Le but principal de ce travail était de développer un outil numérique permettant de décrire le couplage entre le fluide interne et le fluide externe d'un résonateur de longueur finie, afin d'étudier le lien existant entre la géométrie du résonateur et son rayonnement. Pour cela nous nous sommes attachés à l'étude des résonances complexes, correspondant aux pôles de la fonction de Green du système couplé avec le milieu extérieur. La partie imaginaire des fréquences de résonance est ici directement reliée aux pertes dues au rayonnement. Nous avons basé notre travail sur trois grands axes : une étude analytique à l'aide d'une théorie modale avec la prise en compte des modes non plans, le développement d'une méthode numérique basée sur les éléments finis de frontière ainsi qu'une confrontation expérimentale de nos résultats théoriques. La théorie modale analytique nous a permis d'étudier le rayonnement de résonateurs cylindriques de longueur finie débouchant dans un écran infini, ce qui constitue un cas de référence pour la suite de l'étude. La méthode numérique développée dans un code Fortran parallélisé nous a donné la possibilité d'étudier des résonateurs de géométries plus complexes telles que celles des pavillons. Afin de réduire le temps de calcul, nous avons introduit une méthode hybride utilisant la théorie modale pour décrire la partie conservative du système, permettant des calculs rapides, et une méthode d'éléments finis de frontière, qui permet une représentation précise des géométries complexes, pour décrire la partie rayonnante. Les premiers résultats, concernant les résonances d'un système constitué d'un cylindre et d'un pavillon, ont pu être comparés aux mesures obtenues avec notre montage expérimental dans le cas du pavillon de Bessel et du pavillon conique.

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.

L'étude proposée est une étude préliminaire en vue d'utiliser des microrésonateurs en silicium fonctionnalisé en vue de la détection électromécanique d'espèces biologiques présentes à l'état de trace. Deux aspects ont été principalement étudiés : la capture ultra-sensible mais aussi la capture ultra-spécifique d'espèces biologiques comme des marqueurs pour la maladie d'Alzheimer. Elle a été effectuée dans le cadre d'une collaboration entre le département MINASYS (Micro et Nano-Système) de l'Institut d'Electronique Fondamental (IEF) et le Laboratoire Protéines et Nanotechnologies en Sciences Séparatives de la Faculté de Pharmacie de Châtenay-Malabry.Il s'est ainsi s'agit de développer un micro-résonateur en silicium intégrant des canaux enterrés permettant la circulation d'un fluide biologique à l'intérieur de la poutre et non à l'extérieur comme ils le sont plus couramment, et ce, dans le but de limiter au maximum l'amortissement du résonateur. En ce qui concerne les aspects en biologie, nous nous sommes plus particulièrement interessé à la détection d'un bio-marqueur de la maladie d'Alzheimer, le peptide amyloïde Aβ1-42. Jusqu'à présent, le dépistage de la maladie nécessite une concentration suffisamment importante de bio-marqueurs et le recours à une ponction du liquide céphalorachidien après l'apparition des symptômes de la maladie est donc nécessaire. Le microsystème présenté ici permettra de nous approcher d'un système capable de détecter des traces de biomarqueurs présentes dans le sang ou l'urine par exemple. Ainsi, dans un premier temps, nous avons mis au point un mode de détection précoce du peptide Aβ1-42 couplant un canal micro-fluidique et la microscopie à fluorescence. La surface des canaux en silicium doit être fonctionnalisée afin de permettre le greffage spécifique des antigènes. Pour cela, nous avons mis au point une technique s'appuyant sur la reconnaissance spécifique anticorps-antigène, celle-ci nécessitant une étape préalable de fonctionnalisation chimique de surface.Le manuscrit présenté ici s'articule en quatre parties principales. Dans un premier temps, une étude bibliographique permet de faire l'état de l'art sur le principe de fonctionnement de différents types bio-capteurs couramment utilisés et leurs performances. Une seconde partie décrit la fonctionnalisation de surface du silicium et plus spécifiquement de la réaction de silanisation en phase liquide réalisée sur des surfaces planes et dans des canaux fluidique. Nous abordons ensuite le domaine de la reconnaissance spécifique d'entités biologiques et détaillons les étapes de greffage des protéines réalisées sur les surfaces ainsi que la conception d'immuno-sandwich entreprise dans des canaux fluidiques. Enfin la dernière partie du manuscrit rassemble des différents résultats préliminaires obtenus en vue de l'élaboration du micro-capteur de type poutre résonante à canaux enterrés.

