui du ruban de type R-L-C impliquant la capacité C pour chacun d'entre eux. [0108] Sur le plan de la performance du capteur et clans le cas où les conditions de fonc- tionnement sont vérifiées, les lignes de champs électriques sont confinées près de la surface du substrat 6 entre les deux rubans 3 et 4. En conséquence, la présence d'un matériau modifie ce confinement (perturbation de l'environnement électromagnétique) et sa permittivité impacte la fréquence de résonance avec une sensibilité pouvant être très importante. On définit la sensibilité comme étant la variation de la fréquence de résonance (Ar= f ri 4 r2 ) constatée lorsque la permittivité du matériau MUT est modifiée (variation de permittivité Ai r et donc variation de la capacité Cl). [0109] La sensibilité du capteur selon l'invention est très importante, ce qui constitue un avantage très précieux pour distinguer deux matériaux de permittivité proche. [0110] Dans des exemples particuliers, on peut adopter une fente 5 de largeur S 1,6 mm Elle est égale à la largeur du matériau sous test MUT, à savoir 1,6 mm. La largeur des rubans 3 et 4 est égale à W1 = W2 W 150 gm 12 101111 La longueur des rubans 3 et 4 est choisie pour que la fréquence de résonance à vide soit supérieure à 1 GHz. (Lstub= 47 mm pour une fréquence fr = 880 MHz) 101121 Lorsque la largeur du matériau à tester est inférieure à la largeur de fente 5, le couplage capacitif est nettement altéré voire inexistant. Le champ électrique ne pénètre alors pratiquement pas le matériau. [0113] De cc fait, la sensibilité du dispositif est fortement dégradée. Il convient d'éviter ce type de configuration. [0114] En revanche, le matériau peut tout à fait être plus large que la fente puisque la sen- sibilité s'en trouve améliorée dans cc cas. D'un point de vue applicatif, il faut donc dimensionner la fente 5 pour que celle-ci soit toujours de plus faible largeur que celle du matériau à tester. [0115] On a également étudié le cas où la largeur de la fente est supérieure et très largement supérieure à la hauteur du substrat 6. Pour une ligne micro-ruban, le champ électrique est confiné entre un des rubans 3 et 4 et le support 7. Le fait de rapprocher ou d'éloigner les deux rubans modifie cette répartition. Si les deux rubans 3 et 4 sont suffisamment proches par rapport à la hauteur du substrat (S 5. Dans le cas conventionnel d'utilisation de ruban, l'impédance caractéristique des rubans est de 50 Ohm, correspondant à une largeur W = 2,2 mm en considérant le substrat de l'exemple présenté précédemment sur la figure 8 (e r =5,5, h =1,6 mm). [0118] Dans le cas du capteur selon l'invention, on rappelle que la condition W «h implique que W soit de l'ordre de la centaine de micromètres. Or, la théorie impose L4.W4 = Ào/(4. er1/2) où : [0119] - e r est la permittivité du substrat (e = 5,5) dans notre exemple, - î.g est la longueur d'onde guidée, 101201 -ko est la longueur d'onde dans le vide : Ào = c/f, - f: fréquence. 10121] On peut donc définir la fréquence maximale de fonctionnement du ruban comme égale à: 101221 fmax = cl ko = c/(L st.b.min .(4. e )) avec L = 5.W Soit fmax =c/(W.20. er1/2) 101231 L'architecture du capteur objet de la présente invention peut être modélisée par un 13 schéma électrique équivalent qui, au vu de l'art antérieur, est inédit. [0124] Ce schéma équivalent résulte du couplage capacitif entre les deux rubans 3 et 4, lequel couplage, pour être sollicité, impose des conditions sur les dimensions de l'architecture clairement identifiées. [0125] Parmi ces conditions, la très faible largeur imposée pour les rubans 3 et 4 permet une diminution de la longueur de ces rubans et par ce biais, une montée en fréquence qui offre une combinaison record de compacité et de sensibilité de ce dispositif dans sa configuration haute fréquence. [0126] Comme indiqué précédemment, le capteur 1 selon l'invention peut être mis en oeuvre pour caractériser les propriétés diélectriques de matériaux solides ou liquides sur un faible volume, à différentes fréquences. Le capteur hyperfréquence 1 permet donc de s'affranchir de montages complexes voir la destruction d'un échantillon. [0127] Le capteur 1 selon l'invention offre donc dans l'industrie un grand nombre d'applications nécessitant des protocoles rigoureux où les échantillons analysés ne sont pas réutilisables. L'analyse fréquentielle sur laquelle est fondé le capteur 1 selon l'invention permet une analyse simple non destructive de l'échantillon. [0128] Le capteur 1 selon l'invention permet de discriminer chaque signature de matériaux caractérisés définis par leurs permittivités mais aussi par leurs pertes (pertes tangentielles). [0129] Le capteur 1 selon l'invention permet de détecter chaque signature de milieu auquel il est exposé par le biais de facteurs de dégradations de polymères conducteurs totalement ou partiellement protégé tel que la montée en température, l'exposition au radiation UV et au gaz. [0130] Pour le capteur 1 selon l'invention, des changements peuvent être apporté en termes de dimensionnement de fréquence de fonctionnement selon l'application visée. [0131] Le capteur 1 selon l'invention permet donc d'accéder à un grand nombre d'applications industrielles comme par exemple le niveau de liquide dans un réservoir, la signature des produits alimentaires, chimiques ou pharmaceutiques. Ainsi, dans le domaine biomédical l'invention offre un outil de diagnostic d'utilisation immédiate sans destruction de l'échantillon. [0132] L'association de polymères conducteurs biocompatibles et/ou biodégradables avec un substrat également recyclable et/ou biodégradable offre une dimension considérable pour l'environnement tout en préservant les performances du capteur. L'invention pernnet donc l'accès à une nouvelle génération de capteurs électromagnétiques bas coût, fondés sur des matériaux verts qui minimisent les déchets et dont le coût énergétique de fabrication est faible. [0133] Le capteur selon l'invention permet la caractérisation in vitro des propriétés di- électriques de matériaux solides, liquides ou gazeux de faible volume, de l'ordre du 14 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]