L’objectif de ce travail était de concevoir et réaliser par impression un capteur acoustique capacitif résonant bas coût. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif de recherche intitulé « Spinnaker », défini par la société Tagsys RFID qui souhaite intégrer ce capteur afin d’améliorer la géolocalisation des étiquettes RFID. Ce travail a débuté par la conception et l’optimisation du design en utilisant la simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que des plans d’expériences (DOE : Design of Experiment). Cette première étape a permis de déterminer les paramètres optimaux et démontrer que les performances obtenues étaient conformes aux spécifications. Nous avons ensuite développé les différentes briques technologiques nécessaires à la réalisation des prototypes en utilisant conjointement l’impression 2D par inkjet et l’impression 3D. Nous avons vérifié la fonctionnalité de ces capteurs à l’aide de mesures électriques capacitives et acoustiques par vibrométrie laser. Nous avons démontré la sélectivité en fréquence des capteurs réalisés et comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus par simulation. Enfin, nous avons enfin exploré la « voie piezoélectrique » qui nous semble être une alternative intéressante au principe capacitif. En l’absence d’encre piézoélectrique commerciale imprimable par jet de matière, nous avons formulé une encre imprimable à base du co-polymère PVDF-TrFE et démontré le caractère piézoélectrique des couches imprimées. Les résultats sont prometteurs mais des améliorations doivent encore être apportées à cette encre et au procédé d’impression avant de pouvoir fabriquer des premiers prototypes. / The objective of this work was to design and fabricate a low cost resonant capacitive acoustic sensor using printing techniques. It falls within the frame of a collaborative research project named “Spinnaker”, set up by TAGSYS RFID, a French company, which has planned to integrate this sensor to improve the geolocalization of their RFID tags. This work started with the design and optimization of the sensor using finite element modeling (COMSOL) and design of experiments (DOE). This first step has enabled the identification of the optimum set of parameters and demonstrated that the output responses were in accordance with the specifications. Then, we have developed the different technological building blocks required for the fabrication of the prototypes using jointly the 2D inkjet printing technique and 3D printing method. The functionality of the sensors has been characterized using both capacitive and acoustic measurements using laser Doppler vibrometer. Experimental results showed that sensitivity and selectivity were within the specifications and in good agreement with the modeling results. Finally, we investigated the piezoelectric approach which could be an interesting option to the capacitive one. Since no inkjet printable piezoelectric ink is commercially available, stable inkjet printable polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) ink has been developed. PVDF-TrFE layers were then successfully printed and characterized. The results were quite promising, however further improvements of the ink and printing process are required before stepping towards piezoelectric based device fabrication.

Le besoin d’appareils compacts et autonomes dédiés à la détection d’espèces chimiques pour des analyses de terrain est d’actualité dans un contexte international en rapide mutation (agroalimentaire, développement durable, sécurité, etc.). La thèse présentée au sein de ce manuscrit, financée par la Délégation Générale de l’Armement, développe de nouvelles solutions de capteurs résonants à ondes élastiques de volume à modes harmoniques élevés (HBARs) pour la détection de gaz et plus particulièrement de composés explosifs. Ces résonateurs de très haute compacité se composent d’un transducteur reporté ou déposé sur une cavité résonante multimode, produisant un spectre de raies modulant sa propre réponse fréquentielle. De nature dipolaire, ces résonateurs permettent toutefois la mise au point de quadripôles par couplage latéral de modes mis à profit dans nos travaux. L’étude théorique du comportement de résonateurs à base de niobate de lithium aminci et reporté sur quartz ou fondés sur un empilement de nitrure d’aluminium et de silicium a permis de déterminer les propriétés gravimétriques spécifiques de chaque combinaison de matériaux et des modes associés. Des méthodes de calibrage en phase liquide et gazeuse sont proposées pour valider l’analyse théorique et permettre le choix de la structure la mieux adaptée à une configuration expérimentale donnée. Les résultats obtenus, comparés à ceux d’une microbalance à ondes guidées sur quartz, mettent en évidence les forces (compacité, cinétique chimique réduite, nature multi-physique des mesures) et faiblesses (sensibilité gravimétrique imposant des structures d’épaisseur inférieure à 100 μm) de notre solution face à cette référence. Nous avons également développé une électronique de traitement en boucle ouverte des informations issues de nos