Ce travail concerne l'étude du phénomène de décharges partielles dans les matériaux isolants utilisés en électronique de puissance. En utilisant des méthodes de détection électrique et optique, le mécanisme de décharge partielle sur des substrats d'AlN dans l'huile silicone a été étudié sur un grand nombre d'échantillons. La variation de la nature du substrat (AlN, Al2O3 et composite verre/époxy) et du matériau d'encapsulation (huile silicone, huile de colza, huile minérale de transformateur, liquide d'imprégnant du condensateur Jarylec et Ugilec) met en évidence l'origine des décharges partielles de l'ensemble substrat - encapsulant. Les décharges partielles sur les substrats céramiques frittés ne dépendent pas du passivant, et se produisent dans le volume du substrat. L'évolution temporelle de la lumière émise dans les liquides en configuration pointe - plan et sur le substrat dans différents liquides montre que l'émission de lumière est un phénomène très complexe influencé par de nombreux paramètres : électroluminescence du solide, de l'encapsulant, décharges partielles, absorption des matériaux. Le phénomène d'électroluminescence du liquide est activé par une illumination extérieure. Les mesures de spectroscopie diélectrique haute tension n'apportent pas d'information supplémentaire sur le phénomène de décharges partielles, car les pertes correspondantes sont très faibles. Mots clés : Décharge partielle, électroluminescence, Nitrure d'aluminium, Alumine, huile silicone, diélectrique liquide, électronique de puissance.

Thèse de doctorat : Plasmas, Optique, Opto-Électronique et Micro-Nanosystèmes : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Microondes et microtechnologies : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3707. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 151-157.

Des structures multicouches NiCoCrAlY / Al2O3 / TiOx / Pt / AlN déposées par pulvérisation cathodique sur superalliage base nickel, destinées à la réalisation de capteurs de pression sur pièces de turbomachine, sont étudiées et caractérisées. Les principaux objectifs de l'étude sont de résoudre le problème d'adhérence du film de platine (Pt) sur l'alumine (Al2O3) et d'améliorer la texture cristallographique {0001} des couches de nitrure d'aluminium (AlN) favorable à l'effet piézo-électrique recherché. L'influence d'une couche d'accrochage de TiOx sur l'adhérence du platine et l'effet de la polarisation du substrat sur les propriétés physico-chimiques de l'AlN sont notamment étudiés. L'étude approfondie (diffraction X, MEB, EDS, XPS, tests d'arrachement) des propriétés physico-chimiques des couches est menée. Les résultats mettent en évidence la forte influence du TiOx sur la nature et l'état de surface de l'alumine. La présence d'une couche de TiOx peut améliorer ou dégrader l'adhérence du platine en fonction du type d'alumine élaborée. Un fort effet de la polarisation du substrat sur la texture, la morphologie, la composition chimique de l'AlN et sur les contraintes résiduelles est démontré et expliquée. Les résultats obtenus concernant la qualité de la texture {0001} de l'AlN et la tenue mécanique des structures multicouches (800°C) ont permis la fabrication de transducteurs Pt / AlN / Pt sur substrats plans de superalliage base nickel. La sensibilité à la pression de ces premiers prototypes devra ensuite être évaluée en préalable à l'élaboration de capteurs sur pièces de turbomachine.

Les ondes acoustiques, démontrées théoriquement en 1885 par le scientifique anglais Lord Rayleigh, constituent de nos jours un sujet de recherches très intéressant. Elles sont devenues indispensables à la fabrication des systèmes de télécommunication miniatures et performants, tels que par exemple les filtres, les oscillateurs ou encore les capteurs. Les dispositifs fonctionnant grâce aux ondes acoustiques sont connus sous le nom de « dispositifs piézoélectriques » puisqu’ils transforment les signaux RF en ondes acoustiques, et vice versa, grâce au phénomène piézoélectrique direct. Le développement de ces dispositifs piézoélectriques a été indispensable pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (sélectivité, miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration). Cette thèse s’inscrit dans une démarche générale de développement des dispositifs piézoélectriques, notamment des micro-résonateurs piézoélectriques qui en constituent la dernière génération. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherches : l’étude théorique des micro-résonateurs piézoélectriques à travers une modélisation électrique d’une part, et, d’autre part, la description des procédés de fabrication réalisés en salle blanche du laboratoire d’XLIM. / The acoustic waves, theoretically demonstrated in 1885 by the English scientist Lord Rayleigh, are nowadays an interesting research subject. It became essential to the fabrication of miniature and efficient systems of telecommunication, such as filters, oscillators or sensors. Devices using the acoustic waves are known as piezoelectric devices, because they transform RF signal into acoustic waves, and vice versa, thanks to the direct piezoelectric phenomenon. The development of these piezoelectric devices was essential to meet the particular and extreme requirements of the current systems of telecommunication (selectivity, miniaturization, low cost, ease of manufacturing and integration). This thesis is part of a global approach to develop the piezoelectric devices, notably the piezoelectric micro-resonators which constitute the latest generation. Two main axes have been developed during the research work: the theoretical study of piezoelectric micro-resonators through an electric modelling, on one hand, and, on the other hand, the description of the manufacturing processes accomplished in clean room of XLIM’s laboratory.

