Ce travail de thèse traite de la propagation des ondes élastiques dans les milieux granulaires<br />denses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, les<br />propriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dans<br />un tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagation<br />linéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusion<br />multiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aide<br />des ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,<br />l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (< 0,1%)<br />et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulaires<br />secs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.<br />Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans les<br />milieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienne<br />réversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons un<br />résultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux non<br />linéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique du<br />matériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains.

Le codage spectral Ultra Large Bande (ULB) appliqué aux dispositifs `a ondes élastiques de surface(SAW), exploit ´es comme capteurs passifs interrogeables par liaison radio fréquence, augmente lenombre de données stockées et échangées, et améliore la résolution sur la mesure. L’approcheproposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz − 2.5 GHzréglementée par la norme de communication radio fréquence américaine, après prototypage dansune bande de fréquences plus basses de 200 MHz − 400 MHz. La puissance autorisée sur cettepremière bande est de −41.3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d’insertion del’ordre de 30 dB, la distance d’interrogation établie par application de l’ équation du RADAR estthéoriquement limitée `a environ 1 m. Afin d’avoir la portée la plus grande possible, nous avonsétudié plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence,pour limiter les pertes d’insertion. A l’aide d’un lecteur embarqué, nous avons réalisé des mesuresen température sans fils simultanées de trois capteurs, apportant une solution au problème decollision. La résolution en température atteinte est de 0.1 _C pour une distance de mesure de 20 cm.Nous montrons que la communication ULB est aussi une solution pour l’interrogation sans fils enmilieux réflectifs aux ondes radio fréquences. `A l’aide d’un synthétiseur de fonction arbitraire et d’unoscilloscope, nous montrons expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur lesdispositifs SAW LFM et qu’il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal surbruit. / Applying Ultra Wide Band (UWB) spectral coding to surface acoustic wave (SAW) devices, usedas passive sensors interrogated through a radio frequency link, increases the number of stored andexchanged data and improves the measurement resolution. The proposed approach is to design SAWUWB devices in the frequency band of 2 GHz − 2.5 GHz complying with the American radio frequencycommunication standards after prototyping them in the lower 200 MHz − 400 MHz frequency band.The authorized emitted power is −41.3 dBm/MHz: for a SAW device exhibiting insertion losses ofabout 30 dB, the interrogation distance determined by the RADAR equation adapted to SAW devicesis theoretically limited to 1 m. In order to improve the reading distance, we investigated severalarchitectures as standard SAW devices and as linear frequency modulated (LFM) devices, in order toreduce insertion losses. Using an embedded SAW reader, we simultaneously measured temperatureon three sensors, showing a solution to the problem of collision. The temperature resolution reachedwas 0.1 C for a reading distance of 20 cm. We show that the UWB communication is also a solutionfor communications in radio frequency wave reflective environment. Using a arbitrary waveformgenerator and an oscilloscope, we also show experimentally, that time reversal works on LFM SAWdevices, with the response signal to noise ratio improved by the processing gain

La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protectiondes personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils desimulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outilstechnologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportantdes réponses à ces problématiques. Ces derniers fondés sur les propriétés des ondes de Love ont ainsi permis ladétection du monoxyde de carbone dans la gamme du ppm. De même, la mesure de concentration d’hydrogènede l’ordre du pourcent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh. Les effortsfournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard surquartz affchant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à30 dB sur quartz, augmente les potentialités de nos capteurs en terme d’autonomie et de fonctionnalisation desurface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente, à notre sens,la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhensionde ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein denotre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfacessensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal directdes dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Lepotentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeusea pu être établi sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse. Dans la continuité decette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY) visant le contrôle de la qualité de l’air en milieuurbain ont d’ors et déjà été engagés. / The detection of hazardous gas is a topical issue for the protection of persons. Besides, it represents a challenge linked to the storage of renewable energy. Simulation tools developed within the Time and Frequency Department attached to the FEMTO-ST Institute together with technological facilities available at MIMENTO center have enabled the development of SAW sensors providing answers to these issues. These Love wave’sbased sensors properties have enabled the detection of carbon monoxide in the ppm range. Similarly, hydrogen concentrations of the percent order has been measured by mean of Rayleigh wave’s based sensors. The efforts to optimize electro-acoustic devices have led to achieve delay lines built on quartz with insertion losses of 16 dB.Usually around 25 dB to 30 dB, the reduction of the insertion losses improves the potential of these sensorsin terms of autonomy and surface functionalization. Knowledge of the physical phenomena governing theoperation of these sensors represent the basis of their future development. Thus, different characterization and analysis techniques available in our institute have been carried out to reveal these phenomena. From there, the functionalization of sensor’s sensitives surfaces with metallic alloys and implementation of a chip separation method limiting the disturbance of the direct signal of the electro-acoustic devices, have been explored to improve the performance of the sensors. Based on the experimental results obtained in this thesis, the potential of elastic guided wave’s sensors applied to the detection of chemical quantities in gas phase can be established.In continuation of this study, two projects (P-AIR and SMARTY) dedicated to the control of the urban air quality have already been engaged.

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.

Cette thèse traite des modes de Lamb à vitesse de groupe nulle. Ces modes singuliers, pour lesquels la vitesse de groupe est nulle et la vitesse de phase finie, donnent lieu à des résonances locales étroites aux propriétés très intéressantes. Leur fréquence dépend de l'épaisseur et des propriétés mécaniques de la plaque, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes en contrôle non destructif (CND). Les propriétés de ces modes ont d'abord été rappelées. L'étude expérimentale a été menée en utilisant un dispositif optique sans contact comprenant un laser source impulsionnel et une sonde interférométrique, pour la génération et la détection de ces modes. Les résonances ont été utilisées pour déterminer l'épaisseur et les constantes élastiques de plaques et d'un tube anisotrope. Ensuite, la résolution latérale de la mesure d'épaisseur a été étudiée. L'influence du bord de la plaque a été explorée : une transition abrupte entre la première résonance ZGV et la résonance de bord a été observée à la distance d'une épaisseur du bord. L'effet sur les résonances ZGV du dépôt d'une couche mince a alors été étudié numériquement, permettant ainsi la mesure de l'épaisseur de couches d'or de quelques centaines de nanomètres déposées sur un substrat millimétrique. Pour finir, le rôle des pertes a été examiné dans deux cas distincts, l'atténuation intrinsèque et le rayonnement dans un fluide en contact sur une face.