Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour but de conduire à la réalisation de capteurs et de filtres à ondes élastiques de surface (SAW) innovants, passifs et sans fil, dédiés à une utilisation en environnement sévère. Différentes structures de composants SAW sont alors étudiées. Les caractéristiques générales, telles que les pertes d’insertion ou les bandes passantes relatives atteignables, des structures usuelles (résonateurs, lignes à retard, LCRF, filtres en échelle…) sont connues de l’homme de l’art. Cependant, pour concevoir un dispositif SAW qui respecte les critères d’un cahier des charges donné, il est impératif de définir le comportement spécifique de chaque dispositif avant son envoi en production.Pour ce faire, des modèles numériques sont développés, qui incluent à la fois la possibilité d’analyser le comportement de systèmes à la géométrie complexe (filtres en échelles, transducteurs apodisés) et qui prennent en compte la présence de phénomènes perturbateurs (modes transverses, pertes liées à la nature des matériaux). La comparaison entre les calculs numériques et les mesures a mis en avant l’adéquation des résultats expérimentaux et de calculs.La mise en place de ces outils permet le développement de capteurs et filtres SAW innovants grâce à une analyse numérique rapide et fiable de leur comportement.Ainsi, l’étude de résonateurs et capteurs dédiés à une utilisation à des températures excédant les 700°C est menée. Il est démontré qu’en dépit de son inhomogénéité, le Ba2TiSi2O8 est un matériau adapté à la réalisation de SAW soumis à des températures élevées pour des fréquences de l’ordre de 300 MHz jusqu’au GHz.Par ailleurs, une structure disposant d’un transducteur à trois doigts par longueur d’ondes est utilisée dans le but de réaliser des résonateurs insensibles aux effets de la directivité lorsque la température évolue. Cette même configuration a mis en exergue la possibilité de réaliser des capteurs n’utilisant qu’un seul résonateur (contre au moins deux jusqu’à présent). Ce dernier point permet de limiter l’encombrement des composants et résout la problématique du vieillissement différentiel des structures.Un second type de capteurs, passifs et sans fil, fondés sur l’utilisation d’un seul SAW et dédiés à la mesure d’hygrométrie, a été étudié. Dans cette nouvelle configuration, un SAW de type LCRF est utilisé comme transpondeur et la zone sensible est externalisée. La sensibilité des modes (de plus d’un MHz) à la variation d’un élément capacitif ou d’une antenne dipôle a été mise en avant numériquement. En pratique, la fabrication des dispositifs a montré une variation différentielle de plusieurs centaines de kHz des résonances selon la condition électrique appliquée à l’un des ports.Finalement, des filtres, dédiés aux applications stratégiques, agiles en fréquence sont réalisés. L’objectif de faire varier la fréquence centrale des dispositifs au cours de leur fonctionnement est atteinte en modifiant les conditions électriques appliquées aux réflecteurs. Deux types de tirage en fréquence sont observés : un glissement fin, de quelques ‰ de la fréquence centrale, cyclique, et un saut de fréquences lié au glissement et à l’ouverture de la bande de Bragg des miroirs aux hautes fréquences. La fabrication des structures et leur connexion à des interrupteurs MEMS validé la faisabilité de la structure.Ces travaux mettent en lumière les capacités de prédiction du comportement des structures SAW grâce au développement de logiciels dédiés. De plus, l’étude et la réalisation de filtres et capteurs innovants ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. / This thesis aims at designing innovative, passive and wireless surface acoustic waves (SAW) sensors and filters, dedicated to harsh environments. Several types of SAW components are consequently studied. The main characteristics, such as insertion losses or relative bandwidth, of usual structures (resonators, delay lines, LCRF, ladder filters…) are known by men of the art. However, to design a SAW device that respects specific requirements, the definition of the proper behavior of each device must be established before the manufacturing.For this purpose, numerical models are developed. Not only they include the possibility to analyse he beha-vior of systems with complex geometry (ladder filters, apodised transducers) but they take into account disturbing phenomena (transverse modes, losses due to the intrinsic nature of the materials). The comparison between computations and measures points out the match between experimental results and calculations.The implementation of these tools allows the development of innovative SAW sensors and filters thanks to a fast and reliable numerical analysis of their behavior.Thus, the design of resonators and sensors dedicated to a use at temperatures exceeding 700°C is studied. It is demonstrated that despite its inhomogeneity, Ba2TiSi2O8 is suitable for the manufacturing of SAW devices subject to high temperatures and in a frequency range from 300 MHz to the GHz.Furthermore, a structure composed of a three electrodes per wavelength transducer is used to produce re-sonators that are not subject to directivity effects when the temperature changes. This configuration offers the possibility to design sensors that use a single resonator (versus at least two until now). This last point makes smaller components possible and solves the question of a differential aging of the structures.A second type of sensors, also passive and wireless, dedicated to humidity measurements, based on the use of a single SAW, is studied. In this new configuration, a LCRF is used as a transponder and the sensitive area is outsourced. The mode sensitivity (of more than a MHz) to the variation of a capacitance or a dipole antenna is numerically brought to light. In practice, the device manufacturing showed a differential variation of the resonances of about 600 kHz depending on the electric condition applied to one of the ports.Finally, filters, dedicated to strategic applications, with frequency agility are designed. The purpose is to make the frequency vary depending on the electrical conditions applied to the mirrors. Two kinds of agility are identified : a slight sliding, of a few ‰ of the initial central frequency, periodic, and a frequency jump due to the shift of the Bragg band to the high frequencies. The manufacturing of some structures and their connection to MEMS switches attest the feasibility of such a structure.This work highlights the ability to predict the behavior of SAW structures thanks to the development of dedicated software. Moreover, the analysis and the manufacturing of innovative sensors and filters pave the way to new functionalities.

