Dans la pléthore des capteurs développés pour la mesure de grandeurs ou la détection de substances, qu'elles soient chimiques ou biologiques, il en est un dont le principe repose sur la mesure des ondes acoustiques de surface. Le mécanisme théorique est simple : les ondes acoustiques se propageant à la surface d'un solide voient leur vitesse se modifier lorsque la composition de la surface change. Ce principe est gravimétrique : toute matière adsorbée est détectée, avec une précision de l'ordre de quelques centaines de ng par cm2.Ces capteurs présentent deux intérêts majeurs : ils ne nécessitent pas de préparation physique préalable des échantillons, à l'inverse de la fluorescence par exemple, et ils peuvent être interrogés sans fil et sans apport d'énergie sur le capteur. Ces propriétés en font un outil de choix, qui est déjà utilisé dans des applications industrielles telles que la téléphonie mobile ou les écrans tactiles. En revanche, sa fonctionnalisation pour des applications en biologie ou en chimie en est encore au stade de la recherche.
• Le quartz, matériau piézoélectrique par excellence, constitue la base du capteur. Sur une plaque de 5 mm par 10 mm, des doigts Ÿ d'aluminium, fils très minces espacés entre eux de 5 à 10 œm, sont déposés. Un signal radiofréquentiel est envoyé sur le capteur via ces doigts, ce qui engendre, grâce au caractère piézoélectrique du quartz, une onde acoustique qui se propage le long du matériau. Par effet piézoélectrique direct, grâce à un dispositif exactement symétrique, le signal électromagnétique est récupéré en sortie, permettant de mesurer la vitesse de propagation de l'onde acoustique.
Schéma du capteur gravimétrique
à ondes acoustiques de surface
• Ce type de capteur est déjà commercialisé pour mesurer des grandeurs physiques telles que la température, la pression, l'accélération ou des contraintes mécaniques. Mais, avantage supplémentaire, le centre de la plaque de quartz peut être fonctionnalisé pour réagir avec des espèces chimiques ou biochimiques déterminées. Une couche d'anticorps, par exemple, est répandue à la surface du capteur. Si l'antigène correspondant se trouve dans le milieu extérieur, alors il viendra se fixer sur l'anticorps, modifiant les propriétés de la surface. Comment ceci est-il susceptible de changer la vitesse de propagation de l'onde acoustique ? Tout se passe comme si elle était contrainte par la couche supérieure. Les atomes, qui auparavant se situaient sur une surface en contact avec l'extérieur, seraient empêchés Ÿ par la seconde couche. C'est en tout cas un changement des conditions aux limites qui expliquerait ce phénomène. Une étude théorique est en cours pour affiner la compréhension de ces variations de célérité en fonction des propriétés physiques de la couche, en s'intéressant surtout à sa densité, son épaisseur et sa viscosité, c'est-à-dire ici la propension de l'onde acoustique à rayonner sous forme de chaleur. Une demande d'aide auprès de l'Agence nationale de la recherche a été déposée afin de réaliser les vérifications expérimentales.
• Cette recherche est issue d'un partenariat peu commun. L'entreprise SENSEOR, nouvellement créée à la suite d'une externalisation de l'activité capteur Ÿ de TEMEX, a sollicité le département LPMO de l'Institut FEMTO-ST. Celui-ci accueille deux salariés de SENSEOR, met à disposition du temps de salle blanche, et peaufine les modèles théoriques utilisés pour interpréter les mesures. Pourquoi FEMTO-ST ? Une telle technologie nécessite une salle blanche, de solides compétences dans l'usinage du quartz et une expérience de plus de 30 ans dans le domaine des ondes élastiques guidées, triple exigence à laquelle Besançon est l'une des rares villes à répondre. Il est prévu que des prototypes évolués de ces capteurs entrent sur le marché en été 2006.
Sylvain Ballandras
Département LPMO
Institut FEMTO-ST
Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS (UMR 6174)
Tél. 03 81 85 39 63
sylvain.ballandras@lpmo.edu
Jean-Michel Friedt
SENSEOR
Tél. 03 81 85 39 89
jmfriedt@femto-st.fr