dispositifs, permettant des modes de détection rapide ou de haute précision (quelques milli-degrés de variation de phase). L’électronique dédiée a pour vocation de fournir la flexibilité nécessaire au suivi de nombreux modes à diverses fréquences fixes et de s’affranchir des temps longs de balayage en fréquence des analyseurs de réseaux généralistes. Une version à8 voies permet enfin la manipulation de plusieurs capteurs ou l’étude en parallèle des modes de 2 HBARs, donnant ainsi lieu à un système multi-physique efficace associé à des capteurs capables de sonder plusieurs grandeurs dans un volume de très petite dimension (quelques mm3). La limite de détection est déterminée par le bruit de phase de l’oscillateur local. Le système ainsi réalisé est exploité pour la détection de gaz mais aussi pour le pilotage de grandeurs physiques telles que la température ou la viscosité (milieux aqueux) dans différents contextes expérimentaux. / The demand for compact and autonomous systems devoted to field detection of gaseous compounds is still persisting in arapidly changing international context (food-processing, sustainable development, security, and so on). The thesis reportedin this manuscript, supported by the Délégation Générale de l’Armement, develops new resonant sensor solutions basedon high overtone bulk acoustic waves (so-called HBARs) for chemical compound detection and more specifically explosivesubstances. These high compactness resonators are built using a transducer bound or deposited onto a resonant cavity,yielding a comb spectrum modulating its own frequency response. They are used generally as dipoles, but a quadrupolestructure allowing for transverse mode coupling has been particularly used for our developments. A theoretical study ofthe behaviour of these devices based on lithium niobate-on-quartz or qluminum nitride-on-silicon material stack has beenachieved to determine the gravimetric properties of these configurations accounting for their mode specificities. Variouscalibration techniques have been implemented to confirm the theoretical analysis and to define the most appropriate structurefor a given application. The produced results have been compared to those of a quartz guided-wave micro-balance toemphasize the strength (compactness, reduced chemical kinetics, multiphysics measurements) and weakness (gravimetricsensitivity requiring device thickness less than 100 μm) of our devices. An embedded signal processing electronics alsohas been developed to treat the information provided by our sensors, offering fast or accurate (millidegree range) detectionprotocols. The dedicated electronics aims at providing the flexibility needed to track multiple modes at variaous fixed frquencieswhile getting rid of the long sweep time of general purpose network analyzers. A eight-channel version of thissystem has been set to process several sensor in parallel or to monitor several modes of two HBAR sensors for effectivemuti-physics measurements in a reduced analysis domain (a few cubic mm). Phase noise is the limiting factor determiningthe detection limit. The system has been deployed for gas detection as well as for monitoring other physical parameters suchas temperature or viscosity under various experimental condition including fluid media.

Le développement rapide de l’industrie des systèmes sans fil suscite une demande urgente pour des communications à haut débit, notamment en environnement « indoor ». Toutefois, les protocoles traditionnels de communications sont incapables de supporter de très hauts débits et, surtout, il n'y a pas de ressources spectrales disponibles à basse fréquence. Comme une alternative, la bande des 60GHz est préconisée parce qu’elle permet un débit de plus de 5Gbit/s, grâce à son large spectre (57GHz à 64 GHz). Toutefois, en pratique, l’environnement « indoor » est complexe et, dans les situations d’absence de visibilité directe, la couverture radio est difficile à assurer à cause des fortes atténuations. Afin de remédier à ce problème, l’utilisation de répéteurs est possible. Dans cette thèse, l’intérêt est porté sur les répéteurs passifs, plus simples à installer et compatibles avec une réalisation faible coût. Le cas critique de la couverture radio d’un couloir en T est choisi comme fil conducteur, tout au long de cette étude. Les solutions préconisées visent aussi la compacité, ce qui justifie l’utilisation de réflecteurs plans. A partir de la théorie des réseaux d’antennes, une structure périodique générique pour le répéteur est proposée. Elle implique deux cellules réfléchissantes élémentaires (espacées de /2), produisant des ondes en opposition de phase. Plusieurs topologies et technologies sont ensuite envisagées et étudiées pour la mise en oeuvre. La première utilise des antennes à résonateur diélectrique (DRA). Deux topologies différentes sont étudiées et comparées, le DRA à encoche et le DRA couplé à une ligne déphaseuse en circuit ouvert. Différentes stratégies de modélisation sont également étudiées en utilisant une cellule unique, un couple de 2 cellules avec phases opposées ou un petit réseau. Pour chaque