L'objectif de cette thèse a consisté à étudier différentes topologies d’oscillateur à faible bruit de phase et de synthèses de fréquence à 4.6 GHz pour une application de la micro-horloge atomique au Césium. Nous avons étudié 7 topologies d'oscillateur à 2,1 GHz (à base du résonateur BAW utilisant la filière technologie 0.25μm SiGe:C BiCMOS de chez STMicroelectronics) à faible bruit de phase présentant des performances à l’état de l’art pour certaines topologies. Une comparaison expérimentale de ces différentes topologies a confirmé les résultats théoriques. En particulier, les résultats expérimentaux ont montré que la topologie différentielle possède de meilleures performances en bruit de phase et qu'elle est moins sensible aux bruits provenant des alimentations comparées aux topologies single-ended. Enfin, une topologie Double-Colpitts-Différentiel a été proposée. Elle a permis d'obtenir théoriquement des performances en bruit de phase, en encombrement au delà de l'état de l'art. Différentes architectures des synthèses de fréquence à 4,6 GHz ont été étudiées. Nous avons réalisé une synthèse de fréquence utilisant un circuit DDS piloté par un FPGA. Pour obtenir de bonnes performances au niveau de la pureté du spectre, différents circuits commerciaux constituant cette synthèse de fréquence ont été caractérisés finement. Finalement, l’architecture proposée a été utilisée au sein d'un dispositif complet de micro-horloge de césium. Nous avons obtenu un signal verrouillé présentant une stabilité de 2.5 10 – 9 à 1seconde. / The objective of this thesis is to study different topologies of low phase noise oscillator as well as a frequency synthesizer at 4.6 GHz for the application of Cs vapor microcell atomic clock. We have studied 7 topologies of low-phase-noise oscillators combined with BAW resonator and 0.25μm SiGe:C BiCMOS Technology from ST Microroelectronics at 2.1 GHz, which present the stat of the art performances. An experimental comparison of these different topologies confirmed the theoretical results. In particular, experimental results showed that the differential topology has better performance in phase noise and is less sensitive to the noise from power supply compared to the single-ended topologies. Finally, a Double-differential-Colpitts topology was proposed, because it was theoretically possible to obtain performance beyond the state of the art in phase noise and in size. Different architectures of frequency synthesizer at 4.6 GHz were studied. We have realized a frequency synthesizer in which a DDS controlled by a FPGA was used. To get good performance in terms of purity of the spectrum, different commercial circuits constituting the frequency synthesis were finely characterized. Finally, the proposed architecture has been used within a completed Cs vapor microcell atomic clock. We got a signal locked with a stability of 2.5 10 – 9 at 1second.

Les composants passifs électro-acoustiques sont des éléments critiques des architectures RF. Les plus représentés sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) ou de volume (BAW), qui permettent le filtrage RF (filtre d’antenne). Pour le filtrage de canal, les solutions SAW sont actuellement en place, bien que des travaux récents aient montré l’intérêt des résonateurs à ondes de Lamb pour ce type d’application. Ces derniers composants présentent l’avantage d’être compatibles avec une technologie de fabrication de filtres BAW réalisés sur membrane suspendue (FBAR), permettant une co-intégration des deux types de composants à moindre coût. Toutefois, le choix technologique de STMicroelectronics et du CEA-Leti s’est porté sur une technologie de résonateurs BAW réalisés sur miroir de Bragg (SMR). Le but de cette thèse est donc de démontrer la possibilité de réaliser des résonateurs reprenant le principe des résonateurs à ondes de Lamb, mais co-intégrables avec des BAW-SMR. Après une présentation de l’état des lieux des composants électromécaniques utilisés dans les architectures RF et des diverses propositions de dispositifs semblables présentes dans la littérature, nous abordons une étude théorique du principe de fonctionnement de ce type de composants, ce qui nous permet d’en cerner les caractéristiques : coefficientsde couplage électromécaniques proches de ceux des résonateurs à ondes de Lamb, mais fonctionnement à des fréquences proches de celles des résonateurs BAW. Nous présentons ensuite les méthodes de dimensionnement employées. Enfin, nous présentons un procédé de réalisation proche de celui des BAWSMR fabriqués au CEA-Leti, mais adapté à nos composants. A l’issue de caractérisations électriques, nous sommes en mesure de présenter les premiers composants de ce type fonctionnels, et une liste d’améliorations possibles. Ces travaux ont permis des publications dans quatre conférences dont trois internationales, un journal, un dépôt de brevet d’invention et deux publications internes au laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. / Passive acoustic devices are enabling elements for RF architectures. Aside from the well known surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) filters used for RF filtering, Lamb wave devices have recently been seen as an alternative to SAW devices currently used also for intermediate frequency filtering. These resonators are compatible with a membrane-based BAW technology (FBAR) and could thus be co-integrated with them with no additional cost. However, STMicroelectronics and CEALeti have focused their developments around BAW resonators using a Bragg mirror for acoustic isolation (SMR). Therefore, the aim of this work is to demonstrate the possibility of fabricating resonators close to Lamb wave resonators, but technologically compatible with a BAW-SMR technology. After reviewing the applications