Ce travail de thèse s’est porté sur le développement technologique d’un laboratoire sur puce permettant la caractérisation ultrasonore de milieux biologiques en canal microfluidique grâce à des transducteurs de ZnO fonctionnant à une fréquence centrale de 1 GHz. Ce système permet de caractériser, par la transmission d’ondes longitudinales de volume au travers de ce canal, les propriétés mécaniques du milieu sous investigation. Les ondes de volume sont guidées dans une direction parallèle à la surface du substrat grâce à l’introduction de miroirs à 45° obtenus par gravures humides. Cette thèse s’est portée plus particulièrement sur les développements technologiques des briques de base (transducteur ultrasonore en couche mince, miroirs acoustiques, canal microfluidique, lentille cylindrique) ainsi que leur intégration dans un laboratoire sur puce à base de silicium et PDMS. Ces élément ont été étudiés et optimisés afin de réussir le guidage d’ondes dans le substrat de silicium vers le canal microfluidique d’un transducteur émetteur vers un transducteur récepteur. Ce système a permis de réaliser des essais de détection de particules, des mesures de concentration de milieu de référence et également de faire des premières mesures sur des liquides biologiques grâce à l’utilisation de lentilles cylindriques obtenues par gravure plasma. / This thesis presents an acoustofluidics platform for elastic characterization of biological samples using ultra high frequency (~1GHz) ultrasonic bulk acoustic waves (BAW). Passive 45° mirror planes obtained by wet chemical etching can be used to control bulk acoustic wave to transmit in the directions parallel to the surface of the silicon wafer. Zinc oxide (ZnO) thin film transducers were deposited by radio frequency sputtering on the other side of the wafer, which act as emitter/receiver after aligned with the mirrors. A microchannel fabricated using ICP technology was inserted between 45° mirror and vertical mirrors to realize the real time biosensing applications. To validate the design and technology of the silicon and PDMS-based platform, the propagation of bulk acoustic waves through the microfluidic channel was studied. This lab-on–a-chip platform was used to characterize different concentrations of chemical solutions in the microfluidic channel and detect latex particles passing through the channel. Moreover, with this design, a confocal cylindrical lens using ICP technology was integrated in the microsystem. The confocal lens controls the phase of acoustic waves for focusing which is used to characterize and detect biosamples (e.g. blood cells), especially on-line to evaluate the concentration of red blood cells.

Les propriétés mécaniques et la précision dimensionnelle des pièces plastiques injectées sont liées au niveau des contraintes résiduelles induites par leur mise en œuvre. Cette étude montre le potentiel de la méthode ultrasonore basée sur l’effet acoustoélastique afin d’évaluer les contraintes internes dans les plaques injectées en polymère amorphe avec l’onde Lcr. Dans un premier temps, des capteurs spécifiques ont pu être réalisés à partir de leur analyse fonctionnelle et grâce à l’optimisation de certains paramètres (champ ultrasonore, angle d'incidence, distance émetteur-récepteur). Ceci a permis de déterminer les coefficients acoustoélastiques K33 et K11, ainsi que le coefficient P traduisant l’influence de la température sur la vitesse de propagation de l’onde longitudinale dans les matériaux étudiés. Ces paramètres ont permis de valider la méthode ultrasonore sur des plaques partiellement relaxées en PC et PS, en utilisant un système C-Scan afin d’évaluer les contraintes moyennes dans l’épaisseur, et ensuite avec l’onde Lcr afin de déterminer les contraintes surfaciques. La validation a été obtenue en comparant les résultats avec ceux de la méthode de photoélasticimétrie. La faible épaisseur des plaques (3 mm) nuit à la précision des mesures de cartographie de vitesse dans l’épaisseur. Celle-ci s’améliore nettement lorsqu’on utilise l’onde Lcr (Ds » ±2 MPa), ce qui nous a incités à utiliser ce type d’onde. La dernière partie de l’étude concerne la détermination des contraintes après fabrication de nouvelles plaques, et celle de profil de contrainte dans des épaisseurs différentes en changeant la fréquence de l’onde Lcr. / The mechanical properties and the dimensional precision of the injection molded polymer parts are influenced by the process-induced residual stresses. This study shows the potential of the ultrasonic method based acoustoelastic effect to evaluate the residual stresses in amorphous polymer plates with Lcr waves. Firstly, special holding fixtures were designed according to their function analyses and the optimization of some parameters (ultrasonic field, incidence angle and emitter-receiver distance). They were used to determine the acoustoelastic coefficients K33 and K11, as well as the coefficient P corresponding to the temperature effect on the longitudinal wave velocity in studied materials. Then ultrasonic measurements were applied to partially relaxed PC and PS plates, through C-Scan system to evaluate average stresses across plate thickness, and Lcr waves to evaluate the surface stress. The measurement reliability was validated by comparing the results with those of the photoelasticity. The poor plate thickness (3 mm) affects the measure accuracy of the speed scanning, while it is improved a lot by using Lcr waves (Ds » ±2 MPa), so we turn to the latter only. The last part of the study concerns the determination of the stresses after manufacturing of new plates and that of stress profile in different thicknesses by changing the frequency of the wave Lcr.

La porosité d'une plaque composite carbone / époxy de type RTM est connue par tomographie X. Une méthode de détermination de cette porosité par mesure de l'atténuation des ondes longitudinales à travers l'épaisseur de cette plaque est proposée. Ces mesures sont effectuées sur des surfaces de dimensions variables (quelques cm2 à quelques mm2) et permettent l’obtention de cartographies. Une correspondance porosité (tomo X) – atténuation (onde US) est déduite et analysée en fonction de la structure du matériau composite. Dans chaque cas, on estime la qualité des relations obtenues et on en déduit les limites de validité de la correspondance porosité-atténuation. Des premiers résultats de tomographie acoustiques sont obtenus. / The porosity of a composite plate in carbon / epoxy of type RTM is known by used of tomography X. A method of determination of this porosity by measure of the mitigation of the longitudinal waves through the thickness of this kind of plate is proposed. These measures are made on surfaces of different sizes (from some cm2 to some mm2) and allow the obtaining of cartographies. A correspondence porosity (tomo X) - Mitigation (US wave) is deducted and analyzed according to the structure of the composite material. In every case, we estimate the quality of the obtained relations and we deduct the limits of validity of the correspondence between porosity and mitigation. First results of acoustic tomography are obtained.