Design of electromagnetic sensors dedicated to the monitoring of physiological data and based on the exploitation of ionic and/or dipolar properties of materials
Conception de capteur électromagnétique dédié au suivi de données physiologiques et basé sur l'exploitation des propriétés ioniques et/ou dipolaires des matériaux
Résumé
Nowadays, the extraction of meaningful, continuous, accurate and real-time information related to the configuration and quality of material properties is of paramount importance for the proper functioning of any system. One way to obtain accurate, non-intrusive data is to use planar microwave sensors. Consequently, this class of sensor is of major interest in applications (food, clinical and chemical) where accurate determination of sodium chloride and sucrose concentration is important. Our work focused on the development of microwave sensors for the analysis of ternary mixtures involving sodium chloride and sucrose in aqueous solutions, which has opened the way to the detection of compounds with both ionic and dipolar behaviours, notably sodium lactate. Sodium lactate is a singular compound with both ionic and dipolar behaviour. The development of the sensor first required the broadband dielectric characterization of these mixtures at different concentrations, highlighting a dual behaviour of the mixtures made of conductive effects at low frequencies and dipolar relaxation at microwave frequencies. Also, an important part of the work focused on the deduction of predictive models of the variations of the Cole-Cole model parameters of permittivity as a function of the solute concentration. Based on this modelling, an innovative microwave-based sensor capable of measuring solute concentrations and temperature was developed, designed and experimentally validated. The originality of this work is to give a proof of feasibility of such a dual parameter sensor, its detection capabilities being exclusively based on electrical measurements.
De nos jours, l'extraction d'informations significatives, continues, précises et en temps réel liées à la configuration et à la qualité des propriétés des matériaux est d'une importance capitale pour le bon fonctionnement de tout système. L‘une des voies pour obtenir des données précises, et de manière non intrusives est d‘utiliser des capteurs planaires microondes. En conséquence cette catégorie de capteur présente un intérêt majeur dans les applications (agroalimentaire, clinique et chimique) où la détermination précise de la concentration du chlorure de sodium et de sucrose est importante. Nos travaux ont visé le développement de capteurs hyperfréquences pour l’analyse des mélanges ternaires impliquant du chlorure de sodium et du sucrose dans des solutions aqueuses, ceci a ouvert la voie à la détection de composé ayant à la fois des comportements ionique et dipolaire et notamment du lactate de sodium. Le lactate est un composé singulier ayant un comportement ionique et dipolaire. Le développement du capteur a tout d’abord nécessité la caractérisation diélectrique large bande de ces mélanges à différentes concentrations, mettant en évidence un double comportement avec des effets de conduction à basse fréquence et de relaxation dipolaire aux fréquences micro-ondes. Aussi, une partie importante du travail s‘est focalisée sur la déduction des modèles prédictifs des variations des paramètres du modèle Cole-Cole de la permittivité en fonction de la concentration des solutés. Sur la base de cette modélisation, un capteur innovant basé sur les microondes et capable de mesurer les concentrations des solutés, ainsi que la température a été mis au point, conçu et validé expérimentalement. L‘originalité de ce travail est de donner une preuve de faisabilité d'un tel capteur à double paramètre, ses capacités de détection étant exclusivement basées sur des mesures électriques.
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