Embed Size (px)
Citation preview
Modélisation et simulation d’un capteur à ondes acoustiques de surface par éléments finis
Structure à ondes de Love pour application à la détection de polluants dans les fleuves d’Amérique
En Guyane Française, des pollutions générées par diverses activités peuvent impacter la santé des populations vivant le long des cours d’eau, aussi le suivi de ces pollutions apparaît crucial. L’analyse des images issues de la télédétection spatiale ou aéroportée pourrait permettre de détecter des polluants dans les fleuves d’Amérique du Sud sur une surface au sol étendue. Cependant, leur couplage à des données in situ est nécessaire pour une quantification fiable et fine. Pour cela, l'utilisation de capteurs acoustiques à onde de Love apparaît comme une solution de détection en temps réel, avec la possibilité d'opérer in situ et en milieu liquide (fig.1). Afin de concevoir des structures adaptées aux applications ciblées et de bien appréhender le fonctionnement de ces dispositifs, un outil de simulation multi-physique à éléments finis a permis d’obtenir des résultats préliminaires intéressants, qu'il convient d'approfondir. Ces premiers travaux ont permis de simuler un dispositif simplifié en milieu gazeux, et de déterminer les caractéristiques principales de la propagation de l'onde mécanique dans la ligne à retard, sans et avec couche sensible de reconnaissance (fig.2). Le stage proposé vise à poursuivre ces travaux pour se rapprocher du composant réel (dimensions, maillage, etc..) et de l’application visée (en considérant les contraintes sévères inhérentes au milieu liquide naturel des fleuves amazoniens telles que la turbidité, salinité, pH, température, débit, etc..). Lors de ce stage pluri-disciplinaire, les principales missions concerneront : - L'étude de documents pour se former au sujet d’étude. - La prise en main des outils de simulation multiphysique
(logiciel COMSOL™ : modules piézoélectriques, électro-magnétiques, mécaniques et microfluidiques).
- La modélisation et la simulation du capteur à ondes acoustiques : celui-ci se comporte comme un résonateur au voisinage de 100 MHz, l’onde est couplée électrique-ment par des électrodes interdigitées sur un substrat piézoélectrique. La propagation est modifiée par les conditions environnementales avec une grande sensibilité.
- L'optimisation des paramètres qui peuvent influencer la sensibilité de ce capteur, notamment la géométrie des couches sensibles et des électrodes.
- L’extraction des amplitudes de déplacement des ondes, une évaluation des pertes par propagation.
- Des comparaisons de ces simulations avec des données expérimentales afin de valider les modèles conçus dans l’environnement COMSOL™.
Figure 1 : Schéma de principe d’une ligne à retard à ondes acoustiques de surface (SAW) équipée d’une couche sensible de reconnaissance.
Figure 2 : Illustration de la simulation de la propagation d’une onde acoustique, réalisée avec COMSOL™.
Cette étude pourrait être suivie par un sujet de thèse comprenant l’optimisation géométrique de ces capteurs (adaptation en fréquence de travail par exemple), l’intégration de différents matériaux sensibles (polymères, oxydes métalliques, polyélectrolytes …), et l’évolution vers une détection de polluants de diverses propriétés dans les fleuves (mercure, cyanobactéries, phytoplancton).
Informations pratiques: Durée du stage : 5 à 6 mois entre février et septembre 2014 Gratification : 436,05€ / mois Les candidats feront acte de candidature en envoyant un message électronique mentionnant en objet « Candidature au stage de Master 2 : Biocapteur » et comportant une lettre de motivation, un CV, 2 personnes susceptibles d’être contactées pour avis, et toutes informations jugées utiles pour valoriser la candidature (relevés de notes, recommandations, …).
Contacts: Corinne DEJOUS (Pr) - Hamida HALLIL (MCF) [email protected], [email protected] Tél: +33 (0) 540002848 CNRS UMR5218 IMS - Groupe Microsystèmes Equipe Microsystèmes de Détection à ondes Acoustiques (MDA) Bâtiment A31, 351 cours de la Libération 33405 TALENCE http://www.ims-bordeaux.fr/equipe.php?guidPage=accueil_mda
Ollivier TAMARIN (MCF) [email protected] Tél : 594 (0) 594328005 UMR ESPACE-DEV – Equipe Observation Spatiale de l’Environnement IRD - 0.275 Km Route de Montabo - BP 165 - 97323 Cayenne cedex http://www.espace.ird.fr/
Ce stage mené en collaboration entre l’IMS de Bordeaux et l’UMR ESPACE DEV de Guyane se déroulera au sein de l’équipe MDA. Nous sommes à la recherche d’un candidat curieux, motivé, ouvert à l’idée de se confronter à des domaines scientifiques variés.
A propos de l’équipe MDA Notre approche est de travailler à l’interface des disciplines scientifiques, afin d’apporter des solutions originales et pertinentes à des problématiques aussi diverses que la caractérisation de matériaux en films minces, l’étude du comportement de fluides complexes, la détection en milieu gazeux ou liquide. Ces dernières années ont vu l’équipe concentrer ses efforts sur les applications de type biocapteurs, avec comme applications phares la détection temps réel de bactéries vivantes et la détection de métaux lourds en solution. Les compétences à l’œuvre au sein de l’équipe MDA balayent un spectre large allant de l’électronique à la chimie, en passant par la biologie, la microfabrication ou la microfluidique, grâce à nos collaborations nationales et internationales.
A propos de l’équipe OSE L'équipe Observation Spatiale de l'Environnement (OSE) va de la maîtrise de la donnée satellitale par l’installation de chantiers de recherches en pied d’antenne de réception jusqu’à la maîtrise des flux de données et l’extraction des objets d’intérêt pour déterminer les dynamiques environnementales. A ce titre, la mise en place de capteurs pour réaliser de la détection in situ est un enjeu important permettant d’apporter des données nouvelles à la télédétection classique. L’activité principale de l’axe "OSE" est de contribuer à la compréhension des interactions qui régissent les systèmes tropicaux, et en particulier les "paysages tropicaux" terrestres, océaniques, anthropiques, ainsi que les processus physiques, biologiques et humains dont ils sont le siège.
Master’s thesis subject 2014 Topic: MICROSYSTEMS – SENSORS
Design of novel carbon Microwave-based Ultrasensitive gas Sensors
DESCRIPTION The MDA group – IMS-Bordeaux Lab (Intégration du Matériau au Système) is well recognized for its contribution in the area of microsensors and microsystems targeting health and environmental applications. The group was among the pioneers in the field of polymeric micro-fluidics combined with « Surface acoustic wave » (SAW) devices and were among the first to demonstrate the significant benefits of such an approach [1]. We have recently focused on the development of a novel type of ultra-sensitive microwave sensors, using low-cost technologies, dedicated to in situ measurement. This new type of sensor will: 1/ incorporate promising carbon materials as highly sensitive and selective element in the microwave band, 2/ be printed on flexible substrates such as Kapton and hydrophilic paper and 3/ be based on electromagnetic (EM) transduction to facilitate its integration into a network of communicating sensors and to minimize energy consumption. A strong collaboration with CINTRA (CNRS International NTU THALES Research Alliance)-Singapore was established for this project (Merlion Project). CINTRA has been actively working on fabrication of flexible electronics for numerous years (see fig. 1) [2] and has extended capabilities and expertise in printed technology and carbon nanotubes (CNTs)- based high frequency devices. The combination of the unique knowledge of the two labs will open the way to fabrication, simulation and measurement of novel CNTs-based flexible RF (Radio frequency) microsensors. This internship is devoted to evaluate by simulation the ability of sensor sensitivity (gas detection) based on EM transduction thanks to conductivity property change of the CNTs sensitive layer upon introduction of testing gases. Work will be organized in three major phases:
1) Study of EM software tools (HFSS, Comsol, etc) and of RF/microwave structures, to define a class of geometry adapted to sensing applications. Multi-physics modelling tools, which use full-wave EM field simulation, are essential for understanding and studying of new designs of high frequency components. Such tools offer multiple state-of-the-art solver technologies based on either the proven finite element method or the well-established integral equation method. We have to select the appropriate solver for the type of simulation to perform on RF/microwave components.
2) Full-wave EM field simulation of designed gas sensor on different flexible substrates (paper and kapton).
3) Full-wave EM field simulation of one sensor geometry with selected substrate and with a sensitive layer of CNTs.
Figure 1. Fabrication of prototype RF sensors by ink-jet printing on flexible substrate (paper) and CNTs based resonator realized at CINTRA lab.
[1] H. Tarbague et al., PDMS (Polydimethylsiloxane) Microfluidic Chip Molding for Love Wave Biosensor, j. Integrated Circuits and Systems (2010); v.5 pp.125-133. [2] S. Pacchini, K. Frigui, S. Bila, C.A. Macuri, C. Brun, E. Flahaut, D. Baillargeat, T.B. Kang, CNTs effects on RF Resonator Printed on Paper, Conf. IEEE and MTT-S, Intern. Microwave Symposium (IMS), 2013. We are looking for a motivated, talented student ready to deal with a multidisciplinary scientific field. Good knowledge of physics and in particular electronics (design) is necessary. The proposed study is at the leading edge of a new area of research with large potential in our group. Candidates should send CV, cover letter, and contact information for two references, as well as any information considered as relevant to promote the application (transcripts, …etc), to Corinne DEJOUS ([email protected]) and .Hamida HALLIL ([email protected]). PRACTICAL INFORMATION Duration: 5 to 6 months between February and September 2014 Net scholarship: 436,05€/month CONTACT Hamida HALLIL, Corinne DEJOUS E-mail : [email protected], [email protected] Téléphone : +33 5 40 00 28 48 Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système IMS, team MDA Université Bordeaux 1 – Bât.A31, 351 cours de la Libération, 33405 TALENCE Cedex, France. COLLABORATION Sebastien Pacchini CINTRA lab UMI 3288, CNRS International – Nanyang Technology University – THALES Research Alliances, Singapore.
