La thèse traite des capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) et plus particulièrement de leur application pour la mesure des basses pressions et des hautes températures. Le premier chapitre est consacré à l’histoire des dispositifs SAW, depuis 1965. Les principes de fonctionnement des capteurs SAW sont décrits, ainsi que leurs avantages concurrentiels. La seconde partie du document concerne les outils théoriques utilisés pour la modélisation des ondes élastiques et pour la prévision de leur sensibilité aux perturbations. Des formules pour le calcul de la sensibilité à la déformation ou à la variation de température sont démontrées. Les approches de Nalamwar/Epstein et Tiersten sont toutes deux présentées pour le calcul de l’effet des déformations. La troisième partie de la thèse est consacrée à l’étude théorique et expérimentale d’un nouveau concept de capteur SAW de pression (proposé par l’auteur), pour la mesure précise du vide primaire et secondaire. Les résultats expérimentaux confirment l’ensemble des prévisions théoriques. Cette innovation a été brevetée fin 2006. Un design « ultime » de type MEMS est proposé pour maximiser les performances du capteur. Enfin, la dernière partie du document traite des capteurs SAW « wireless » passifs comme une solution prometteuse pour la mesure des hautes températures. La problématique des matériaux est abordée, ainsi que celle du calcul du TCD pour des structures bicouche. L’effet du champ de déformations généré par la dilatation thermique différente des couches est pris en compte pour améliorer la précision du calcul théorique du TCD. Cette approche est étayée par des résultats théoriques et expérimentaux. / The thesis deals with the application of SAW sensors for low pressure and high temperature measurements. The first chapter is devoted to the history of SAW devices, from 1965. The principles of SAW sensors are described, as well as their industrial and economical potentials. The second part is devoted to the theoretical tools, used to model the basic properties of elastic waves as well as their sensitivity to external disturbances. Formulas for calculating the sensitivity of devices under strain or temperature changes are inferred. The approaches of Nalamwar/Epstein and Tiersten to take into account the effect of strain fields are both presented. The third part is devoted to the study of a new SAW pressure sensor concept (suggested by the author), for the accurate measurement of primary and secondary vacuum. The experimental results confirm the theoretically predicted sensor parameters: measuring range, sensitivity, precision and response time. A patent is pending for this innovation. A more efficient MEMS-type design is elaborated to maximize the level of performances. Finally, the thesis deals with wireless passive SAW sensor as a very promising solution for measurement at high temperature. The issue of materials is discussed, as well as the classical way to calculate the Temperature Coefficient of Delay (TCD) for multilayered structures. The effect of the strain field induced in the SAW structure by the differential thermal expansion of the different layers is taken into account to improve the accuracy of TCD calculations. This original theoretical approach is supported by experimental and theoretical results.

De tous temps, l'amélioration des moyens de guérison et de prévention des maladies a constitué un enjeu majeur de nos sociétés. Les possibilités offertes désormais par les technologies modernes ont permis de multiplier le nombre d'applications médicales mais toutes ces pratiques nouvelles ont un impact dans le domaine de l'expérimentation animale et impliquent aussi un suivi sanitaire à grande échelle. Le travail présenté dans cette thèse a pour but de moderniser la surveillance de l'état de santé des souris de laboratoire, et s'inscrit dans un projet collaboratif entre le LEAT et TIRO-MATOs. L’objectif est la conception d’un système capable de faciliter ce suivi au quotidien. Pour cela, la conception d'une antenne à 433MHz, connectée à un capteur de température, implantable dans une souris et intégrant notamment l'impact de l'environnement biologique a tout d’abord été étudiée. Après caractérisation des éléments obtenus, la faisabilité d’un système de géolocalisation est présentée. Afin de disposer également de la capacité d’identification des sujets, cette étude s’est poursuivie à 868 MHz (standard RFID). Dans cette partie, l’antenne interrogatrice placée sous la cage, a été plus particulièrement étudiée. Afin de comparer les différentes antennes obtenues, des mesures de puissance récupérées par le lecteur (RSSI) sont réalisées, utilisant pour cela des phantoms de souris spécialement mis au point pour cette étude. Les conclusions tirées par comparaison notamment avec les résultats de phantoms numériques ont permis de concevoir un dispositif de diversité à 4 antennes et de le tester en présence de un à quatre phantoms dans quatre différentes zone de la cage. / The improvement of the methods of cure and prevention of diseases has always constituted a major objective in our societies. The possibilities offered by modern technologies allow the multiplication of the number of medical applications but all these new practices have an impact on pre-clinical animal studies which require a large-scale health status follow-up. This work, which aims at modernizing the supervision of laboratory mice in an animal facility, is a collaborative project between the LEAT and TIRO-MATOs labs. The objective is the design of a system allowing to facilitate this follow-up for the researchers while leading to new research areas. Thus, we first studied the conception of an antenna working at 433MHz, connected to a mouse implanted temperature sensor, taking also into account the biological environment impact. After having characterized the obtained elements, the feasibility of a localization system has been studied. In order to identify several mice within a cage, the study has focused on using an UHF RFID (Radio Identification Frequency) standard (868 MHz). In this part, a reader antenna placed under the cage has been investigated. Different solutions have been proposed and compared thanks to the received power (RSSI level) recorded by the reader. For that purpose, mice “phantoms” have been specifically developed. The comparison of the different results obtained particularly with numerical mice “phantoms”, led to the conception of a reading diversity system composed of 4 antennas. This last system allows to detect the presence of up to four phantoms within a cage divided into four zones.

