Acoustique Guidée et Problème Inverse

Responsable : Farouk BENMEDDOUR

Les activités de recherches développées dans le cadre de cette thématique ont pour objectif la compréhension des phénomènes d'interaction entre les ondes acoustiques guidées et la matière. Ces activités nécessitent par conséquent l'étude théorique et expérimentale de l'excitation et de la propagation de ces ondes dans des milieux de différentes natures. L'un des objectifs recherchés est la mise au point de méthodes de caractérisation adaptées et optimisées pour l'évaluation non destructive des propriétés physiques et structurelles des matériaux. Les activités principales concernent les Ultrasons-Laser (LU), les transducteurs interdigités (IDT),…

La terminologie « Ultrasons-Laser » désigne une méthode permettant la génération et la détection sans contact d'ondes acoustiques. Comparativement à d'autres voies, cette solution ne nécessite donc pas l'utilisation d'un milieu de couplage. Elle permet aussi la caractérisation de matériaux portés à des températures élevées et s'adapte facilement à des structures de géométries complexes pour lesquelles la mise en œuvre de méthodes conventionnelles s'avère souvent difficile.

L'excitation des ondes ultrasonores s'effectue en irradiant l'échantillon à l'aide d'une impulsion laser focalisée de formes spatiale et temporelle bien déterminées. Il en résulte une absorption locale de la radiation lumineuse engendrant un échauffement brutal de la zone impactée. Selon la densité de puissance lumineuse incidente, deux modes principaux de génération photoélastique sont à distinguer : le mode thermoélastique et le mode ablation.

Par ailleurs, la détection des ondes ultrasonores est aussi réalisée optiquement par interférométrie. Le principe de cette détection repose le plus souvent sur la mesure du déplacement normal de la surface de l'échantillon au passage de l'onde ultrasonore.

Nos activités se focalisent actuellement sur la modélisation des sources photoélastiques et la caractérisation des structures du type couche sur substrat par ondes de surface ou de plaque. En outre, nous nous intéressons à l'interaction ondes-défauts et à la mise au point de techniques permettant de travailler en plus hautes fréquences.

Figure 1 : Modélisation de l'excitation des ondes ultrasonores par source laser- Figure 2 : Dispositif Ultrasons-Laser

Figure 3 : Ondes de plaque obtenues par Ultrasons-Laser et courbes de dispersion associées pour une couche d'indium sur silicium

Complémentairement à l'activité précédente, nous développons aussi une méthode de caractérisation des couches et des matériaux à gradient reposant sur la mise en œuvre de capteurs interdigités (IDT). Celle-ci permet la génération d'ondes acoustique de surface quasi-monochromatique dont la fréquence est « adaptable » à la structure considérée.

Figure 4: Modélisation et génération d'ondes de surface par IDT - Comparaison des déplacements engendrés par l'onde modélisation et expérimentation

Résultats majeurs

Un premier fait saillant concerne les Ultrasons-Laser qui sont de plus en plus utilisés pour le contrôle et l'évaluation non destructifs des matériaux. Ils intéressent notamment divers secteurs d'activité comme ceux de l'électronique et du transport. En effet, cette méthode d'excitation et de détection des ondes ultrasonores présente certains avantages par rapport aux méthodes plus conventionnelles souvent basées sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques. Parmi ces avantages, nous pouvons mentionner la large bande passante, l'absence de contact, la possibilité d'étudier des structures de géométrie complexe.

Les structures du type couche mince sur substrat sont d'une importance capitale dans le domaine de la microélectronique. Les propriétés physiques de ces structures dépendent fortement de celle de la couche c'est pourquoi, il s'avère souvent indispensable de pouvoir déterminer les paramètres élastiques du film ainsi que son épaisseur. Nous avons pour cela privilégié l'utilisation des ondes acoustiques guidées (modes de plaque et de Rayleigh) excitées en régime impulsionnel dans une gamme de fréquences allant jusqu'à 45 MHz. Divers dépôts métalliques d'une épaisseur de l'ordre du micromètre sur substrat de silicium ont été caractérisés. Des méthodes d'inversion innovantes basées sur les réseaux de neurones et l'analyse multimodale ont été développées. Celles-ci  ont été validées à l'aide de simulations par éléments finis et ont permis d'obtenir les caractéristiques recherchées. Des études complémentaires originales ont aussi mis en évidence la possibilité d'obtenir à partir de motifs spécifiques de surface des effets similaires à ceux d'une lentille acoustique sélective en fréquence.