topologie, un réseau canonique de 6×6 éléments est simulé. La deuxième technologie étudiée utilise des guides d’ondes rectangulaires chargés par un matériau diélectrique et courtcircuités. Des analyses paramétriques sont effectuées et un 6 ×6 réseau est conçu et optimisé pour valider la faisabilité de la solution. Finalement, une structure en guide à plaques métalliques parallèles est analysée. Dérivant de la solution précédente, elle permet une fabrication plus simple. Pour cette dernière solution, une analyse plus complète est menée incluant des considérations sur la bande passante, les performances en incidence oblique et la direction de rayonnement maximal. Enfin, un réseau à base de cet élément rainuré est fabriquée présentant une taille de 200 mm×200 mm. Des mesures expérimentales à 60GHz sont réalisées pour tester les performances du réseau. La preuve de concept est ainsi donnée et les résultats expérimentaux sont analysés. / The fast development of information and consumer electronics industries creates a pressing demand for high-speed indoor communications. Traditional communication protocols are unable to support such high transmission rate, and there are no radio bands available at lower frequency. As an alternative, 60GHz communications have sparked great attention, since it enables a maximum data transmission rate more than 5Gbit/s based on its wide unlicensed bandwidth. However, practical indoor environment is usually complicated (e.g. walls, corridors, stairs, etc.), thus the non-line-of-sight (NLOS) areas cannot be covered due to the significant attenuation. Considering the requirements for signal recovery in the NLOS environment, a planar passive repeater with endfire radiation and high directivity, low profile and low cost is investigated and designed in this thesis. Based on array theory, a periodic structure for the foreseen printed repeater is derived out. It involves two reflector elements (in the spacing of 2) to provide 0° and 180°reflection phases respectively. In order to construct a proper reflector element, four topologies are proposed and analyzed. In the first part of the study, DRA (Dielectric Resonator Antenna) technology is the main focus. Two different topologies are investigated and compared, including notched DRA and DRA coupled to phase-shift stub. Different modeling strategies are also studied using either a single cell, a couple of cells with opposite phases or a small array. For each topology, a preliminary 6×6 array is simulated. Optimization at the array level is emphasized through the whole thesis. In the second part, investigations are taken on a rectangular dielectric filled waveguide element. Parametric analyses are carried out and possible fabrication technologies are discussed. Once again, a preliminary 6×6 array is designed and optimized to validate the feasibility of such a structure. In the third part, a parallel-plate groove structure is analyzed. It evolves from the rectangular waveguide, and enjoys more simplification. Further work is taken to explore the arrays’ bandwidth, oblique incidence performance and maximum radiation direction. Detailed theoretical analysis based on the simulation results are demonstrated in the end. Finally, an array based on the groove elements is fabricated in the size of 200mm×200mm. Practical measurements for 60GHz communications in NLOS environment are designed to test the array’s performance. Analyses on the experiment results are given.

L’imagerie effectuée avec des rayons X est largement utilisée de nos jours dans de nombreuses disciplines telles que la physique du solide, les sciences du vivant et la médecine. Les sources de rayons X basées sur la diffusion Thomson d’un faisceau laser par des paquets d’électrons permettent d’obtenir des faisceaux de bonnes qualités pour un faible coût et un faible encombrement. Plusieurs instituts de recherche académiques se sont récemment lancés dans la construction de telles sources qui sont constituées d’un anneau des stockage d’électrons et d’un résonateur optique. Le résonateur optique permet de stocker des impulsions laser focalisées au point d’interaction laser-électron à des fréquences de plusieurs dizaines de méga Hertz. Des flux de rayons X dépassants 10^{11} ph/s peuvent ainsi être obtenus. Dans ce travail de thèse un modèle de stockage d’impulsion a été développé. Ce modèle prend en compte les effets de la phase CEP (carrier-envelope phase) et des décalages temporels permettant d’obtenir des résonances secondaires. Ces résonances sont observées couramment et nous avons pu calculer les gains et finesses équivalentes. Nous avons aussi calculé les corrections non-paraxiales des modes propres d’une cavité non-planaires. Nous avons résolu les équations perturbatives de Lax pour des faisceaux gaussiens elliptiques généralisés. Nous avons pu ainsi décrire qualitativement des résultats expérimentaux obtenus avec une cavité non-planaire constituée de quatre miroirs. Nous avons aussi modélisé l’effet des déformations thermoélastiques des miroirs de cavité en utilisant le modèle simplifié de Winkler. Sur le plan