La technologie des capteurs à ondes élastiques de surface, appelés SAW pour Surface acoustic waves, existe depuis une cinquantaine d’années. Cette technologie est largement utilisée dans l’industrie des télécommunications et en perpétuelle évolution pour la réalisation de microcapteurs dans des secteurs à fortes contraintes tels que l’aéronautique, l’automobile, la métallurgie ou encore dans le domaine du médical. Leur forte sensibilité aux conditions environnementales, leur taille réduite et la possibilité de les interroger à distance sans aucune électronique embarquée (capteurs passifs), confèrent à cette technologie un fort potentiel d’innovation pour une utilisation en environnements extrêmement hostiles, et notamment comme capteurs de températures, de pressions, de déformations, de concentrations d'espèces chimiques ou biologiques… Une voie d’innovation réside dans l’optimisation des électrodes de ces capteurs appelés IDTs pour InterDigital Transducers. Ces électrodes métalliques d’une centaine de nanomètres d’épaisseur sont structurées sous forme de peignes interdigités sur un substrat piézoélectrique. Nos travaux se sont focalisés sur le choix des matériaux pour la réalisation des IDTs pour une utilisation à très hautes températures. Cela impose de trouver un matériau conducteur, stable physiquement et chimiquement, dont la mise en forme en film mince (100 nm d'épaisseur typique) n’altère pas son fonctionnement dans ces conditions d’usage extrêmes : températures voisines de 1000°C sous atmosphère oxydante. Une étude récente a mis en évidence la pertinence de l’utilisation d’alliages binaires Ir-Rh massifs pour des applications connexes de celles visées. L’objectif de ce projet est de transposer les propriétés des alliages Ir-Rh massifs à des films minces de même nature, en collectant de nouvelles données thermodynamiques relatives au système métallique Ir-Rh. Malgré les difficultés des analyses thermiques qui ont été menées jusqu’à 2300 °C, nous avons pu réaliser les premières mesures expérimentales des températures d’équilibres solide-liquide (solidus et liquidus) de quelques alliages Ir-Rh. Une part importante du travail a ensuite été consacrée à la réalisation de campagnes de dépôts de films minces Ir Rh afin d’optimiser les paramètres clés du dépôt permettant l’obtention de films présentant les stœchiométries et microstructures recherchées. Enfin, l’évaluation des performances des dispositifs SAW, élaborés à partir des films minces optimisés, a donné des résultats très prometteurs : après une phase de stabilisation dans les premières heures de recuit, le signal SAW s’est montré constant tout au long d’une période de 2 mois dans l’air à 800 °C. / The surface acoustic waves (SAW) technology was invented approximately fifty years ago. This technology is currently widely used in the telecommunication industry to make, among others, GHz-range filters. Another very active development axis for the SAW technology is related to the achievement of micro sensors (to measure temperatures, pressures, deformations, concentrations of chemical or biological species) for industrial sectors with strong constraints such as aerospace, automotive, metallurgy, or medical sectors. Their high sensitivity to environmental conditions, their small size and the possibility to interrogate them remotely without adding any embedded electronics (passive sensors), provides SAW sensors a high innovation potential, in particular for applications taking place in hostile environments. SAW devices are constituted by a piezoelectric substrate on which are patterned electrodes from a conductive film. These electrodes are typically 100 nm-thick and are called, because of their shape, interdigital transducers (IDT). Our work was mainly focused on the choice of materials for the realization of IDTs to be used at very high temperatures, in air, for weeks periods, the current state-of-the-art operating temperature being close to 850 °C. Achieving high temperature IDTs requires finding a conductive material, physically and chemically stable under oxidizing conditions up to 1000°C, which retains its properties when grown as a thin layer. A recent study has highlighted the relevance of bulk Ir-Rh binary alloys for applications closely related to the targeted ones. The objective of this project is to transfer the properties of bulk Ir-Rh alloys to Ir-Rh thin layers, by collecting new thermodynamic data for the Ir-Rh binary system. Despite the difficulties of thermal analyses which were conducted up to 2300 °C, we have been able to carry out the first experimental measurements of solid-liquid temperatures equilibria (solidus and liquidus) of some Ir-Rh alloys. An important part of the work was afterwards devoted to the realization of Ir-Rh thin films deposition campaigns to optimize the key parameters and obtain films having the relevant stoichiometry and microstructure. Finally, the performance of SAW devices, made from optimized thin films, was evaluated. Very promising results were obtained: after a stabilization phase in the early hours of annealing, the SAW signal was unchanged throughout a 2 months period at 800 °C in air atmosphere.

