Ultrasonic characterization of porous silicon using a genetic algorithm to solve the inverse problem

International audienceThis paper presents a method for ultrasonic characterization of porous silicon in which a genetic algorithm based optimization is used to solve the inverse problem. A one dimensional model describing wave propagation through a water immersed sample is used in order to compute transmission spectra. Then, a water immersion wide bandwidth measurement is performed using insertion/substitution method and the spectrum of signals transmitted through the sample is calculated using Fast Fourier Transform. In order to obtain parameters such as thickness, longitudinal wave velocity or density, a genetic algorithm based optimization is used.A validation of the method is performed using aluminum plates with two different thicknesses as references: a good agreement on acoustical parameters can be observed, even in the case where ultrasonic signals overlap.Finally, two samples, i.e. a bulk silicon wafer and a porous silicon layer etched on silicon wafer, are evaluated. A good agreement between retrieved values and theoretical ones is observed. Hypothesis to explain slight discrepancies are proposed

A method to decrease the harmonic distortion in Mn-Zn ferrite/PZT and Ni-Zn ferrite/PZT layered composite rings exhibiting high magnetoelectric effects

International audienceWe have investigated the magnetoelectric (ME) effect in layered composite rings subjected to circumferential AC magnetic fields and DC magnetic fields in radial, axial or circumferential directions. Bilayer samples were obtained combining different grades of commercial Mn-Zn ferrites or Ni-Zn ferrites with commercial lead zirconate titanate (PZT). Mn-Zn ferrites with low magnetostriction saturation () and low magneto-crystalline anisotropy constants show high ME capabilities when associated with PZT in ring structures. In certain conditions, these ME effects are higher than those obtained with Terfenol-D/PZT composites in the same layered ring structure. Magnetostrictive and mechanical characterizations have given results that explain these high ME performances. Nevertheless, Mn-Zn ferrite/PZT composites exhibit voltages responses with low linearity especially at high signal level. Based on the particular structure of the ME device, a method to decrease the nonlinear harmonic distortion of the ME voltages is proposed. Harmonic distortion analysis of ME voltages measured in different configurations allows us to explain the phenomenon

Efficient algorithm for discrimination of overlapping ultrasonic echoes

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Characterization of piezoelectric ceramics using inverse problem solving of a polarization switching modeling

International audienceThe purpose of this study is to characterise piezoceramic materials using their hysteretic behaviours under high electrical loading. In previous works, a phenomenological model has been constructed by bridging characteristics of microscopic domain wall distribution into macroscopic behaviours. In this present work, an inverse problem solving is proposed to retrieve electromechanical parameters of piezoceramic materials (relative permittivity and piezoelectric coefficient) and microscopic parameters (spontaneous polarisation and spontaneous strain). Optimisation is performed on dielectric and butterfly curves using a genetic algorithm procedure in order to ensure robust convergence even if several local solutions exist. Method is validated on comparing results obtained for PLZT8/65/35 and P188, whose parameters are well known in literature. Good agreements observed between retrieved parameters and values reported in literature show that domain wall modelling is a promising way to characterise piezoceramic materials

Thickness evaluation of mesoporous silicon layer using ultrasonic method

International audienceThe manufacturing processes of porous silicon (PoSi) now allow samples with variable depths and porosities to be obtained. Thickness can be critical to ensure reliability as for microelectronic applications. However, thickness measurement methods are generally destructive or strongly limited by thickness or pore. Therefore in this study a non-destructive ultrasonic method based on an immersion insertion-substitution technique is investigated. Yet wavelength in ultrasonic method is much larger than optical ones, allowing to observe porous silicon layers having larger pore diameter or higher thickness. Total thickness of the wafer (550 microns) and high sound speed in pure silicon (8450 m.s-1) require transducers with high centre frequencies. The acoustic parameters of these samples, such as velocity and attenuation, are measured using time domain analysis. These measurements are compared with those obtained through a one-dimensional multilayer model of the wafer, using a homogenization approach for the porous layer based on Biot’s Theory

New characterization method based on ultrasound applied to polymer thin film ageing

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Etude de la Réverbération Ultrasonore dans des Structures Composites

