Nouveau capteur ultrasonore pour la micro-rhéologie à couplage inductif TSMMA

Concept du capteur TSMMA contrôlable à distance

Afin d’être utilisé dans des zones inaccessibles ou d’éviter les contacts électriques avec la matière molle étudiée, le principe de base du TSMMA s’appuie sur le couplage de deux éléments : l’élément générateur d’ondes ultrasonores de cisaillement qui reste le disque de quartz en coupe AT (voir annexe A), puis son interconnexion avec une bobine inductive. 

Le TSM étant conçu pour résonner mécaniquement entre 5 et 6 MHz suivant l’épaisseur du substrat de quartz choisi, le système inductif proposé doit être sensible à un champ magnétique RF. Celui-ci doit en effet se comporter comme un générateur de courant, la difficulté consistant à générer une intensité de courant suffisamment importante pour exciter le TSM à la fréquence de résonance fondamentale ou aux harmoniques impaires.

Choix de l’architecture RF résonante

Afin de fournir un courant suffisamment fort, la bobine doit donc être conçue pour résonner dans la même gamme de fréquence de résonance que le TSM. L’intensité du courant Chapitre II : page 32 induit ne dépend plus uniquement de l’intensité du champ magnétique RF induit, mais dépend également du coefficient de qualité du résonateur RF.

Dans cette gamme de fréquences (1 MHz – quelques centaines de MHz), plusieurs études dédiées à l’instrumentation pour l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) ont montré qu’un résonateur constitué d’un élément inductif ayant une capacité d’accord localisée était peu efficace, tant du point de vue de l’homogénéité du champ rayonné que du coefficient de qualité obtenu.

Compte tenu de la qualité des condensateurs et de la répartition des courants dans l’inductance, les coefficients de qualité obtenus dépassent rarement la centaine. Par ailleurs dans une perspective de miniaturisation ou même d’intégration en un même bloc du résonateur RF et du résonateur TSM, il est préférable d’utiliser des architectures monolithiques. Les architectures monolithiques auto-résonantes ont néanmoins l’inconvénient de résonner à des fréquences relativement élevées surtout si les dimensions restent proches de celles des TSM utilisés (au maximum quelques centimètres de diamètre).

Cette contrainte exclut de fait la plupart des architectures coplanaires. D’autres structures monolithiques ont été proposées dans la littérature pour l’IRM. On distingue des structures à éléments localisés et d’autres à éléments distribués basées sur le principe des lignes de transmission (voir la Figure II-3). Tous ces résonateurs rayonnent un champ magnétique RF.

Par réciprocité, ils sont sensibles à une variation de champ magnétique extérieure et peuvent être excités par induction. Le premier résonateur (Figure II-3 (a)) constitué de deux circuits inductifs (double face) est considéré à constantes localisées dans la mesure où l’inductance et la capacité sont physiquement séparées.

Les bandes plus larges visibles à l’extérieur et à l’intérieur du capteur séparées par le diélectrique forment des condensateurs plans intégrés, tandis que les spirales forment les inductances. Le tout constitue un circuit RLC série à fort coefficient si le diélectrique est à faibles pertes diélectriques [7]. La Figure II-3 (b) représente aussi une autre structure de résonateur à éléments localisés mono-face et mono-tour. L’élément capacitif étant obtenus par capacités inter-digitées entre deux spires inductives coplanaires .