Le Contrôle Non Destructif sans contact présente aussi beaucoup d'intérêt dans le domaine du transport. Grâce au projet ECOCND (programme ANR ECOTECH), nous nous sommes particulièrement intéressés à la caractérisation de défauts de type fissures par une analyse multi-ondes originale  incluant les phénomènes de conversion de mode. Différentes expériences et simulations ont montré qu'il était possible d'optimiser les contrôles effectués jusqu'à présent afin d'obtenir les paramètres caractéristiques du défaut considéré [RSI 2009, RSI 2010, MST 2012].

Figure 5: Modes de plaque obtenus par 2DFFT pour une structure constituée d'une couche d'or déposée sur un substrat de silicium.

Un deuxième fait saillant concerne la caractérisation des champs de contrainte résiduelle surfacique par ondes acoustiques de surface HF générées par IDT-SAW MEMS. L'étude et la maîtrise des contraintes mécaniques résiduelles prennent une importance grandissante dans de nombreux domaines comme celui de la microélectronique, et des matériaux à gradient de propriétés, en vue de répondre à de nouvelles exigences fonctionnelles. Les effets de ces contraintes peuvent être néfastes dans certaines applications (phénomène de claquage) et parfois bénéfiques comme par exemples pour améliorer les propriétés de transport dans le silicium ou pour renforcer mécaniquement la surface des matériaux. Il est donc nécessaire de maîtriser les niveaux de contrainte et par conséquent important de disposer d'outils de caractérisation de ces contraintes adaptés tant à l'échelle qu'à la nature des matériaux déposés.

Nous avons développé une méthode de caractérisation des champs de contrainte résiduelle surfaciques basée sur l'étude de la propagation des ondes acoustiques de surface (SAW) HF. A partir de la théorie de l'acoustoélasticité, les perturbations engendrées par la présence des champs de contrainte sur ces ondes de surface, ont été analysées sur le plan théorique [APL 2008] et expérimental sur des milieux amorphes et pour différents champs superficiels de contrainte [JASA 2006]. La conception et la mise en œuvre de capteurs spécifiques de type IDT-SAW MEMS a permis de générer des ondes de surface quasi-monochromatiques de type Rayleigh sur une large gamme de fréquences [Brevet n°FR2977940 (A1) 2013-01-18; RSI 2011]. L'étude des phénomènes de dispersion associée à des procédures par méthode inverse a conduit à l'estimation des épaisseurs des zones corticales contraintes ainsi qu'aux valeurs des contraintes résiduelles [APL 2012].

Figure 6 : Courbes de dispersion des SAW pour trois champs superficiels de contraintes résiduelles

Enfin, un troisième fait marquant concerne la compréhension des phénomènes physiques de l'interaction des ondes de Lamb avec les endommagements. Ce travail montre qu'il est possible de comprendre et de quantifier l'interaction d'un mode de Lamb en présence d'un endommagement complexe uniquement à partir des calculs réalisés pour des endommagements élémentaires [NDT&E Int, 41, 5 (2008) ; NDT&E Int., 41, 1 (2008)]. Ces résultats ont été en plus validés expérimentalement à l'aide d'un dispositif original de génération et de réception d'un seul mode de Lamb à la fois [Ultrasonics, 49, 2 (2009)].

Travaux en cours - Prospectives

Les travaux en cours s'intéressent à l'adhérence des couches minces et revêtements (méthode LU et IDT) et à la caractérisation de défauts pouvant impacter ceux-ci. D'autres études sont aussi effectuées dans le but de mieux comprendre, interpréter et prédire les divers phénomènes de diffraction des ondes acoustiques sur une singularité de la structure. L'ensemble de ces travaux peuvent aussi bien déboucher sur des applications touchant la microélectronique ou la sécurité des installations notamment dans le domaine des transports. Par exemple, dans le cadre d'une thèse en partenariat avec l'IRT RAILENIUM, certaines limites du contrôle sans contact pour des applications relatives au transport ferroviaire ont été étudiées.

Collaborations et thèses en cours

  • Collaboration avec l'Université de Tongji (Shanghai).
  • Programme Hubert Curien (Université Catholique de Louvain).
  • Projet Européen Interreg (INISMA, LMP…).
  • Projet ANR ECOCND (CEA, Institut de Soudure, Ixtrem, Holo3).
  • Thèses CIFRE ( VALLOUREC, SKF, Soben).
  • Thèse IRT RAILENIUM