Actuellement, l’immense majorité des aimants supraconducteurs, notamment d’IRM, sont refroidis par un bain d’hélium liquide à pression atmosphérique. Néanmoins, ce type de refroidissement est onéreux et impose des contraintes sécuritaires importantes pour les grands volumes. Pour ces raisons, le refroidissement des aimants supraconducteurs est souhaitable sans l’hélium liquide. L’utilisation de cryogénérateur permet de refroidir par conduction solide jusqu’à 4 K et ainsi supprimer l’hélium liquide. Néanmoins, les faibles puissances disponibles combiner aux difficultés de mise en œuvre de ce type de refroidissement rendent difficile l’utilisation dans ces conditions du NbTi. En revanche à 10 K, la puissance des cryogénérateurs augmente d’un facteur 10, mais l’utilisation d’un supraconducteur à haute température critique est alors nécessaire. Notre choix s’est porté sur les conducteurs MgB2 R & W qui ont l’avantage d’être relativement économique à mettre en œuvre, mais qui ont, en revanche, le défaut d’être sensible à la déformation. Il est donc nécessaire d’être soigneux lors de leurs bobinages pour ne pas dégrader leurs performances supraconductrices. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un insert froid refroidis par conduction solide permettant de mesurer le courant critique des conducteurs MgB2 R & W ainsi que des maquettes. Pour ce faire, un nouveau type de contact thermique à base de nitrure d’aluminium a été développé. En complément, nous avons conçu deux maquettes d’aimant MgB2 R & W : un solénoïde et une double galette. Cette dernière a été fabriquée (grâce à une nouvelle méthode de bobinage brevetée) et testée avec succès. / Currently, the majority of superconducting magnets, including MRI, are cooled by a bath of liquid helium at atmospheric pressure. Nevertheless, this type of cooling is expensive and imposes significant security constraints for large volumes. For these reasons, the cooling of superconducting magnets is desirable without liquid helium. Cryocooler provides dry cooling to 4 K without any liquid helium. However, the power available is low and dry cooling is difficult. In these conditions, it is complicate to use NbTi with dry cooling. But if we increase the operating temperature to 10 K, the power of cryocooler increases by a factor of ten. Nevertheless in this case, it is necessary to use of a high critical temperature superconductor. We choose to use MgB2 R & W conductors because it is relatively low cost but it has the handicap to be sensible at mechanical stress. It is therefore necessary to be careful during their winding to not degrade their superconducting performance. As part of this thesis, we have developed a dry test facility to measure the critical current of MgB2 R & W conductors as well as mock-ups. To do this, a new type of thermal contact based on aluminum nitride has been developed. In addition to this development, we designed two MgB2 R & W magnet mock-ups: a solenoid and a double pancake. The double pancake was manufactured (with a new patented winding method) and it has been successfully tested.