of electromechanical resonators in RF architectures and the proposals for the kind of resonators we are investigating available in the literature, we start with a theoretical investigation of these devices. This enables us to determine basic characteristics of these resonators: electromechanical coupling factors close to Lamb wave devices, but operation at frequencies close to BAW resonators. Then, we describe the design of demonstrators. Finally, we describe a fabrication process, similar to BAW-SMR fabrication process, which has provided to date the first operating devices using this principle. Electrical characterizations show that the fabricated resonators are functional, and we discuss possible improvements.This work led to publications in four conferences, (three international conferences), a paper, a patent and two internal publications at IEMN-STMicroelectronics common laboratory.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’institut FEMTO-ST à Besançon en France et l’université de Sherbrooke au Canada. Elle porte sur l’élaboration d’un biocapteur, potentiellement à bas coût, pour la détection de pathogènes dans les secteurs de l’agroalimentaire, de l’environnement et de la biosécurité. Le modèle biologique visé est la bactérie Escherichia coli, dont les souches pathogènes sont responsables, chaque année et partout dans le monde, de plusieurs crises sanitaires liées à une mauvaise gestion des produits de consommation ou des installations de conditionnement ou de traitements de ces produits. L’utilisation de biocapteurs pour une détection rapide, sensible et sélective d’organismes pathogènes répond ainsi aux inquiétudes quant aux risques d’infection pour la population. La structure du capteur consiste en une fine membrane en arséniure de gallium (GaAs) vibrant sur des modes de cisaillement d’épaisseur générés par champ électrique latéral via les propriétés piézoélectriques du matériau. Nous montrons dans ce travail que le biocapteur offre également des possibilités de microfabrication, de biofonctionnalisation et de régénération intéressantes pour la conception d’un dispositif à bas coût. Le transducteur a été réalisé via des technologies de microfabrication utilisées en salle blanche avec une mise en parallèle des méthodes d’usinage par voie chimique et par plasma, l’objectif étant d’obtenir des membranes minces, planes et avec un état de surface de haute qualité. Une interface fluidique a été mise au point de façon à approvisionner de manière homogène le capteur en fluide. Par ailleurs, nos études se sont portées sur la fonctionnalisation biochimique de l’interface de bioreconnaissance sur l’arséniure de gallium et sa caractérisation fine par les techniques de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les résultats de cette étude ont permis de progresser sur la compréhension fondamentale du phénomène d’auto-assemblage de molécules sur GaAs. Un effort particulier a été mis en œuvre pour développer des biointerfaces de haute densité offrant une immobilisation optimale des immunorécepteurs biologiques. Parmi les différentes méthodes de régénération de la biointerface, le procédé de photo-oxydation UV en milieu liquide a démontré un fort potentiel pour des applications de capteurs réutilisables. Enfin, le transducteur a été caractérisé électriquement sous différents environnements. L’impact sur la réponse du résonateur des paramètres électriques, mécaniques et thermiques de ces milieux a été évalué afin de simuler le comportement du dispositif en condition réelle. / Abstract : This PhD thesis was realized in the context of a cotutelle program between FEMTO-ST institute in France and the University of Sherbrooke in Canada. The thesis addresses the development of a potentially low cost sensor dedicated for detection of pathogens in food industry processing, environment and biosafety sectors. Such a sensor could serve detection of Escherichia coli bacteria whose pathogenic strains are the source of foodborne illnesses encountered worldwide every year. Hence, biosensor devices are needed for a rapid, sensitive and selective detection of pathogens to avert, as soon as possible, any sources of contamination and prevent outbreak risks. The design of the sensor consists of a resonant membrane fabricated in gallium arsenide (GaAs) crystal that operates at shear modes of bulk acoustic waves generated by lateral field excitation. In addition to the attractive piezoelectric properties, as shown in this work, fabrication of a GaAs-based biosensor benefits from a well-developed technology of microfabrication of GaAs, as well as biofunctionalization and the possibility of regeneration that should result in cost savings of used devices. The transducer element was fabricated by using typical clean room microfabrication techniques. Plasma and wet etching were investigated and compared for achieving thin membranes with high quality surface morphology. At the same time, we designed and fabricated fluidic elements that allowed the construction of a flow cell chamber integrated in the sensor. Extensive research was carried out with a Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) diagnostic tool to determine optimum conditions for biofunctionalization of the GaAs surface. This activity allowed to advance the fundamental knowledge of self-assembly formation and, consequently, fabrication of high density biointerfaces for efficient immobilization of selected bioreceptors. Among different biochip regeneration methods, it has been demonstrated that liquid UV photooxidation (liquid-UVPO) has a great potential to deliver attractive surfaces for re-usable biochips. Finally, operation of the transducer device was evaluated in air environment and in various liquid media, simulating real conditions for detection.