Le résonateur étudié s'insère dans un projet industriel porté par NXP Semiconductors. L'objectif est la réalisation d'un résonateur MEMS RF intégrable en vue de remplacer le quartz dans certaines applications. La compatibilité du procédé de fabrication avec les technologies utilisées par la société et le faible coût de production représentent les principaux enjeux du projet. Le résonateur TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) est un barreau, constitué d'une superposition de couches minces de type Métal/AlN/Métal. Les propriétés piézoélectriques du nitrure d'aluminium (AlN) sont ainsi exploitées : l'application d'un champ électrique alternatif, parallèle à l'épaisseur du barreau, entraîne une propagation d'ondes acoustiques suivant sa longueur. Les dimensions des résonateurs fabriqués correspondent à des fréquences de résonance comprises entre 10MHz et 50MHz. Cette thèse s'intéresse la modélisation et à la caractérisation électrique du résonateur TFEAR. Les modèles théoriques sont développés par simulations numériques 3D et par calculs analytiques 1D. Le comportement électrique du TFEAR est décrit par un schéma équivalent, dont les éléments sont exprimés en fonction des paramètres physiques et des pertes des matériaux le constituant. Un facteur de qualité de 2250 sur un TFEAR résonant à 25,79MHz et dont la résistance motionnelle est de 2,1 kOhms a été relevé. Ces mesures ont été complétées par la caractérisation des paramètres physiques de la couche piézoélectrique. Par exemple, des valeurs de coefficient piézoélectrique d33f atteignant 2,6 pm/V ont été relevées (pour un maximum théorique de 3,93 pm/V)

Depuis 2005, il existe un intérêt important dans la communauté internationale de métrologiepour de nouvelles déterminations précises de la constante de Boltzmann kB ; lebut étant de redéfinir en 2015 l'unité internationale de température, le kelvin. Actuellement,cinq techniques sont utilisées pour déterminer kB avec comme objectif d'atteindreune incertitude relative inférieure à 1 × 10−6. La méthode retenue pour cette thèse est latechnique acoustique.La constante de Boltzmann est liée à la vitesse du son u dans un gaz parfait par l'équationdu viriel acoustique. La méthode décrite dans cette thèse consiste à mesurer u en utilisantun résonateur de forme quasi sphérique et de volume intérieur de 0,5 L, rempli d'argon.Ces mesures sont effectuées lors d'un isotherme à la température du point triple de l'eau,T = 273,16 K, pour des pressions statiques P allant de 0,05 MPa à 0,7 MPa. La constantede Boltzmann est ensuite déterminée en estimant u à pression nulle par une régressionpolynomiale.Dans cette thèse, un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un résonateur quasisphérique est défini. Aussi, les moyens techniques utilisés pour contrôler soigneusement lesparamètres de l'expérience qui ont un effet sur les mesures de u (comme la température,la pression statique, la composition du gaz, etc) sont présentés. De nouvelles techniquesexpérimentales et des nouveaux moyens d'analyse des données sont proposés, comme lamesure du rayon du résonateur par spectroscopie électromagnétique, mais aussi l'utilisationde l'écart-type d'Allan comme un outil efficace pour étudier la présence d'impuretélors d'une expérience de longue durée. Les effets systématiques sont analysés puis corrigés.Pour certains, la correction est estimée grâce à un modèle analytique, comme l'effet lié auxcouches limites thermiques. Pour d'autres, des corrections basées sur des fonctions empiriquessont proposées ; c'est le cas pour l'effet du débit de gaz continu sur les mesures deu, effet qui est caractérisé expérimentalement dans cette thèse.Enfin, l'analyse des données acquises en 2009 au LCM/LNE-CNAM lors de deux isothermeseffectuées avec de l'argon est présentée. Celle-ci a permis d'obtenir la valeur kB =1, 3806475 (16) × 10−23 J * K−1, c'est à dire avec une incertitude relative de 1, 14 × 10−6.

L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines IR et UV, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie (LCM). La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5% d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 µm et 3.5 µm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du mW pour l'onde signal (1 µm à 1.5 µm) et des puissances comprises entre $20$ à $50$ mW pour l'onde complémentaire couvrant un octave de longueur d'onde IR entre 1.7 µm et 3.5 µm. La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5.64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale.

A l'heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às'imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l'oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d'unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d'un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C'est donc cet écart que nous tenterons d'adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l'échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l'erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu'il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L'analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d'amélioration pourétablir une voie vers l'industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s'assurer qu'ellen'augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl'intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même.

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d'abord, un état de l'art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu'au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L'effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l'extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l'ordre de la longueur d'onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d'extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d'un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l'antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée.

Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.