Le travail en bande de base permet de s’affranchir du bruit de multiplication de fréquenced’un signal. Cependant, la conception d’un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessited’avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteurde qualité élevée. L’approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à ondeélastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d’un oscillateur compactet stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d’utilisation de source defréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de-100 dBc/Hz pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d’amélioration d’une dizainede dBc/Hz de cette valeur d’après la simulation. L’étude porte également sur l’analyse del’influence du bruit de phase de l’oscillateur local sur la résolution d’une mesure RADAR dontl’effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface(SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative apermis d’aboutir à un prototype d’électronique embarqué pour l’interrogation de lignes à retardà ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L’architecturede l’interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d’échantillonnageen temps équivalent permettant de réduire l’importance de la puissance de calcul dansle traitement de la réponse. Les inconvénients de l’échantillonnage en temps équivalent sontminimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à lamesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolutionde 0,2°C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bandepassante plus élevée (allant jusqu’à 200 kHz), un second prototype n’ayant pas de restrictionsur les ressources de calcul mises en oeuvre est également présenté dans cette thèse, combinantla même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel. / Eliminating the step of frequency multiplication, by working in baseband, reduces the phasenoise of an oscillator. However, the design of a high frequency oscillator requires a frequencyselective component, which operates at high frequency and with a high quality factor. The approachproposed in this thesis is to evaluate a High-overtone Bulk Acoustic-wave Resonator,the HBAR, for the realization of a compact and stable oscillator at 2.45 GHz for a RADAR system.The designed oscillator exhibits a phase noise of −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier,with an expected improvement of a dozen dBc/Hz according to the simulation. The study alsofocuses on the analysis of the local oscillator phase noise impact on the resolution of a RADARmeasurement and an experimental demonstration is done using a delay line surface acousticwave (SAW) as cooperative RADAR target. The work on this cooperative target has lead to aprototype of an embedded electronics for interrogating surface acoustic wave delay lines usedas passive sensors remotely interrogated through a wireless link. The architecture combines thepulsed RADAR signal generation method with an equivalent time sampling system in orderto reduce the computing power needed to process the response. The disadvantages of equivalenttime sampling are minimized by a smart interrogation strategy to acquire only mandatorysamples. Measurements on a commercial temperature sensor have a resolution of 0.2°C witha 35 kHz bandwidth. For applications in need of higher bandwidth (up to 200 kHz), a secondprototype with no restriction on computing resources is also presented in this thesis, combiningthe same impulse RADAR method with real-time sampling.

Le besoin d’appareils compacts et autonomes dédiés à la détection d’espèces chimiques pour des analyses de terrain est d’actualité dans un contexte international en rapide mutation (agroalimentaire, développement durable, sécurité, etc.). La thèse présentée au sein de ce manuscrit, financée par la Délégation Générale de l’Armement, développe de nouvelles solutions de capteurs résonants à ondes élastiques de volume à modes harmoniques élevés (HBARs) pour la détection de gaz et plus particulièrement de composés explosifs. Ces résonateurs de très haute compacité se composent d’un transducteur reporté ou déposé sur une cavité résonante multimode, produisant un spectre de raies modulant sa propre réponse fréquentielle. De nature dipolaire, ces résonateurs permettent toutefois la mise au point de quadripôles par couplage latéral de modes mis à profit dans nos travaux. L’étude théorique du comportement de résonateurs à base de niobate de lithium aminci et reporté sur quartz ou fondés sur un empilement de nitrure d’aluminium et de silicium a permis de déterminer les propriétés gravimétriques spécifiques de chaque combinaison de matériaux et des modes associés. Des méthodes de calibrage en phase liquide et gazeuse sont proposées pour valider l’analyse théorique et permettre le choix de la structure la mieux adaptée à une configuration expérimentale donnée. Les résultats obtenus, comparés à ceux d’une microbalance à ondes guidées sur quartz, mettent en évidence les forces (compacité, cinétique chimique réduite, nature multi-physique des mesures) et faiblesses (sensibilité gravimétrique imposant des structures d’épaisseur inférieure à 100 μm) de notre solution face à cette référence. Nous avons également développé une électronique de traitement en boucle ouverte des informations issues de nos dispositifs, permettant des modes de détection rapide ou de haute précision (quelques milli-degrés de variation de phase). L’électronique dédiée a pour vocation de fournir la flexibilité nécessaire au suivi de nombreux modes à diverses fréquences fixes et de s’affranchir des temps longs de balayage en fréquence des analyseurs de réseaux généralistes. Une version à8 voies permet enfin la manipulation de plusieurs capteurs ou l’étude en parallèle des modes de 2 HBARs, donnant ainsi lieu à un système multi-physique efficace associé à des capteurs capables de sonder plusieurs grandeurs dans un volume de très petite dimension (quelques mm3). La limite de détection est déterminée par le bruit de phase de l’oscillateur local. Le système ainsi réalisé est exploité pour la détection de gaz mais aussi pour le pilotage de grandeurs physiques telles que la température ou la viscosité (milieux aqueux) dans différents contextes expérimentaux. / The demand for compact and autonomous systems devoted to field detection of gaseous compounds is still persisting in arapidly changing international context (food-processing, sustainable development, security, and so on). The thesis reportedin this manuscript, supported by the Délégation Générale de l’Armement, develops new resonant sensor solutions basedon high overtone bulk acoustic waves (so-called HBARs) for chemical compound detection and more specifically explosivesubstances. These high compactness resonators are built using a transducer bound or deposited onto a resonant cavity,yielding a comb spectrum modulating its own frequency response. They are used generally as dipoles, but a quadrupolestructure allowing for transverse mode coupling has been particularly used for our developments. A theoretical study ofthe behaviour of these devices based on lithium niobate-on-quartz or qluminum nitride-on-silicon material stack has beenachieved to determine the gravimetric properties of these configurations accounting for their mode specificities. Variouscalibration techniques have been implemented to confirm the theoretical analysis and to define the most appropriate structurefor a given application. The produced results have been compared to those of a quartz guided-wave micro-balance toemphasize the strength (compactness, reduced chemical kinetics, multiphysics measurements) and weakness (gravimetricsensitivity requiring device thickness less than 100 μm) of our devices. An embedded signal processing electronics alsohas been developed to treat the information provided by our sensors, offering fast or accurate (millidegree range) detectionprotocols. The dedicated electronics aims at providing the flexibility needed to track multiple modes at variaous fixed frquencieswhile getting rid of the long sweep time of general purpose network analyzers. A eight-channel version of thissystem has been set to process several sensor in parallel or to monitor several modes of two HBAR sensors for effectivemuti-physics measurements in a reduced analysis domain (a few cubic mm). Phase noise is the limiting factor determiningthe detection limit. The system has been deployed for gas detection as well as for monitoring other physical parameters suchas temperature or viscosity under various experimental condition including fluid media.

Ce mémoire présente la mise en oeuvre d'oscillateurs haute stabilité et pureté spectrale pour les applications en bande X qui imposent de disposer de résonateurs à fort coefficients de qualité compatibles avec les électroniques d'asservissement développées par les partenaires du projet NOVAE. Notre approche consiste à privilégier la réalisation de résonateurs à modes harmoniques aussi appelés HBAR (High-overtone Bulk Acoustic Resonator) alliant l'intérêt des couches minces piézoélectriques pour l'excitation de résonances hautes fréquences et la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux de haute qualité cristalline. Des résonateurs HBAR à base de LiNbO3/LiNbO3 mais aussi LiNbO3/Saphir ont été ainsi mis en boucle d'oscillation sur la base d'un montage de Colpitts, et leur bruit de phase mesuré puis comparé à celui d'oscillateurs stabilisé par résonateurs à ondes de surface commercialement disponible. On montre ainsi que les très forts coefficients de qualité mesurés pour la solution niobate-sur-niobate permettent d'atteindre des niveaux de bruit comparable à voire meilleur que ceux obtenus avec les résonateurs à ondes de surface. Le manuscrit montre l'intérêt des résonateurs à ondes de volume harmoniques (HBAR) en termes de facilité de mise en oeuvre et de qualilté des résonances obtenues pour des modes d'ordre élevé. Nous avons ainsi pu montrer qu'il était raisonnablement simple d'atteindre la bande des 1,5 GHz avec des coefficients de qualité élevés (supérieur à 10000) pour des couplages ne dépassant toutefois pas quelques pour mille.

Le travail en bande de base permet de s'affranchir du bruit de multiplication de fréquence d'un signal. Cependant, la conception d'un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessite d'avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteur de qualité élevée. L'approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à onde élastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d'un oscillateur compact et stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d'utilisation de source de fréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de -100 dBc/Hz pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d'amélioration d'une dizaine de dBc/Hz de cette valeur d'après la simulation. L'étude porte également sur l'analyse de l'influence du bruit de phase de l'oscillateur local sur la résolution d'une mesure RADAR dont l'effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface (SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative a permis d'aboutir à un prototype l'électronique embarqué pour l'interrogation de lignes à retard à ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L'architecture de l'interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d'échantillonnage en temps équivalent permettant de réduire l'importance de la puissance de calcul dans le traitement de la réponse. Les inconvénients de l'échantillonnage en temps équivalent sont minimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à la mesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolution de 0,2°C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bande passante plus élevée (allant jusqu'à 200 kHz), un second prototype n'ayant pas de restriction sur les ressources de calcul mises en œuvre est également présenté dans cette thèse, combinant la même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel.

Le besoin d'appareils compacts et autonomes dédiés à la détection d'espèces chimiques pour des analyses de terrain est d'actualité dans un contexte international en rapide mutation (agroalimentaire, développement durable, sécurité, etc.). La thèse présentée au sein de ce manuscrit, financée par la Délégation Générale de l'Armement, développe de nouvelles solutions de capteurs résonants à ondes élastiques de volume à modes harmoniques élevés (HBARs) pour la détection de gaz et plus particulièrement de composés explosifs. Ces résonateurs de très haute compacité se composent d'un transducteur reporté ou déposé sur une cavité résonante multimode, produisant un spectre de raies modulant sa propre réponse fréquentielle. De nature dipolaire, ces résonateurs permettent toutefois la mise au point de quadripôles par couplage latéral de modes mis à profit dans nos travaux. L'étude théorique du comportement de résonateurs à base de niobate de lithium aminci et reporté sur quartz ou fondés sur un empilement de nitrure d'aluminium et de silicium a permis de déterminer les propriétés gravimétriques spécifiques de chaque combinaison de matériaux et des modes associés. Des méthodes de calibrage en phase liquide et gazeuse sont proposées pour valider l'analyse théorique et permettre le choix de la structure la mieux adaptée à une configuration expérimentale donnée. Les résultats obtenus, comparés à ceux d'une microbalance à ondes guidées sur quartz, mettent en évidence les forces (compacité, cinétique chimique réduite, nature multi-physique des mesures) et faiblesses (sensibilité gravimétrique imposant des structures d'épaisseur inférieure à 100 μm) de notre solution face à cette référence. Nous avons également développé une électronique de traitement en boucle ouverte des informations issues de nos dispositifs, permettant des modes de détection rapide ou de haute précision (quelques milli-degrés de variation de phase). L'électronique dédiée a pour vocation de fournir la flexibilité nécessire au suivi de nombreux modes à diverses fréquences fixes et de s'affranchir des temps longs de balayage en fréquence des analyseurs de réseaux généralistes. Une version à 8 voies permet enfin la manipulation de plusieurs capteurs ou l'étude en parallèle des modes de 2 HBARs, donnant ainsi lieu à un système multi-physique efficace associé à des capteurs capables de sonder plusieurs grandeurs dans un volume de très petite dimension (quelques mm3 ).La limite de détection est déterminée par le bruit de phase de l'oscillateur local. Le système ainsi réalisé est exploité pour la détection de gaz mais aussi pour le pilotage de grandeurs physiques telles que la température ou la viscosité (milieux aqueux) dans différents contextes expérimentaux.