Les matériaux composites sont actuellement en plein essor dans de nombreux domaines industriels grâce à leurs nombreux avantages structurels. Cependant, l’évaluation non destructive et le suivi du vieillissement est essentielle pour leur maintenance. Des travaux de recherche récents se sont concentrés sur des techniques de caractérisation et de localisation des défauts par des ondes ultrasonores. Cependant, ces méthodes utilisent le plus souvent les premiers paquets, permettant une mesure rapide mais limitée aux trajets directs. Dans ce travail, une technique alternative basée sur l’étude des signaux réverbérés des ondes de Lamb dans un matériaux composite est proposée, par analogie avec l’acoustique des salles. Ces signaux complexes contiennent en effet des informations globales sur l’ensemble du milieu réverbérant et sont sensibles aux changements structurels. Dans des travaux antérieurs, cette méthode a prouvé ses capacités de caractérisation des milieux isotropes. L’extension de ce modèle à des matériaux composites nécessite de prendre en compte la variation de la vitesse de propagation en fonction de la direction de propagation des ondes. Un modèle analytique permettant d’estimer l’énergie acoustique dans une plaque composite en fonction de l’orientation des modes de Lamb a été développé, prenant en compte le caractère orthotrope de ces matériaux. Des mesures ont été effectuées sur des plaques de composites avec une matrice en époxy (CF/EP) et cinq patches piézoélectriques (PZT) aléatoirement distribués sur la face arrière, un étant la source et les autres des récepteurs. La moyenne des enveloppes des signaux reçus sur les quatre récepteurs a permis alors d’estimer l’énergie acoustique grâce à l’intégrale de Schröder. Ensuite, une comparaison avec le modèle isotrope a été effectuée afin de voir l’apport de l’anisotropie. Les résultats sont encourageants et montrent une bonne adéquation entre la théorie et les mesures, permettant ainsi d’estimer à priori le temps de réverbération dans une plaque composite

A Novel Design of Surface Acoustic Wave Device: Towards Sensor Sensitivity Enhancement

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Ultrasonic investigation of mesoporous silicon

International audienceIn this paper, an ultrasonic characterization of mesoporous silicon is proposed. The goal of this study is to estimate the porosity rate and the thickness of porous silicon layers. Two sets are formed in order to retrieved independently each parameter: one with similar porosity and another with similar thickness. Secondly, an immersed ultrasonic measurement technique and a modeling based on material homogeneization and Biot theory are presented.This modeling is used to simulate a wave propagation through the porous layer. An optimization between simulated and experimental spectra, based on a genetic algorithm, allows porosity and thickness to be estimated. These measured properties are compared to the results of a destructive evaluation. A good retrieval of porosity and thickness is observed, even if layer thickness is small compared to wavelength of the ultrasonic wave inside porous silicon

Caractérisation ultrasonore du silicium poreux

National audienceLe silicium poreux est devenu un matériau largement utilisé en microélectronique, comme par exemple en tant que substrat pour les détecteurs ou les systèmes RF. Cependant, bien que les procédés de fabrication soient aujourd’hui bien connus, les paramètres du silicium poreux tels que la porosité ou la profondeur sont encore souvent déterminés par des méthodes empiriques et/ou destructives. Afin de pouvoir contrôler ces paramètres de façon non destructive, les méthodes ultrasonores semblent prometteuses grâce à la relation forte entre porosité et caractéristiques mécaniques, et donc acoustiques. Le but de cette étude est de vérifier la faisabilité de cette méthode. Dans le cadre de cette étude, le silicium poreux est gravé de manière électrochimique à l'aide de courants pulsés dans une solution d’acide fluorhydrique. Plusieurs échantillons de silicium poreux sont gravés, divisés en deux groupes (à porosité constante et profondeur variable et à profondeur constante et porosité variable). La méthode ultrasonore proposée pour caractériser les échantillons de silicium poreux est basée sur une technique d’insertion-substitution. Cette méthode nécessite deux mesures en transmission : une de référence sans l’échantillon et une avec l’échantillon de manière à corriger les effets de diffraction et l'atténuation dans l'eau.Afin de retrouver les paramètres acoustiques et géométriques de l'échantillon, une résolution par problème inverse est proposée. Pour cela un modèle de propagation unidimensionnel correspondant à la technique de mesure ultrasonore est implémenté afin de calculer les coefficients de transmission théoriques. Une optimisation des paramètres du modèle est ensuite effectuée en utilisant un algorithme génétique. L’impédance acoustique et la profondeur du silicium poreux en sont déduites. Un modèle d'impédance acoustique effective dans le silicium poreux nous donne la valeur de la porosité.La profondeur et la porosité des échantillons sont ensuite mesurées à partir de mesures destructives afin de mesurer la profondeur et la porosité et de les comparer aux résultats issus des mesures ultrasonores. Une bonne concordance est montrée entre les méthodes ultrasonores et destructives, tant en profondeur qu’en porosité. Les écarts seront discutés