Le but de ce travail de thèse est d’étudier les moyens de lithographie haute résolution pour la fabrication de résonateurs à ondes élastiques de surface, et de l’illustrer à travers la réalisation de sources de fréquences fonctionnant au-delà du GigaHertz. Dans un premier temps nous abordons les différents dispositifs fondés sur les ondes élastiques de surface puis les sources de fréquence (instabilités caractéristiques) et fixons les objectifs de l’étude au travers notamment d’un état de l’art. Dans un second temps, nous présentons les moyens de lithographie étudiés dans le cadre de ce travail, à savoir la lithographie électronique, la gravure par faisceau d’ions focalisés, la lithographie UV par projection et la lithographie par nano-impression. Pour chacune d’entre elles, nous détaillons le principe de fonctionnement et montrons, notamment grâce à des simulations, leur intérêt et leurs limitations. Ensuite, nous présentons la fabrication et la caractérisation de résonateurs sur différents types de substrats ayant des propriétés innovantes par rapport à nos applications. Le PZT élaboré par épitaxie, présentant des coefficients de couplage élevés (plusieurs pourcents) couplés à une granulométrie fine et une orientation cristalline selon l’axe 001. Le diamant, qui permet d’atteindre des vitesses de phase de l’ordre de 10000 m.s-1, soit une vitesse deux fois supérieure à celles des ondes transverses sur substrat de quartz, quartz que nous avons également étudié afin de rechercher de nouveaux points de fonctionnement à haute fréquence. Pour chaque matériau, nous identifions un ou plusieurs moyen(s) de lithographie qui nous permettent de fabriquer les résonateurs. Les étapes de conception, de fabrication et de caractérisation sont décrites en détail. La dernière partie du manuscrit consiste à exposer les caractéristiques des oscillateurs fondés sur les résonateurs à haut produit Qf ainsi fabriqués (Qf > 5.1012). Nous reportons les résultats obtenus à des fréquences de 1,5 GHz (sur quartz) et à 3 GHz (sur diamant nanocristallin). Le bruit de phase à 10 kHz de la porteuse est compris entre -100 et -110 dBc.Hz-1, et le bruit plancher est de -160 dBc.Hz-1. Nous concluons en donnant des pistes afin d’améliorer ces caractéristiques / The purpose of this thesis is to study high-resolution lithography for the fabrication of surface acoustic wave resonators, and to illustrate this technology through the realization of frequency sources operating beyond the Gigahertz. At first, we detail several devices based on surface acoustic waves and frequency sources (instability characteristics) and set the goals of the study in particular through a state of the art. In a second step, we present the lithography methods studied in this work : electron beam lithography, focused ion beam, UV lithography (stepper) and nano-imprint lithography. For each, we detail the operating principle and show, in particular through simulations, their interest and limitations. Then, we present the fabrication and characterization of resonators on different types of substrates with innovative properties compared to our applications. The epitaxial PZT exhibits high coupling coefficients (several percent) coupled with a fine particle size and crystal orientation along the axis 001. The diamond, which achieves phase velocities of about 10000 m.s-1, twice higher than those of STW waves on quartz substrate, quartz that we have also studied in order to search new operating points at high frequency. For each material, we identify one or more lithography methods that allow to manufacture the resonators. Design, fabrication and characterization steps are described in detail. The last part of the manuscript describes the characteristics of oscillators based on high Qf resonators (Qf > 5.1012). We report the results for operating frequencies of 1.5 GHz (on quartz) and 3 GHz (on nanocrystalline diamond). The phase noise at 10 kHz from the carrier is between -100 and -110 dBc.Hz-1, and the noise floor is -160 dBc.Hz-1. We conclude by giving ideas to improve these characteristics