Un procédé de synthèse de dépôts nanostructurés de céramiques à bases d’aluminium au sein de composites carbone/carbone (C/C) est développé. Il consiste à synthétiser à partir de précurseurs dissout en solution aqueuse des nano-particules de morphologies variées. La maîtrise du procédé se déroule en deux étapes. Dans un premier temps une étude sur substrat plan permet de saisir les points clés du procédé, puis l’adaptation de la synthèse au sein d’un échantillon massif permet le changement d’échelle à des échantillons fibreux. Quatre gammes d’éprouvettes de matériaux densifiés sont ainsi élaborées. La caractérisation des matériaux permet de prouver la bonne cohésion de ceux-ci et de mesurer plusieurs propriétés mécaniques et structurales.En complément plusieurs interfaces carbone|alumine ou nitrure d’aluminium sont simulées par une approche de dynamique moléculaire ab initio. La méthode choisie pour générer les modèles consiste à simuler la trempe d’un carbone amorphe à haute température sur une surface céramique immobile, puis de relaxer les contraintes.Des disparités sur l’organisation structurale des nano-structures et en particulier sur l’orientation des plans de graphène générés vis-à-vis de la surface sont observées en fonction des modèles. Lorsque les plans sont plutôt perpendiculaires à la surface, l’interface est constituée de nombreuses liaisons fortes et le comportement en simulation de traction est bon, tandis que des plans parallèles entrainent une interface et un comportement faible.Enfin, la caractérisation HRTEM de certains matériaux élaborés permet d’identifier expérimentalement des interfaces semblables à celles obtenus par les modèles. / A hydrothermal-like process to introduce nano-structured alumina and aluminum nitride in carbon/carbon (C/C) composites is developped. Starting from dissolved reactants in an aqueous media,nanoparticules with various morphology are synthesised. The understanding and control of the processis completed in two steps. In the former the study on simplewafer type substrat allows to identifythe key parameters of the process. During the latter a scaling up of the process is done to allow thesynthesis in situ of C/C composites. The microstructural and some mechanical characterization ofthe four ranges of material produced is achieved.In addition several carbon|alumina and carbon|aluminumnitride are simulated using an ab initiomolecular dynamic approach. The methdology to generate the models consists in sumulating theliquid quench of a high temperature amorphous carbon inbetween fixed ceramic surface, then torelease the constrains. Depending on the system, different organisations of the nano-carbons withinthe surfaces are identified : when the graphene sheets are pependicular to the surface, the modelshows an important number of strong bonds and the simulation traction behavior is good, whereaswhen they are parallel to the surface it leads to weak interface and mechanical behavior.Finally HRMET charasterization of some of the materials produced allows to identify experimentalinterfaces alike to those obtained during themolecular dynamic simulations.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

L'objectif de cette thèse est la conception d'un capteur de pression à ondes de surface utilisant le nitrure d'aluminium (AlN). Les études théoriques, la réalisation et la caractérisation du capteur de pression sur différentes structures à ondes de surface sont présentées. La modélisation du capteur est effectuée en utilisant un circuit équivalent basé sur le modèle de Mason et la méthode des modes couplés. Les paramètres des ondes de surfaces sont obtenus par calcul et analysés pour différentes structures telles que AlN/SiO2/Si, AlN/Si et AlN/Mo/Si. A partir de ces analyses, nous avons montré que la vitesse des ondes ainsi que le facteur de couplage peuvent dépendre du milieu de propagation. Pour chaque type de structure utilisant l'AlN, nous déterminons la plage d'épaisseur de la couche d'AlN pour laquelle la vitesse des ondes et le facteur de couplage présentent une faible dépendance au regard de l'épaisseur d'AlN. Les dispositifs à ondes de surface doivent être conçus, en particulier pour le choix des épaisseurs de différentes couches, en tenant compte de la précision du procédé de fabrication, afin de réduire les dispersions de caractéristiques des capteurs. En outre, nous avons analysé le comportement mécanique de la membrane en présence d'une pression et nous en avons déduit la sensibilité du capteur. Les effets des variations de température sur une structure à ondes de surface (SAW) sont étudiés. Pour des applications dans le domaine de la mesure de pressions, nous proposons une méthode de réduction des effets des variations de température. Pour le précédé de fabrication, nous proposons d'utiliser le micro-usinage de surface. Ce type de procédé de fabrication permet d'obtenir exactement les dimensions des membranes utilisées dans les capteurs de pression et il permet aussi de réaliser tout type de géométrie grâce au procédé d'arrêt de gravure du silicium. Les films de nitrure d'aluminium sont caractérisés au cours de la fabrication. Nous avons trouvé que pour améliorer le comportement piézoélectrique de l'AlN, trois voies sont possibles : utiliser une couche de molybdène sous l'AlN, réduire la rugosité de la couche se trouvant sous l'AlN jusqu'à 0,2 nm et augmenter l'épaisseur de l'AlN. Les pertes acoustiques de propagation, le facteur de couplage, l'effet d'une couche de Mo et l'effet du film mince de polyimide sur la fréquence centrale sont analysés expérimentalement. En conclusion, la sensibilité de pression mesurée de notre dispositif est présentée. Ce dernier résultat est très prometteur.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.