O presente trabalho trata do estudo do fatiamento de cristais de quartzo quanto as suas características e influências na fabricação de micro sistemas eletromecânicos (MEMS). A metodologia é iniciada pelo projeto estruturado de um MEMS, convergindo para um gerador energia elétrica do tipo energy harvest, capaz de gerar energia limpa, renovável, de escala reduzida (micro componente), de baixa potência e com vistas para aplicação comercial. Geração de energia tem se tornado um tema cada vez mais frequente, em especial energia para sistemas autônomos (wireless) aonde o uso de baterias é restritivo ou até mesmo inviável devido às dimensões e dificuldade de manutenção. A fabricação de MEMS é a etapa de maior investimento financeiro e por consequência, maior estudo. No caso do gerador de energia, a ênfase recai sobre os processos de corte, que consomem a maior parte do processo fabril. O objetivo do presente trabalho é avaliar o processo de corte abrasivo do quartzo e a influência dos defeitos impregnados pelo processo, sobre o desempenho de geradores de energia piezelétricos baseados em quartzo sintético e natural. Os processos de corte com uso de fita abrasiva (band saw) e disco abrasivo (dicing saw) se destacaram devido aos bons resultados, disponibilidade, produtividade e baixo custo. Procedimentos de corte também foram realizados em outros materiais - Alumina Policristalina 99,8% e Silício (111) - como estudo comparativo das características do mecanismo de remoção de material aplicado aos processos de corte abrasivos. Os parâmetros de corte foram trabalhados em busca de melhor qualidade, que significa redução da impregnação de falhas (principalmente, o chipping e backside chipping) e melhor acabamento das superfícies geradas pelo corte final. Foram obtidas peças nos planos AT, X, Y e Z, com espessuras a partir de 0,5 mm, segmentadas em larguras de 1 a 7 mm. / This work is a study of characteristics and influences of cutting process in manufacturing of microelectromechanical systems (MEMS) based on quartz single crystal. The methodology starts by the structured design of a MEMS device, converging to an electric power generator device, type energy harvest that generates clean energy, renewable, with small dimensions (micro component) and low power. Power generating has become a frequent topic, especially the power generation for wireless devices systems, which use of batteries can be restrictive or even impracticable because of dimensions and difficult of maintenance. The base of the study is the process manufacturing of MEMS, which is the major investment and because of this, the most studied stage. In the case of a power generator, the emphasis is on the cutting process that consumes most part of the work flow. The objective of this work is evaluate the abrasive cutting process of quartz and the influence of defects generated by the cutting process applied to the performance of piezoelectric power generators based on synthetic and natural quartz crystal. The abrasive cutting process of band saw and dicing saw were featured due availability and high productivity with low cost. Procedures of cutting were also applied in other materials - Alumina Polycrystalline 99,8% and Silicon (111) - as comparison for material removal mechanism in cutting process. The process parameters were optimized to reach better cutting quality, which means reduction in faults (mainly, chipping and backside chippings) and better surface finishing from cutting process. It was obtained pieces from AT, X, Y and Z cutting plans, with thickness starting from 0,5 mm and widths from 1 to 7 mm.

L’objectif des travaux de cette thèse est la réalisation de capteurs magnétiques à ondes élastiques de surface (SAW). Nos études réalisées dans ce cadre se sont focalisées sur la modélisation et la réalisation de dispositifs magnéto-élastique SAW à base de structures multicouches sensibles au champ magnétique. Une géométrie multicouche offrant plusieurs degrés de libertés permettant d’agir sur les performances du capteur a été considérée. La configuration de cette structure est : Substrat piézoélectrique/électrodes interdigitées/Couche isolante/Couche sensible magnéto-élastique. Les différents paramètres de la structure, notamment les épaisseurs des différentes couches et leurs natures ont été optimisées théoriquement au regard du facteur de qualité, du facteur de couplage électromécanique et de la sensibilité au champ magnétique. Des dispositifs utilisant les configurations optimales ont été réalisés et caractérisés et leurs performances comparées au prédiction théoriques. Nous avons montré que le capteur peut être conçu pour répondre aux besoins de l’application en ce qui concerne la gamme de l’intensité du champ à mesurer et de la sensibilité visée. Ainsi le CoFeB utilisé comme couche sensible magnéto-élastique permet une meilleure sensibilité mais sur une étendue étroite du champ magnétique alors que le nickel permet d’étendre la gamme de mesure mais avec moins de sensibilité. Nous avons également montré que l’utilisation comme couche isolante de matériau dur comme l’alumine permet une meilleure sensibilité. Cette sensibilité est également fortement augmentée pour un fonctionnement à hautes fréquences / The aim of this Ph.D. Thesis is to study piezo-magnetic surface acoustic wave (SAW) sensor. Accurate and fully coupled physical model was numerically implemented in order to investigate the sensitivity of SAW devices using the magneto-elastic interaction with an external magnetic field. The different parameters of the structure, including the thicknesses of the various layers and their natures were theoretically optimized with regard to the quality factor, the electromechanical coupling factor and the sensitivity to the magnetic field. Devices using the optimal settings have been made and characterized, and their performance compared to the theoretical prediction. We have shown that the sensor can be designed to meet the needs of the application as regards the range of the field strength to be measured and the target sensitivity. Thus the CoFeB used as magneto-elastic sensitive layer provides better sensitivity but on a narrow stretch of the magnetic field while the nickel expands the measurement range but with less sensitivity. We have also shown that the use of hard material as insulating layer, such as alumina, allows better sensitivity. This sensitivity is also greatly increased when the sensor is operating at high frequencies

This project deals with design and realization of the spectrum analyser using double superheterodyne topology with frequency range up to 500MHz. This work solves hardware blocks like phase lock loops, intermediate frequency filters, saw filter, crystal filter, logarithmic detector. Content of work is also design description and tuning of spectrum analyzer parts.

SAW based sensors can offer wireless, passive operation in numerous environments and various device embodiments are employed for retrieval of the sensed data information. Single sensor systems can typically use a single carrier frequency and a simple device embodiment, since tagging is not required. In a multi-sensor environment, it is necessary to both identify the sensor and retrieve the sensed information. This dissertation presents the concept of orthogonal frequency coding (OFC) for applications to SAW sensor technology. OFC offers all advantages inherent to spread spectrum communications including enhanced processing gain and lower interrogation power spectral density (PSD). It is shown that the time ambiguity in the OFC compressed pulse is significantly reduced as compared with a single frequency tag having the same code length and additional coding can be added using a pseudo-noise (PN) sequence. The OFC approach is general and should be applicable to many differing SAW sensors for temperature, pressure, liquid, gases, etc. Device embodiments are shown and a potential transceiver is described. Measured device results are presented and compared with COM model predictions to demonstrate performance. Devices are then used in computer simulations of the proposed transceiver design and the results of an OFC sensor system are discussed.

Currently, there is no equipment to measure the real-time fit of EHMR or N-95masks which are used in harsh environments. Improper fit of these EHMRs or N-95 masks exposes the personnel to hazardous environments. Surface acoustic wave (SAW) sensors have been around for few decades and are being used in various applications. In this work, real-time PM2.5 detection using passive wireless SAW sensors is presented. The design of meander antenna at 433MHz for wireless interrogation of SAW sensor using HFSS and ADS is also presented in this thesis. This works also includes the design of YZ-lithium niobate SAW sensor including COMSOL simulation.

Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements / In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings

International Telemetering Conference Proceedings / October 28-31, 1996 / Town and Country Hotel and Convention Center, San Diego, California / In this paper design and development of a PC- Based S- Band Down Converter/ FM Telemetry Receiver are discussed. With the advent of Direct Digital Synthesis (DDS) & Phase Locked Loop (PLL) technology, availability of GaAs & Silicon MMICs, Coaxial Resonator Oscillator (CRO), SAW Oscillator, SAW Filters and Ceramic Filters, realisation of single card PC- Based Down Converter and Telemetry Receiver has become a reality. With the availability of Direct Digital Synthesis and Phase Locked Loop devices having microprocessor bus compatibility, opens up many application in Telemetry and Telecommunications. In this paper design of local oscillator based on hybrid DDS & PLL technique, Coaxial Resonator Oscillator and Front-end are discussed in detail.

Ce travail a pour objectif de développer de nouveaux microcapteurs à onde acoustique de surface (SAW) capables de détecter le dioxyde de souffre (SO₂) à l’échelle de traces par l’intermédiaire d’une couche sensible à base d’un polymère fonctionnel. Une famille originale de cinq polyuréthaneimides (PUIs) à blocs contenant un nombre contrôlé de sites amines tertiaires de structures différentes a été synthétisée et caractérisée. Ces matériaux présentent des propriétés originales, en solution et à l’état solide, qui sont dues essentiellement à la présence des sites basiques et à la structure à blocs associant des blocs souples polyéthers et des blocs rigides en partie fluorés. Leur excellent caractère filmogène a permis leur application en tant que couche sensible au SO₂ sur des microcapteurs SAW. Deux structures de microcapteurs à onde de Love, bicouche et tri-couche, ont été développées en respectant les conditions de génération de l’onde. La structure bicouche comporte le Quartz-ST 90° comme substrat et l’un des PUIs joue le double rôle de couche guidante et sensible. Cette structure génère bien l’onde de Love mais elle présente une forte sensibilité à la température, inconvénient majeur pour les capteurs de gaz. L’ajout d’une couche guidante à base de ZnO, dans une structure tri-couche, a permis de rendre le dispositif peu sensible à la température et donc compatible avec l’application visée. Les résultats des tests de détection du SO₂ montrent que tous les PUIs étudiés contribuent à une amélioration de la sensibilité comparativement au dispositif sans couche polymère. La présence des sites amines tertiaires conduit à une amélioration importante de la sensibilité qui n’est pas seulement gouvernée par leur basicité mais également par leur encombrement stérique dont le rôle apparaît déterminant / This work aimed at developing new surface acoustic wave (SAW) microsensors capable of detecting traces of sulfur dioxide (SO₂) through a sensitive layer based on a functional polymer. An original family of five polyurethaneimide (PUI) block copolymers containing a controlled number of tertiary amine sites with different chemical structures was synthesized and characterized. These materials exhibited original properties in solution and solid state, which were mainly due to the presence of the basic sites and the block structure combining polyether soft blocks and partially fluorinated hard blocks. Their excellent film-forming character allowed their application as SO₂ sensitive layers on SAW microsensors. Two bi-layer and three-layer structures of Love wave microsensors were developed by respecting the conditions of the Love wave generation. The bi-layer structure included the Quartz ST-90° as the piezoelectric substrate and one of the PUIs acting as both guiding and sensitive layer. This structure generated the Love wave but its high sensitivity to temperature was a major drawback for gas sensors. The addition of a ZnO guiding layer in a three-layer structure led to a microsensor almost insensitive to temperature and thus compatible with the targeted application. The experimental results for SO₂ detection showed that all the PUIs contributed to improve the sensitivity compared to the device without polymer layer. The presence of tertiary amine sites led to a significant improvement in gas sensitivity which was not only governed by their basicity but also by their steric hindrance which played a determining role

Ces travaux ont donc visé le développement d’une plateforme complète de détection de gaz pour environnement sévère haute température. Cette plateforme intègre un dispositif à ondes acoustiques de surface sur substrat Langasite, une résistance chauffante, une couche sensible inorganique nanostructurée et est placée dans une enceinte hermétique. Des températures de l’ordre de 450°C ont été atteintes et des tests de cyclages ont démontré un fonctionnement en accord avec les modèles théoriques et une reproductibilité des mesures. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm. / Measuring pollutants concentrations in gas and vapors emissions are important environmental issues. This work presents a stand-alone portable device for high temperature assessment. The system includes a Langasite (LGS) acoustic sensor, a ceramic heater and a platform with RF connections for remote in-situ measurements. The packaging consists in a hermetic stainless steel cell which enables safe gas detection. In situ temperature measurements have been achieved and the thermal behavior was successfully investigated in the temperature range 25-450°C. The designed cell highlights good agreement with theoretical models and reproducibility of the measures. Volatile organic compounds exposures have been investigated and promising ppm level detections have been obtained.