expérimental, nous avons effectué des études sur le résonateur optique prototype du projet EQUIPEX THOMX. Nous avons tout d’abord proposé une nouvelle méthode d’asservissement laser-cavité basée sur l’utilisation d’une possible différence de phase induite par la réflexion des ondes s et p. Comparée à la méthode de Pound-Drever-Hall, notre méthode ne nécessite pas de modulation et démodulation de fréquence. Nous avons effectué les calculs de modélisation ainsi qu’une démonstration expérimentale. En parallèle, nous avons effectué des expériences de stockage de puissance dans la cavité prototype de finesse 26000 et nous avons obtenu une puissance moyenne de 383 kW correspondant à un gain de 10000. Nous avons atteint un niveau de puissance pour laquelle des instabilités modales induites par les déformations thermoélastiques des miroirs de notre cavité deviennent dominantes et perturbent l’asservissement laser-cavité. Une machine à rayon X Thomson, TTX, existe aussi à l’université de Tsinghua. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire et une source laser femtoseconde terawatt. Un nouveau projet basé sur un anneau de stockage compact d’électrons, TTX2, voit actuellement le jour à l’université de Tsinghua. Nous présentons le design du système optique de ce futur projet. / At present, X-rays imaging is widely applied in solid-state physics, in the life sciences, in medical applications and in other disciplines. An X-ray source based on laser-electron interaction, that is, a Thomson scattering X-ray source, can be used to produce high-quality X-rays at a low cost and small footprint. The construction of compact laser electron sources, consisting of an electron storage ring and an optical enhancement cavity, has recently attracted the interest of many institutions. The optical enhancement cavity is mainly used to amplify the injected power, circulate the pulses at a high repetition frequency (tens of megahertz) and produce a beam with a small waist at the interaction point. When introduced into the electron storage ring, the laser pulses produced in the high-average-power cavity scatter off high-energy electrons at a high repetition frequency. Thus, a high X-ray flux of more than 10^{11} ph/s can be obtained.In order to study the physical process inside a high-power resonator a model has been developed. As a first step, we establish a precise transient model of the laser pulse stacking technique considering the CEP (carrier-envelope phase) effect and time detuning leading to secondary resonances. The results of this model in the time and frequency domains match very well. A cavity with a given finesse and no detuning has a narrower linewidth than a detuned cavity with a higher finesse if both cavities have the same gain; consequently, it is easier to lock a laser to the latter cavity. Next, for the first time, we derived the non-paraxial corrections for general astigmatic beams so as to explain the S-shaped cavity mode observed in a non-planar four-mirror cavity. We solved Lax perturbation series of the wave equation for general elliptic Gaussian beams and S-shaped beam modes appear as the beam propagates away from the cavity symmetry point. This feature agrees qualitatively with observations made on a highly divergent non-planar four-mirror cavity. In addition, we study the thermal effect by using Winkler’s deformation model. The cavity gain is very sensitive to the mirror deformation in open loop. A strong feedback and ultra-low expansion mirrors are indispensable to reach a high power stored in the cavity.Several significant experiments were performed on a prototype cavity of the EQUIPEX project THOMX. Firstly, we proposed a new frequency stabilization method based on the polarization of a folded cavity and tuning of the cavity mirror reflectivity. Sufficient s- and p-wave phase detuning can be obtained by special design of the cavity mirrors’ coatings, which gives rise to an error signal that can be used for locking. Compared to the traditional Pound-Drever-Hall method, this technique is simpler without need for frequency modulation and demodulation. Theoretical calculations and experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method. Meanwhile, high-power experiments on the prototype cavity for ThomX were demonstrated. A cavity finesse of approximately 26,000 is measured using four different methods, and the deposition of dust on the cavity mirrors is found to have an enormous effect on the finesse. We achieved a stable average power as high as 383 kW with a cavity gain of 10,000. In addition, modal instabilities which limit this power were observed. We believe that this effect originates from cavity modal frequency degeneracy induced by thermal effect.Tsinghua University hosts a compact, low-repetition-frequency X-ray source knownas TTX, which is based on a linac system and a terawatt femtosecond laser system. The next step is to upgrade TTX to a high-repetition-frequency X-ray machine called TTX2, consisting of an optical cavity and an electron storage ring. We present the complete design of a prototype optical cavity for TTX2.

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. / In this thesis, we study several methods to improve atom interferometers. In the first part of the manuscript, we analyze how a nondestructive detection, that preserves the coherence between the internal degrees of freedom in an atomic ensemble, can be used to increase the sensitivity of interferometers. We first theoretically show how the projection of the wave-function induced by the measurement prepares spin-squeezed states. We then present the implementation of this method with a detection based on the frequency modulation spectroscopy. Finally, some first applications are described, more explicitly we show how to implement a quantum feedback that preserve the atomic state against the decoherence induced by a random collective flip, we also introduce a phase-locked loop where the atomic sample is used as the phase reference. In the second part of the manuscript, we present the all-optical realization of a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity using a laser system based on standard telecoms technologies. We first describe the resonator and the frequency lock of the laser on the resonance, in particular, we introduce a new stabilization method based of the serrodyne modulation. Finally, we show how the condensate is obtained from the evaporation in the cavity mode.

Dans un contexte d’amélioration des dispositifs pour la réduction de bruit, l’étude sur le transfert d’énergie irréversible en utilisant des résonateurs purement acoustiques à comportement non linéaire a été réalisée. Les résonateurs acoustiques classiques en régime linéaire agissent comme un Amortisseur de Masse Accordée (TMD, en anglais) et ils sont efficaces pour une gamme de fréquence très étroite. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à des excitations très fortes (régime non-linéaire) ils peuvent devenir efficaces pour une plus large gamme de fréquences si des termes non linéaires peuvent être activés. Dans un premier temps, une étude sur ce comportement non-linéaire d’un résonateur d’Helmholtz modifié a été réalisée expérimentalement. Ensuite, l’équation dynamique gouvernante de tels résonateurs ont été développées en prenant en compte les non-linéarités de la force de rappel et d’amortissement. Une approximation de la solution analytique de l’équation gouvernante du résonateur acoustique a été déterminée en utilisant les méthodes des échelles multiples du temps et de transformation du temps non régulière. Dans un deuxième temps, une étude du couplage entre un mode acoustique en basses fréquences et un résonateur (celui étudié précédemment) à comportement non-linéaire a été réalisée. Pour ce faire, des mesures expérimentales avec un montage du système couplé ont permis de vérifier l’atténuation acoustique produite par le résonateur en régime forcé et libre. Une modélisation analytique du couplage a permis d’identifier l’expression de la variété invariante lente, ce qui a permis d’étudier les possibles points d’équilibre et points singuliers du système. Les modèles analytiques développés ont également été vérifiés par des simulations numériques. / Nowadays, there is a need of new types of technologies for sound reduction because of the growing of different industries. In this context, we have studied the targeted energy transfer using a purely acoustic resonator. These acoustic resonators act, in the linear regime, as a Tuned Masse Damper (TMD) and they are efficient for a narrow frequency band. But, when they are excited with high forces, in the nonlinear regime, they are efficient for a wider frequency band if the nonlinear terms are activated. First, an experimental study about the nonlinear behavior of a modified Helmholtz Resonator was done. Then, the governing equation of such resonators were developed considering the nonlinearities in the restitution force and damping. An approximation of the analytical solution of the governing equation of the acoustical resonator is derived using the multiples scales of time method and the non-smooth time transformation method. In a second part, a study about the coupling between an acoustic mode in low frequencies and a resonator (the one studied in the previous part) with a nonlinear behavior is done. In order to do this, experimental measurements of the coupled system to confirm acoustic attenuation by the resonator in forced and free regime were done. Then, an analytical modelling of the coupled system allowed to derive the expression of the Slow Invariant Manifold (SIM), in order to identify the possible equilibrium points and singular points of the system. Derived analytical models were verified by numerical simulations.