Cette thèse porte sur l'élaboration d'un biocapteur, à bas coût, pour la détection de pathogènes dans les secteurs de l'agroalimentaire et de l'environnement. Le modèle visé est la bactérie Escherichia coli, dont les souches pathogènes sont responsables, chaque année, de plusieurs crises sanitaires. L'utilisation de biocapteurs pour une détection rapide, sensible et sélective de pathogènes répond ainsi aux inquiétudes quant aux risques d'infection pour la population. Le capteur est constitué d'une fine membrane en arsénieure de gallium (GaAs) vibrant sur des modes de cisaillement d'épaisseur générés par champ électrique latéral via ses propriétés piézoélectriques. Nous montrons dans ce travail que la GaAs offre des possibilités de microfabrication, de biofonctionnalisation et de régénération intéressantes pour la conception d'un dispositif à bas coût. Nous avons mis en parallèle deux méthodes d'usinage de membranes minces : par voie chimique et par plasma, avec pour objectif, l'obtention de structures planes et lisse. Nous nous sommes intéressés à la réalisation d'une interface de bioreconnaissance. La caractérisation de celle-ci, par les techniques de spectroscope infrarouge à transformée de Fourier, nous a fait progresser sur a compréhension du phénomène d'auto-assemblage de molécules sur GaAs et nous a permis de développer des interfaces à haute densité. Nous avons étudié sa régénération et la photo-oxydation par UV a démontré un fort potentiel pour des applications de capteurs réutilisables. Enfin à travers des caractérisations électriques du transducteur, nous avons mis en avant l'impact de différents paramètres de l'environnement sur la réponse du dispositif. / This thesis addresses the development of a potentially low cost sensor dedicated for detection of pathogens in food industry processing and environment sectors. Such a sensor could serve detection of Escherichia coli bacteria whose pathogenic strains are the source of foodborne illnesses encountered worldwide every year. Hence, biosensor devices are needed for a rapid, sensitive and selective detection of pathogens to prevent outbreak risks. The design of the sensor consists of a resonant membrane fabricated in gallium arsenide (GaAs) crystal that operates at shear modes of bulk acoustic waves generated by lateral field excitation. In addition to its piezoelectric properties, as shown in this work, fabrication of a GaAs-based biosensor benefits from a well-developed technology of microfabrication and biofunctionalization and the possibility of regeneration that should result in cost savings of used devices. The transducer was fabricated by using typical clean room fabrication techniques. Plasma and wet etching were investigated and compared for achieving thin membranes with high quality surface morphology. Extensive research was carried out by Fourier transform infrared spectroscopy to determine optimum conditions for biofunctionalization of the GaAs surface. This activity allowed to advance the fundamental knowledge of self-assembly formation and, consequently, fabrication of high density biointerfaces. Among different biochip regeneration methods, it has been demonstrated that liquid UV photooxidation has a great potential for re-usable devices. Finally, operation of the transducer device was evaluated in various medium, simulating real conditions for detection.

Les systèmes publics de santé nécessitent des capteurs miniaturisés pour l'amélioration des diagnostics médicaux. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de simuler, réaliser et caractériser des résonateurs à ondes acoustiques de volume à base de couches minces, vibrant en mode de cisaillement à 800 MHz et montés sur miroir acoustique (SMR), et de démontrer leur capacité à fonctionner comme capteurs gravimétriques en milieu liquide.<br /><br />Trois procédés de dépôt par pulvérisation de couches de ZnO à axe c incliné ont été développés. De telles couches sont nécessaires pour l'excitation d'ondes de cisaillement et essentielles pour un fonctionnement en milieu liquide. Des inclinaisons jusqu'à 16° ont été obtenues avec une incidence oblique des particules en utilisant des caches additionnels. Des couches homogènes ont été déposées sur la surface entière d'un wafer 4“. Des outils de simulation et de caractérisation ont permis d'optimiser les SMRs, améliorant le coefficient de couplage de 0.012 à 0.149 et le facteur de qualité de 3.5 à 230. Leur application dans des solutions de glycérol a montré qu'ils se prêtent à la détection gravimétrique et comme viscosimètres. Des mesures de liaisons anticorps-antigènes en milieu liquide ont été réalisées avec succès. Comparées à des microbalances à quartz vibrant à 10 MHz, la sensibilité est 1000 fois plus grande et la résolution est 4 fois meilleure.<br /><br />Les SMRs sont hautement sensibles, peuvent être intégrés à des systèmes électroniques, et permettent des mesures quantitatives avec de bonnes résolutions. Ces nanobalances à couche piézoélectrique pourront former le noyau de systèmes portables et bon marché pour le diagnostic médical.