La technologie des capteurs à ondes élastiques de surface, appelés SAW pour Surface acoustic waves, existe depuis une cinquantaine d’années. Cette technologie est largement utilisée dans l’industrie des télécommunications et en perpétuelle évolution pour la réalisation de microcapteurs dans des secteurs à fortes contraintes tels que l’aéronautique, l’automobile, la métallurgie ou encore dans le domaine du médical. Leur forte sensibilité aux conditions environnementales, leur taille réduite et la possibilité de les interroger à distance sans aucune électronique embarquée (capteurs passifs), confèrent à cette technologie un fort potentiel d’innovation pour une utilisation en environnements extrêmement hostiles, et notamment comme capteurs de températures, de pressions, de déformations, de concentrations d'espèces chimiques ou biologiques… Une voie d’innovation réside dans l’optimisation des électrodes de ces capteurs appelés IDTs pour InterDigital Transducers. Ces électrodes métalliques d’une centaine de nanomètres d’épaisseur sont structurées sous forme de peignes interdigités sur un substrat piézoélectrique. Nos travaux se sont focalisés sur le choix des matériaux pour la réalisation des IDTs pour une utilisation à très hautes températures. Cela impose de trouver un matériau conducteur, stable physiquement et chimiquement, dont la mise en forme en film mince (100 nm d'épaisseur typique) n’altère pas son fonctionnement dans ces conditions d’usage extrêmes : températures voisines de 1000°C sous atmosphère oxydante. Une étude récente a mis en évidence la pertinence de l’utilisation d’alliages binaires Ir-Rh massifs pour des applications connexes de celles visées. L’objectif de ce projet est de transposer les propriétés des alliages Ir-Rh massifs à des films minces de même nature, en collectant de nouvelles données thermodynamiques relatives au système métallique Ir-Rh. Malgré les difficultés des analyses thermiques qui ont été menées jusqu’à 2300 °C, nous avons pu réaliser les premières mesures expérimentales des températures d’équilibres solide-liquide (solidus et liquidus) de quelques alliages Ir-Rh. Une part importante du travail a ensuite été consacrée à la réalisation de campagnes de dépôts de films minces Ir Rh afin d’optimiser les paramètres clés du dépôt permettant l’obtention de films présentant les stœchiométries et microstructures recherchées. Enfin, l’évaluation des performances des dispositifs SAW, élaborés à partir des films minces optimisés, a donné des résultats très prometteurs : après une phase de stabilisation dans les premières heures de recuit, le signal SAW s’est montré constant tout au long d’une période de 2 mois dans l’air à 800 °C. / The surface acoustic waves (SAW) technology was invented approximately fifty years ago. This technology is currently widely used in the telecommunication industry to make, among others, GHz-range filters. Another very active development axis for the SAW technology is related to the achievement of micro sensors (to measure temperatures, pressures, deformations, concentrations of chemical or biological species) for industrial sectors with strong constraints such as aerospace, automotive, metallurgy, or medical sectors. Their high sensitivity to environmental conditions, their small size and the possibility to interrogate them remotely without adding any embedded electronics (passive sensors), provides SAW sensors a high innovation potential, in particular for applications taking place in hostile environments. SAW devices are constituted by a piezoelectric substrate on which are patterned electrodes from a conductive film. These electrodes are typically 100 nm-thick and are called, because of their shape, interdigital transducers (IDT). Our work was mainly focused on the choice of materials for the realization of IDTs to be used at very high temperatures, in air, for weeks periods, the current state-of-the-art operating temperature being close to 850 °C. Achieving high temperature IDTs requires finding a conductive material, physically and chemically stable under oxidizing conditions up to 1000°C, which retains its properties when grown as a thin layer. A recent study has highlighted the relevance of bulk Ir-Rh binary alloys for applications closely related to the targeted ones. The objective of this project is to transfer the properties of bulk Ir-Rh alloys to Ir-Rh thin layers, by collecting new thermodynamic data for the Ir-Rh binary system. Despite the difficulties of thermal analyses which were conducted up to 2300 °C, we have been able to carry out the first experimental measurements of solid-liquid temperatures equilibria (solidus and liquidus) of some Ir-Rh alloys. An important part of the work was afterwards devoted to the realization of Ir-Rh thin films deposition campaigns to optimize the key parameters and obtain films having the relevant stoichiometry and microstructure. Finally, the performance of SAW devices, made from optimized thin films, was evaluated. Very promising results were obtained: after a stabilization phase in the early hours of annealing, the SAW signal was unchanged throughout a 2 months period at 800 °C in air atmosphere.