Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation d'une nouvelle génération de capteurs ultrasonore dédiés à la caractérisation des gaz de fission. Plus généralement, ces études concernent le développement de l’instrumentation du réacteur d’essai des matériaux Jules Horowitz (RJH), visant entre autre à effectuer le contrôle in situ de la composition du gaz libéré afin d’optimiser la durée de vie du combustible et le taux de combustion. La température de fonctionnement de ce nouveau réacteur devant se situer dans la plage entre 200 °C à 400 °C, la principale problématique concerne donc le développement d’un matériau piézoélectrique, capable de fonctionner dans la plage de température requise, et son intégration à un dispositif de détection.Nous proposons l’utilisation du sodium titanate de bismuth (NBT) développé par la méthode de la sérigraphie. Dans le but d'optimiser les conditions de fabrication des matériaux, plusieurs versions de matériaux piézoélectriques ont été produites au cours de cette thèse. Chacun des matériaux a été caractérisé (paramètres morphologiques, chimiques, électriques, diélectriques, piézoélectriques et électromécaniques) et des tests en fonction de la température ont été conduits. Après avoir démontré une bonne répétabilité dans la production du matériau, le protocole de fabrication des capteurs a été déterminé et un prototype de capteur ultrasonore a été réalisé.Ces capteurs ont été fabriqués par dépôt du matériau actif sur un substrat d'alumine. Après caractérisation des propriétés des capteurs, des essais ont montré une sensibilité acoustique importante à température ambiante. De plus, la possibilité d'une détection de gaz sur une gamme de pression de 50 à 70 bars a été démontrée par l'intégration d’un capteur dans une enceinte. Pour vérifier la possibilité d'application du capteur à la détection de gaz dans des environnements hostiles (haute température), un modèle théorique basé sur les propriétés électromécaniques et les équations d’adaptation d’impédance a été introduit. Il a été démontré théoriquement que le capteur est capable d'effectuer des mesures de gaz de la température ambiante jusqu’à 350 °C. / This Ph.D. thesis is dedicated to the development of a new generation of ultrasonic sensors devoted to fission gas characterization. More generally, these studies concern the development of instrumentation for the Jules Horowitz material testing reactor (JHR) aiming to perform in-situ control of the released gas composition for optimization of burn-up rate and fuel rod lifetime. The operation temperature of this new reactor will be in the range of 200 °C - 400 °C. Hence, the main problem concerns the development of piezoelectric material, able to operate in the required temperature range, and its integration with a sensor device.To resolve this problem, we propose to use the sodium bismuth titanate (NBT) ceramic material developed by the screen-printing technique. Several versions of piezoelectric materials were produced during this research, with the purpose of optimizing material manufacturing conditions Each material was characterized (morphological, chemical, electric, dielectric, piezoelectric and electromechanical parameters) and “tests as a function of temperature” were carried out. After demonstrating repeatability in material fabrication, the protocol for NBT sensor production was determined and a prototype of the ultrasonic sensor was fabricated.The sensor was fabricated by deposition of an active material onto an alumina substrate. After characterization of sensor properties, acoustic tests showed a high sensitivity of measurements at ambient temperature (25 °C). Furthermore, by integration of sensors into a pressurized enclosure the possibility of gas detection in the range from 50 to 70 bars was demonstrated. To verify the sensor’s applicability to gas detection under harsh temperature environment, a theoretical model based on electromechanical properties and impedance matching equations was introduced. It was theoretically demonstrated that the sensor is able to perform gas measurements from ambient temperature up to 350 °C.

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques. / Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements.