L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est de développer des méthodes d'élaboration et de caractérisation de matériaux piézoélectriques en vue de leur intégration dans des capteurs acoustiques pour des applications en milieu hostile. Les aspects mesures en hautes températures et sous irradiation étant d'un grand intérêt pour nos partenaires du CEA.Dans ce contexte, l'étude et la réalisation de capteurs acoustiques fonctionnant à haute température offre une grande diversité d'applications possibles. Ce travail inclut la recherche de matériaux piézoélectriques adéquats, leurs technologies de mise en œuvre ainsi que le mode de couplage du transducteur sur une paroi métallique ou céramique. En plus des techniques traditionnelles de brasure, une autre voie de technologie est envisagée à travers l'utilisation de la sérigraphie. Des bancs de test spécifiques ont été développés dans le but de déterminer les caractéristiques intrinsèques des matériaux, et les performances obtenues après leur intégration comme éléments sensibles d'un système de mesure. La sérigraphie comme méthode transfert de matière offre des avantages indéniables en termes de facilité d'utilisation, de rapidité de prototypage et de reproductibilité. De l'encre piézoélectrique a été élaborer à partir de poudre de piézoélectrique, de verre de frittage et de véhicule organique ESL400. Cette encre a été déposée par sérigraphie. L'empilement technologique réalisé est composé de deux électrodes d'Argent-Palladium et de plusieurs couches d'encre piézoélectrique. Dans un premier temps, un dépôt d'empilement de Plomb Zirconate Titanate (PZT) entre deux électrodes d'argent palladium sur substrat alumine a permis de réaliser une grande quantité de tests sur les différentes potentialités d'optimisations. Les couches ont été caractérisées de manière systématique en mesurant le coefficient piézoélectrique d33, la permittivité relative et les pertes diélectriques par mesure direct. Le facteur de couplage kt et la constante de fréquence ont été déterminé par ajustement de la courbe d'impédance à partir de modèles. Ces modèles ont été développés afin de remonter de manière indirecte à différents paramètres complétant les mesures directes. Les couches épaisses de PZT ont présenté des potentialités d'utilisation jusqu'à 200°C.Enfin, des poudres de matériaux piézoélectriques de base bismuth ont été synthétisées et incorporées à des encres pour des dépôts par sérigraphie. Le titanate de bismuth (BIT) non dopé ou dopé niobium n'a pas permis de mettre en évidence un important caractère piézoélectrique macroscopique à cause des difficulté de polarisation. D'un autre côté, le sodium bismuth titanate (NBT) présente une grande potentialité dans le cadre de future étude. En effet sous forme de couche épaisse il présente un d33 de 9pC.N-1 et une courbe d'impédance qui ne révèle pas de réelle évolution même à des températures de l'ordre de 350°C. / The goal of the work presented in this thesis is to develop methods of preparation and characterization of piezoelectric materials for inclusion in acoustic sensors for applications in hostile environments. Measurements aspects in high temperatures and under radiation are of great interest to our partners of the CEA.In this context, the study and the realization of acoustic sensors operating at high temperature provide a wide range of possible application. This work includes research of optimal piezoelectric material, their technologies of implementation as well as the pairing mode of the transducer on a metallic or ceramic wall. In addition to the traditional techniques of solder, another technological way is envisaged through the use of screen printing. Specific test devices have been developed in order to determine the intrinsic characteristics to the materials, and the performances after their integration as sensitive elements of a measurement system. This screen printing as method of material transfer offers undeniable advantages in terms of use, a rapid prototyping and good reproducibility. Piezoelectric ink was developed from piezoelectric powder, glass sintering and organic vehicle ESL400. This ink has been made by screen printing. The realized technology stack consists of two electrodes of silver-Palladium and multilayered piezoelectric ink. As a first step, a deposit of stacking of Lead Zirconate Titanate (PZT) between two electrodes of silver palladium on alumina substrate allowed a lot of tests on the various optimizations potentialities. Layers have been characterized in a systematic way by measuring piezoelectric coefficient d33, relative permittivity and dielectric loss as a direct measurement. The coupling factor kt and frequency constant was determined by fit of the impedance curve from models. These models have been developed to indirectly determine different parameters from the direct measurement. Thick layers of PZT showed potential to be used up to 200 ° C.Finally, piezoelectric materials based on bismuth powders have been synthesized and incorporated in inks for screen printing deposits. Bismuth Titanate (BIT) niobium doped or undoped did not highlight significant macroscopic piezoelectric character because of the polarization difficulties. On the other hand, Sodium Bismuth Titanate (NBT) presents a great potential for future study. In fact in the form of thick layer it presents d33 of 9pC.N-1 and an impedance curve that does not reveal evolution even at temperatures in the range of 350 ° C.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre des problèmes d'intégration des dispositifs électriques en général et des composants passifs en particulier permettant de réaliser des systèmes de conversion intégrés. Le travail débute avec l'étude et la caractérisation de transformateurs piézoélectriques de taille " méso " de quelques fractions de watts à quelques watts destinées à la mise en œuvre d'une commande rapprochée de transistors de puissance MOSFET & IGBT intégrée sur un substrat en PCB. Il se place ensuite dans la problématique de l'intégration sur silicium de micro-transformateur piézoélectriques pour des systèmes d'alimentation électrique de quelques micro-watts. L'objectif est d'établir de nouvelles structures de micro-transformateur, exploitant des couches minces d'AlN et de PZT déposées par pulvérisation cathodique, dont les étapes de fabrication sont compatibles avec les technologies et les contraintes de la microélectronique.

Les missions d'astronomie X de nouvelle génération (IXO par exemple) sont à l'étude. Ces missions seront équipées de miroirs X de grande surface effective, à bande passante étendue vers les hautes énergies et à haute résolution angulaire. Ceci implique l'utilisation au plan focal de détecteurs spectro-imageurs de performances en rapport, améliorés en terme de taux de comptage, de bande passante en énergie et de résolution spectrale par rapport aux CCDs qui constituent la base des instruments actuels. Le travail réalisé dans cette thèse consiste en l'extrapolation à la détection X de matrices de bolomètres IR déjà développées au LETI pour la mission spatiale HERSCHEL. Les études réalisées ont consisté à adapter l'impédance des senseurs silicium à la mesure des signaux impulsionnels engendrés par des interactions X avec le détecteur, à réaliser des matrices d'absorbeurs pixellisés sur poignée silicium à partir de microfeuilles de tantale (Ta) qui ont été traitées et fournies par des laboratoires en collaboration avec le LETI. Nous avons validé une technologie de report de ces matrices absorbeur sur matrices senseur par hybridation par bille d'indium. Nous avons optimisé l'hybridation en terme de capacité calorifique. Nous avons réussi à réaliser un prototype de matrice 8 x 8 pixels libérés et hybridés. Tous les procédés technologiques mis en point sont collectifs et extrapolables à des matrices de grandes dimensions (32 X 32 pixels).

L’eau est une ressource vitale, indispensable à la vie sur terre. A l’instar de nombreuses autres ressources naturelles, l’eau propre à la consommation est soumise à une forte pression à cause de l’impact de l’activité humaine d’une part et de l’augmentation continue de la population mondiale d’autre part. Une pression tellement forte que l’eau propre représente l’un des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Dans ce contexte, une gestion rationnelle et durable de la ressource s’avère indispensable. Dans ce but, un système intelligent de supervision des réseaux d’eau potable peut s’avérer très utile. Les systèmes existant sont toutefois peu intégrés et compacts, nécessitent souvent une alimentation externe, et restent relativement chers pour un déploiement massif sur les réseaux. La présente thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche européen, PROTEUS, visant à pallier ces différents problèmes en mettant au point un système de mesure pour la supervision de la ressource en eau permettant la mesure de 9 paramètres physico-chimiques, reconfigurable, et énergétiquement autonome. La contribution de la présente thèse à ce projet porte sur la conception et l’optimisation des différents capteurs physiques (conductivité électrique, pression, température et débit) ainsi qu’à leur co-intégration sur une même puce. Le système proposé montre des performances au moins égales à celle de l’état de l’art en ce qui concerne la robustesse, assurée par la redondance de nombreux éléments sensibles, le domaine de sensibilité et la consommation énergétique. Le présent manuscrit est par conséquent construit comme suit : le premier chapitre est une introduction générale à la supervision de grandeurs environnementales et à la puce multi-capteurs. Le second chapitre décrit la structure de la puce multi-capteurs ainsi que les méthodes de fabrication utilisées, avec une attention particulière accordée aux capteurs de pression et de conductivité électrique. Le troisième chapitre porte sur l’utilisation de résistances électriques pour la mesure de diverses grandeurs physiques, notamment la température. Le dernier chapitre s’attarde plus particulièrement sur l’utilisation de ce type de résistances pour la mesure de débit avant de conclure et de proposer des perspectives pour des travaux futurs / Water is a vital element for every living being on the earth. Like many other dwindling natural resources, clean water faces a strong pressure because of human activity and the rapid growth of global population. The situation is so critical that clean water has been identified as one of the seventeenth sustainable development goals of the United Nations. Under these conditions, a sustainable management of water resources is necessary. For this purpose, a smart solution for water networks monitoring can be very helpful. However, commercially available solutions lack compactness, self-powering capabilities cost competitiveness, necessary to enable the large rollout over water networks. The present thesis takes place in the framework of a European research project, PROTEUS, which addresses these different problems by designing and fabricating a multi-parameter sensor chip (MPSC) for water resources monitoring. The MPSC enables the measurement of 9 physical and chemical parameters, is reconfigurable and self-powered. The present thesis addresses more precisely physical sensors, their design, optimization and co-integration on the MPSC. The developed device exhibits state of the art or larger performances with regard to its redundancy, turn-down ratio and power consumption. The present manuscript is split into two main parts: Part-I and Part-II. Part-I deals with non-thermal aspects of the MPSC, the pressure and conductivity sensor for instance, as well as the fabrication process of the whole device (Chapter 1 and 2). The background of environmental monitoring is presented in Chapter 1 along with the State of Art review. Chapter 2 describes fabrication methods of the MPSC. Preliminary characterization results of non-thermal sensors are also reported in this chapter. Chapter 3 and 4, included in Part-II, deal with thermal sensors (temperature and flow-rate). Chapter 3 describes the many possible uses of electric resistances for sensing applications. Finally, in chapter four, we focus on flowrate sensors before concluding and making a few suggestions for future works

Ce travail s'inscrit dans le domaine des piles à combustible miniatures destinées aux applications portables (téléphones, assistants électroniques) et consiste dans la réalisation d'une pile complète (assemblage électrodes – membrane) de type PEMFC. L'usage du silicium pour la fabrication de la pile permet l'utilisation des technologies liées au silicium et un couplage facilité avec d'autres composants électroniques. La membrane de la pile est faite de silicium microporeux traité pour assurer la conduction protonique. Deux voies ont été explorées : imprégnation par un ionomère de type Nafion® et greffage de molécules en surface des porosités. Elles ont été validées par des assemblages en pile et ont montré des performances similaires (18 mW/cm2). Un travail important de caractérisation a été effectué sur la structure du silicium poreux (M.E.B., mesures de conductivité, de perméabilité, spectroscopie) et les traitements réalisés sur la membrane (M.E.B., spectrométrie de masse (SIMS)).