Ce mémoire présente l'étude et la conception d'électroniques d'interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d'ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L'objectif consiste à réaliser une électronique d'interrogation capable de sonder la réponse d'un résonateur SAW au travers d'une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. Les résonateurs dans la bande ISM centrée en 433,92 MHz sont développés dans le cadre du projet SAWHOT pour de la mesure haute température (650 oC). Les résonateurs à onde élastique emmagasinent de l'énergie sous forme d'onde élastique lorsqu'ils sont stimulés par un signal radio-fréquence à la fréquence de résonance. Celle-ci est restituée à la fin de son excitation. Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l'analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s'inspirant de l'architecture d'un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d'interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l'interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d'émission et de réception. Cette électronique est construite autour d'un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dans le but d'interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps, à l'isolation nécessaire et à l'accès à l'étage de réception d'un radio-modem nécessittent une étude préalable approfondie. L'algorithme développé pour ce composant a nécessité l'utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d'un capteur différentiel bi-résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température à 1 oC et de communiquer le résultat au travers d'une liaison numérique sans fil.

Le but de ce travail de thèse est d'étudier les moyens de lithographie haute résolution pour la fabrication de résonateurs à ondes élastiques de surface, et de l'illustrer à travers la réalisation de sources de fréquences fonctionnant au-delà du GigaHertz. Dans un premier temps nous abordons les différents dispositifs fondés sur les ondes élastiques de surface puis les sources de fréquence (instabilités caractéristiques) et fixons les objectifs de l'étude au travers notamment d'un état de l'art. Dans un second temps, nous présentons les moyens de lithographie étudiés dans le cadre de ce travail, à savoir la lithographie électronique, la gravure par faisceau d'ions focalisés, la lithographie UV par projection et la lithographie par nano-impression. Pour chacune d'entre elles, nous détaillons le principe de fonctionnement et montrons, notamment grâce à des simulations, leur intérêt et leurs limitations. Ensuite, nous présentons la fabrication et la caractérisation de résonateurs sur différents types de substrats ayant des propriétés innovantes par rapport à nos applications. Le PZT élaboré par épitaxie, présentant des coefficients de couplage élevés (plusieurs pourcents) couplés à une granulométrie fine et une orientation cristalline selon l'axe 001. Le diamant, qui permet d'atteindre des vitesses de phase de l'ordre de 10000 m.s-1, soit une vitesse deux fois supérieure à celles des ondes transverses sur substrat de quartz, quartz que nous avons également étudié afin de rechercher de nouveaux points de fonctionnement à haute fréquence. Pour chaque matériau, nous identifions un ou plusieurs moyen(s) de lithographie qui nous permettent de fabriquer les résonateurs. Les étapes de conception, de fabrication et de caractérisation sont décrites en détail. La dernière partie du manuscrit consiste à exposer les caractéristiques des oscillateurs fondés sur les résonateurs à haut produit Qf ainsi fabriqués (Qf > 5.1012). Nous reportons les résultats obtenus à des fréquences de 1,5 GHz (sur quartz) et à 3 GHz (sur diamant nanocristallin). Le bruit de phase à 10 kHz de la porteuse est compris entre -100 et -110 dBc.Hz-1, et le bruit plancher est de -160 dBc.Hz-1. Nous concluons en donnant des pistes afin d'améliorer ces caractéristiques

Les travaux visant au développement de capteurs passifs interrogeables sans fil pour sonder des températures supérieures à 600 °C s’inscrivent dans le projet européens SAWHOT. Des capteurs à ondes élastiques de surface sont modélisés, réalisés et caractérisés par une liaison radiofréquence. Le paramètre physique mesuré par ce capteur est la température, avec une mesure au-delà de 900°Cpour les applications de maintenance préventive des turbines à combustion ou pour le contrôle de procédés dans les fours de synthèse de nano-tubes de carbone. Les substrats piezoélectriques standards tels que le quartz ou le niobate de lithium ne sont pas envisageables : l’ensemble de ces travaux s’articule autour de la langasite, substrat piezoélectrique opérant jusqu’à 1470°C et ne présentant aucune température de transition (température de Curie) jusqu’à sa température de fusion située à 1470°C. Compte tenu de la vitesse des ondes élastiques de surface des coupes considérés et également des limitations imposées par les moyens de réalisations technologiques, ces résonateurs sont mesurés sans fil à une fréquence proche de la bande ISM centré en 434 MHz. Les dispositifs ainsi réalisés ont été encapsulés via une procédure innovante de mise en boîtier qui permet alors la mesure de capteurs à ondes élastiques de surface dans des environnements où la température dépasse 700°C. De nombreuses études expérimentales ont alors été menés dans le but d’évaluer les performances des capteurs à ondes élastiques de surface en terme de bilan de liaison radiofréquence, reproductible de la mesure, vieillissement au cours des cycles en températures / Development of wireless passive sensor for temperature measurement above 600°C has been performed in the frame of the European SAWHOT project. In this context, surface acoustic wave sensors have been designed, fabricated and characterized by radiofrequency measurement. Physical parameter measured by these sensors is the temperature, reaching values up to 900°C for monitoring in combustion engines andIn ovens used for carbon nano-tubes growth. In order to measure temperature in harsh environments, classical piezoelectric substrates are not usuable: langasite substrate has been considered as a favorable option since it exhibits no transition temperature and is able to operate until its exhibits no transition temperature and is able to operate until its melting temperature, at 1470 °C. regarding the parameters of the surface acoustic waves and the limitation of the fabrication process and devices, the resonators are measured wirelessly in the ISM band centered at 434 MHz (3μm of interdigital transducer period and a transducers with of 1μm). Two main manufacturing technologies are considered, stepper and nano-imprint technologies. The fabricated devices have been packaged by using an innovative process protecting the devices and allowing fir wireless measurements until 700°C. Multiple experiments have been performed in order to characterize the radiofrequency link between the reader and the sensor, the reproducibility of the measurement, the aging effect on the response of the device after high temperature cycles.