Ce projet de doctorat consiste en la proposition d'une solution technologique d'un résonateur de Helmholtz adaptatif à volume variable, permettant ainsi de s'affranchir du caractère mono-fréquentiel des résonateurs de Helmholtz passifs. Le réglage de volume s'effectue grâce à l'utilisation d'une membrane en polymère électroactif (EAP), permettant ainsi d'accorder les résonances du résonateur de Helmholtz. Le comportement mécanique de ces matériaux est modifié lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. Des améliorations significatives en perte par transmission acoustique sont obtenues en basses fréquences par deux effets: la variation de raideur de la membrane et l'augmentation de volume due à la déformation de la membrane. Des études numériques, analytiques et expérimentales sont réalisées pour déterminer le potentiel des concepts proposés. Enfin, une structure périodique contenant 9 résonateurs adaptatifs à membranes électroactives est étudiée en champs diffus permettant d'évaluer les performances acoustiques du concept distribué. / This main goal of the project consists in proposing a technological solution of an adaptive Helmholtz resonator with variable volume, which allows to overcome the mono-frequency character of passive Helmholtz resonators. The volume control is achieved by the use of an electroactive polymer membrane (EAP), allowing the resonances of the Helmholtz resonator to be tuned. The mechanical behavior of these materials changes when they are stimulated by an electric field. Significant improvements in acoustic transmission loss are obtained at low frequencies by two effects: the variation of stiffness of the membrane and the increase of volume due to the deformation of the membrane. Numerical, analytical and experimental studies are carried out to determine the potential of the proposed concepts. Finally, a periodic structure containing 9 adaptive resonators with electroactive membranes is studied in diffuse fields to evaluate the acoustic performances of the distributed concept.

Le résonateur matriochka est conçu à partir de résonateurs coaxiaux ré-entrants créant ainsi des sauts d’impédances (SIR). La thèse développe alors des innovations théoriques sur la technologie matriochka en proposant des modèles analytiques précis sur le comportement fréquentiel et du facteur de qualité du résonateur. Les modélisations mettent en relief l’existence de degrés de liberté au sein du résonateur matriochka induisant une flexibilité du rapport de forme du résonateur. Les degrés de liberté créent ainsi une multitude de configurations du résonateur matriochka pour une fréquence fondamentale et un facteur de qualité donnés. Par conséquent, une optimisation en volume est réalisée pour concevoir deux filtres en bande L et C afin de minimiser leur encombrement. Une étude de la tenue en puissance dans le vide est également effectuée pour le filtre en bande L. Une méthode conjointe d’optimisation de la tenue en puissance et de minimisation en volume est alors proposée pour ce filtre. Ainsi, les modélisations et les optimisations sont employées afin de concevoir et de fabriquer deux filtres hyperfréquences. Le premier est un filtre de transmission en bande L conçu pour l’application de navigation Galileo qui propose une alternative d’encombrement et une tenue en puissance dans le vide élevée. Enfin, le second est un filtre de réception en bande C conçu, fabriqué et mesuré pour l’application de télémesure qui propose de meilleures performances en réjection et un volume réduit par rapport à l’existant. Finalement, la technologie matriochka est une alternative de résonateur par rapport à l’état de l’art en proposant, selon les configurations, un rejet élevé des harmoniques et un volume réduit pour une fréquence fondamentale et un facteur de qualité donnés. / The matriochka resonator is based on reentrant coaxial Stepped Impedance Resonator (SIR). So, the thesis develops theoretical innovations on the matriochka technology offering accurate analytical models on the frequency and the quality factor behaviors of the resonator. The models prove the existence of degrees of freedom within the matriochka resonator which allows to get different form factors of the resonator. The degrees of freedom create many configurations of the matriochka resonator for a fundamental frequency and a quality factor. Consequently, a volume optimization is realized to design a L-band filter and a C-band filter. A multipactor study is also carried out for the L-band filter. So, a joint optimization method of the multipactor and the volume minimization is proposed for this filter. Thus, the models and optimisations are used in the order to to design and fabricate the microwave filters. The first one is a transmission L-band filter for the navigation application Galileo which offers a volume alternative and a high power in the vaccum. Then, the second one is a reception C-band filter for the telemetry application which offers wide spurious free-performance and a low volume compared to the state of the art. Finally, for a frequency and a quality factor and depending on the configurations, the matriochka technology offers an alternative of the resonator volume, and it offers a wide spurious free- performance and a low volume compared to the state of the art.

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. / This study is a preliminary study to use a fonctionnalized microsensor based on electromechanical detection of biological species present at trace levels. Two aspects were involved in this work: capture high-sensitivity but also the capture of ultra-specific biological species as markers for Alzheimer's disease. It was conducted as part of collaboration between the department MINASYS (Micro and Nanobio and Microsystems) of the Institute of Fundamental Electronics (IEF) and the Laboratory Proteins and Nanotechnologies in Separative Sciences, at the Faculty of Pharmacy of Chatenay-Malabry.The sensor includes a micro-resonator, placed in vaccum, incorporating silicon buried channels for the circulation of a biological fluid and not outside as they are more commonly, and in order to minimize the damping of the resonator. As regards the biological aspects, we primily focus on the detection of a biomarker of Alzheimer's disease, amyloidal peptide Aβ1-42. Until now, screening requires the use of a puncture and cerebrospinal fluid after onset of symptoms, therefore a sufficiently high concentration of biomarkers is required. Initially, we developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling a microfluidic system and fluorescence microscopy. Therefore, the micro-resonator that are present here allow to detect these biomarkers that are present at very low concentrations in other biological fluids in the first stage of the disease, for example, in the blood or urine. Thus, in a first step, we have developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling channel microfluidic and fluorescence microscopy. The surface of the channels in silicon must be functionalized to allow the grafting of specific antigens. For this, we developed a technique based on the specific antibody-antigen recognition, the latter requires a preliminary step of chemical functionalization of surfaces.This manuscript consists of four main parts. Initially, we present a literature review of the state of the art on the principle of operation of various types commonly used bio-sensors and the performance obtained. A second chapter describes the functionalization of silicon area and more specifically of the silanization reaction in liquid phase performed on flat surfaces and in fluidic channels. In the following chapter, we discuss the field of specific recognition of biological entities and detail the steps of grafting performed on protein surfaces and design immunoassay sandwich in fluidic channels. The last chapter of the manuscript brings together various preliminary results for the development of micro-sensor type resonant beam.

Ce travail porte sur l'étude théorique et numérique des cristaux phononiques non linéaires. Les non linéarités étudiées sont celles dues aux constantes élastiques d'ordre deux (quadratiques) et trois (cubiques) des matériaux constituant les cristaux. Les effets non linéaires sont étudiés grâce à des méthodes d'éléments finis en simulant la propagation d'une onde élastique à travers les cristaux.Un premier projet de recherche a porté sur l'étude d'une structure osseuse, et plus spécifiquement sur la dispersion des ondes élastiques dans une structure constituée d'une alternance de couches de collagène et d'hydroxy apatite. Les simulations montrent qu'il existe un lien étroit entre l'hydratation des os et leur capacité à dissiper l'énergie.La seconde étude réalisée concerne un résonateur élastique. Une structure constituée d'inclusions d'acier dans de la silice présente un comportement de commutateur lorsque les non linéarités cubiques de l'acier sont prises en compte. Cet effet fortement non linéaire apparaît lorsque l'amplitude de l'onde incidente dépasse un certain seuil. Un modèle analytique complet est fourni.La dernière étude réalisée montre la conception de matériaux composites possédant de fortes non linéarités cubiques mais de faibles non linéarités quadratiques. La dérivation des lois de mélange des paramètres élastiques d'un matériau non linéaire dans un matériau linéaire est effectuée à l'ordre trois. Les équations montrent une forte amplification des paramètres non linéaires du matériau résultant pour certaines concentrations. Les simulations permettent de conclure que le résonateur mentionné ci-dessus peut effectivement être réalisé. / This work is dedicated to the theoretical and numerical study of nonlinear phononic crystals. The studied nonlinearities are those due to the second (quadratic) and third (cubic) order elastic constants of the materials that constitute the crystals. Nonlinear effects are studied by the means of finite element methods, used to simulate the propagation of an elastic wave through the crystals.A first research project concerns the study of a bone structure, namely the dispersion of elastic waves in a structure composed of collagen and hydroxy apatite alternate constituent layers. Simulations showed that it exists a strong link between bones hydration and their ability to dissipate the energy.The second study relates to an elastic resonator. A structure composed of steel inclusions in a silica matrix shows a switch behavior when the cubic nonlinearities of steel are taken into account. This strong nonlinear effect appears when the amplitude of the incident wave reaches a threshold. A full analytical model is provided.The last study demonstrates the design of composite materials with both strong cubic nonlinearities and weak quadratic nonlinearities. The derivation of the mixing laws of the elastic parameters of a nonlinear material inside a linear one is performed up to order three. Equations show a strong amplification of the nonlinear parameters of the material for some concentrations. Numerical simulations allow to conclude that the above mentioned resonator can be produced.