Ce mémoire présente l’étude et la conception d’électroniques d’interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d’ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L’objectif consiste à réaliser une électronique d’interrogation capable de sonder la réponse d’un résonateur SAW au travers d’une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. [...] Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l’analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s’inspirant de l’architecture d’un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d’interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l’interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d’émission et de réception. Cette électronique est construite autour d’un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dansle but d’interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps,à l’isolation nécessaire et à l’accès à l’étage de réception d’un radio-modem nécessitent une étude préalable approfondie. L’algorithme développé pour ce composant a nécessité l’utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d’un capteur différentiel bi -résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température / This report deals with the study and design of interrogation electronics for probing surface acoustic wave (SAW) transducers used as passive wireless sensors of physical quantities.The basic principle is to develop hardware aimed at probing the response of SAW resonators through a radiofrequency wireless link in order to extract a temperature information. Resonators whose operating frequency is centered on the 433.92 MHz ISM band are developed as part oft he SAWHOT project aimed at measuring high (650 oC) temperatures. SAW resonators load energy when stimulated at resonance frequency. Upon stopping emission, this power is returned as a radiofrequency signal. The presented electronic systems operate on the analysis of thepower returned by the sensor, based on a frequency-sweep network analyzer architecture. Twointerrogation units are presented. The former is based on a Direct Digital Synthesis frequency source : the flexibility of this digital approach allows for probing resonating sensors followings everal algorithms meeting various constraints including measurement speed and resolution.Sub-millisecond interrogation resonance frequency identification is compatible with probingthe response of sensors located on mobile targets such as a rotating motor axis. The achieved resolution lies in the 0.1 oC range. The latter approach aims at designing a compact readerwith a reduced number of components, including all the elements of the interrogation chain,and hence a lower power consumption. This approach is based around integrated, single chip,radiomodems : this components combines radiofrequency and digital functionalities and is diverted from its original digital communication purpose for probing SAW sensors. Timing andisolation constraints as well as accessing the analog receiver stage require a dedicated analysis of the functionalities of the various available chips[...]

Ce document présente une synthèse de mes travaux de recherche postérieurement à la thèse de doctorat. Depuis le début de mes travaux de thèse en 1992 et jusqu'au début de l'année 2000, mes recherches ont été effectuées dans le domaine du traitement optique du signal. Depuis, mes principales activités de recherche concernent le domaine de la microsonique, et plus précisément des ondes élastiques guidées ou de surface. Je présente successivement mes contributions à ces deux domaines, puis les perspectives de cette thématique de recherche, et les directions que j'entends prendre dans les années à venir. A partir de 1995, à la suite de ma thèse, j'ai poursuivi mes travaux en corrélation optique. Je me suis intéressé aux aspects théoriques de la corrélation optique, ainsi qu'à des moyens pratiques d'utiliser les solutions optimales obtenues dans les corrélateurs existants. J'ai également étudié de nouvelles applications des modulateurs spatiaux de lumière pour le traitement optique du signal, et plus particulièrement des systèmes originaux d'imagerie programmable et un capteur de front d'onde à balayage. Par la suite, je me suis intéressé au traitement des impulsions laser ultrabrèves, domaine dans lequel le contrôle de la forme temporelle des impulsions présente un intérêt considérable. J'ai étudié plus particulièrement des moyens de contrôler et de mesurer la dispersion des impulsions ultrabrèves. J'ai également mené des études sur la possibilité d'obtenir des temps de groupe superluminaux pour les ondes optiques. Dans le domaine de la microsonique, mes travaux sont orientés vers la compréhension de la propagation des ondes électro-acoustiques (liées aux milieux piézoélectriques) dans les microstructures.

Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements / In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings