Les capteurs d’images cherchent de nos jours non seulement à être performant mais également à être adaptés à leur environnement et à de nouvelles utilisations. On peut évoquer le cas des machines et véhicules autonomes par exemple. En raison de la qualité d’image et son coût, une vaste majorité des applications ont aujourd’hui adopté l’usage des pixels CMOS actifs à photodiodes pincées et à illumination par la face arrière.L’originalité de la solution proposée dans ce manuscrit repose l’intégration d’une photogate, utilisée par les capteurs CCD, au sein d’un pixel CMOS. Son utilisation optimise alors l’espace disponible dans le pixel et diminue le nombre d’implantation nécessaire à sa réalisation. Ce développement a également conduit à l’emploi d’une grille de transfert spécifique. Ces deux nouvelles structures auront toutes les deux été élaborées durant cette thèse notamment à l’aide de simulations et de structures de test.La caractérisation de ce nouveau pixel aura démontré de nombreux atouts : entre autres, l’augmentation de la charge à saturation et la réduction du courant d’obscurité. De plus, l’étude détaillée du courant d’obscurité indique une distribution davantage centrée. Celle-ci permet l’identification de contaminants et une meilleure tenue en température en comparaison à une photodiode classique.De nombreuses perspectives s’offrent à la structure telle que la réduction du pas du pixel ou son utilisation dans un environnement contraint en température. / Nowadays image sensors look neither to be efficient, but rather to be adapted to their environment or to new uses. Autonomous machines and vehicles can be mentioned for instance. Because of image quality and cost, a large majority of applications employs CMOS pixels and pinned back-side illuminated photodiodes.The originality of the solution proposed in this manuscript relies on the integration of a photogate, used by CCD sensors, inside a CMOS pixel. Its use optimize the available space inside the pixel and decrease the number of implantation needed to its realization. This development has also led to the use of specific transfer gate. Both structures have been created during this thesis and designed using simulation and specific test structures.The characterization of the developed pixel demonstrate many assets such as an increase of saturation charges and a reduction of dark current. Furthermore, a detailed study of the dark currant indicates a more gathered pixel distribution, allowing the identification of contaminants and a better temperature handling in comparison to a classical photodiode.The proposed structure offers many perspectives such as reduction of the pixel pitch or its potential use in an environment with a temperature constraint.

L'autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d'énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l'utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l'énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l'usage de l'énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d'une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s'adapte à l'énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l'une de capacité faible et l'autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d'interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d'abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l'architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d'un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d'énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d'efficacité d'usage de l'énergie, elles permettent d'atteindre jusqu'à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs. / Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultra-capacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

L'effet MagnétoElectrique (ME) traduit la polarisation d'un élément diélectrique et l'aimantation d'un diélectrique lorsqu’il est soumis, respectivement, à un champ magnétique et à un champ électrique. Cette propriété a permis de mettre en œuvre des capteurs Magnéto(Elasto)Electrique pour la mesure du champ magnétique ou électrique. De nombreuses études sur les couplages de matériaux (forme, taille, dimension…) ont été effectuées afin d’améliorer les performances en terme de sensibilité et de bruit de ces capteurs. Les meilleurs niveaux de bruit (en termes de densité spectrale) mesurés pour ce type de dispositif en mode passif sont, respectivement, de 5 pT/sqrt(Hz), 0,2 pT/sqrt(Hz) et environ une cinquantaine de 50 fT/sqrt(Hz), respectivement à 1 Hz, en zone de bruit blanc et à la résonance.Certains laboratoires, dont le GREYC, s’intéressent plus particulièrement à l’étude des performances ultimes de capteurs magnétiques en optimisant, notamment, l’électronique de conditionnements et en utilisant leurs propriétés non linéaires. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre. Elle avait pour objectif l’étude des performances de capteur Magnéto(Elasto)Electrique en mode non linéaire et aux basses fréquences. Pour cela, des structures originales de conditionnent ont été développées en termes de polarisation, d’excitation et d’asservissement. L’étude théorique des performances montre que le bruit du capteur peut atteindre des niveaux bien inférieurs au pT/sqrt(Hz) à 1 Hz pour les capteurs étudiés, si les performances obtenues ne sont pas limitées par le bruit de l’électronique de conditionnement et leur sensibilité. Cette étude a été l’objet de ce travail de thèse. / The MagnetoElectric effect traduces the polarization of a dielectric element and the magnetization of a dielectric under respectively a magnetic field and an electric field. This property allows the development of Magneto(Elasto)Electric sensors for measuring a magnetic or an electric field. Several analyses regarding the material coupling (shape, size, dimensions…) have been made in order to increase the performances in terms of sensibility and in terms of noise of these sensors. The best noise levels (in term of spectral density) measured for these types of sensors are respectively 5 pT/sqrt(Hz), 0.2 pT/sqrt(Hz) and around 50 fT/sqrt(Hz) at 1 Hz, at white noise zone and at resonant frequency.Some laboratories, including the GREYC, are interested more specifically on the studies of the ultimate performances of magnetic sensor by optimizing the conditioning electronics and by using their nonlinear properties. This thesis lies in this framework. It had for objective, to study the performances of the Magneto(Elasto)Electric sensor in nonlinear mode and at low frequencies. For these, some original conditioning structures have been developed in terms of polarization, excitation and servo system. The theoretical study of these performances show the sensor intrinsic noise can reach lower than pT/sqrt(Hz) at 1 Hz for the studied sensor if the obtained performances are not limited by the conditioning electronics and their sensitivity. This study has been the object of this thesis work.

Aujourd’hui l’électronique fait partie intégrante de nos vies. En effet, de plus en plus d’objets intègrent de l’électronique permettant de les connecter, on appelle cela l’internet des objets (IoT). Tous ces dispositifs disposent d’une connectivité sans fil, rendant ainsi indispensable l’intégration d’une ou plusieurs antennes. De plus, l’électronique devant s’adapter à des objets de plus en plus petits et flexibles embarquant de plus en plus de capteurs tout en consommant de moins en moins d’énergie, il est intéressant de se pencher sur l’étude de nouveaux matériaux pour la réalisation d’antennes devant s’adapter à ces nouvelles contraintes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche, à la conception de structures antennaires à base de métaux liquides à température ambiante dans le but de réaliser des antennes conformables de formes complexes associant l’impression 3D, des antennes reconfigurables et des structures rayonnantes ayant la capacité de capteur. Dans ce manuscrit des prototypes d’antenne comportant ces caractéristiques ont été simulés, réalisés et mesurés. / Today, electronic is an integral part of our lives. Indeed, more and more objects integrate electronics to connect each other, this is the Internet of Things (IoT). All of these wireless devices need one or more antennas. Furthermore, It’s useful to develop new materials to realize new antennas that fit with new constraints: smaller and flexible objects, more and more sensors and less and less consuming.In this context, we have focused this research on antenna structures based on metals which are liquid at room temperature to realize conformable antennas of complex shapes combining 3D printing, reconfigurable antennas and radiant structures with the ability to sensor. In this manuscript, antenna prototypes with these characteristics have been simulated, realized and measured.

Cette thèse a pour objectif de développer des techniques permettant d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de capteurs destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. La première approche développée dans cette thèse concerne la phase de transport des produits alimentaires. Les protocoles proposés VBS, WaS et eVBS s'adressent à la problématique posée par l'absence de station de base permanente au sein du petit réseau déployé dans un camion où les nœuds sont en visibilité directe. Ces méthodes ont le triple avantage de présenter un faible overhead, d'accroître l'ergonomie de l'application et l'intérêt économique du réseau. Dans l'état de l'art, il n'existe pas de déploiement de très grands réseaux de capteurs sans fil destinés à la surveillance d'une chaîne de froid. Le cœur de cette thèse se positionne ainsi autour de la problématique du passage à l'échelle, en proposant plusieurs approches permettant d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Ainsi des optimisations du routage et des techniques de formation de clusters multi-sauts sont proposées grâce à quelques idées originales d'utilisation de l'indicateur de la qualité de lien. Le protocole L2RP de routage par répartition de charge, le mécanisme SNCR de réduction des clusters singletons ainsi que le protocole LQI-DCP d'optimisation du positionnement des chefs de clusters sont des contributions de cette thèse exploitant le LQI afin d'accroître l'efficacité énergétique du réseau. De plus, nous avons montré que l'heuristique MaxMin de formation de clusters multi-sauts n'est pas compatible avec la topologie de déploiement en grille qui est la plus fréquente dans les architectures de réseaux de capteurs. / Wireless Sensor Networks (WSN) are used today in many applications that differ in their own objectives and specific constraints. However the common challenge in designing WSN applications comes from the specific constraints of micro-sensors because of their limited physical resources such as limited battery lifetime, weak computational capability and small memory capacity. This thesis aims to develop techniques to improve the energy efficiency of wireless sensor networks intended to a cold chain monitoring application. In such area, existing solutions consist of walled temperature recorders in warehouses and transport vehicles, which essentially control the room storage temperature which is not necessarily the product one. By integrating wireless micro-sensor devices with pallets and trays, one allows full real-time tracking of the cold chain originating from factories to the shelves of retailers. The first approach developed in this thesis concerns the phase of transporting food. The proposed VBS, WaS and eVBS protocols address the main issue resulting from the absence of a permanent base station in the small network deployed in a truck where nodes are generally in the same transmission range. These methods have the triple advantages of having a low overhead, increasing the ergonomics of the application and enhancing the economic interest of the network. In the state of art, there is no very large scale deployment of WSN for a cold chain monitoring system. Thus, the core of this thesis addresses the scalability issues by offering several ways to improve overall energy efficiency of the network. So, routing techniques improvement and efficient multi-hop clustering protocols are proposed through some original ideas using the Link Quality Indicator (LQI) provided by the MAC sublayer. The LQI is defined in the IEEE 802.15.4 standard in which its context of use is not specified. The link reliability based routing protocol (L2RP) which load balances the traffic between nodes, the single-node cluster reduction mechanism (SNCR) and the LQI-DCP multi-hop clusters formation protocol which improves clusterhead locations are some of contributions of this thesis which exploit the LQI to, significantly, increase the WSN efficiency. We also show that the MaxMin d-cluster formation heuristic does not support the grid deployment topology which is the more often used in WSN architectures.

Le contrôle des polluants environnementaux présents à faible concentration a conduit à la création de détecteurs miniaturisés, à bas coûts et ultra-sensibles, capables d’identifier spécifiquement certaines substances. Dans cette thèse, la méthode de détection explorée repose sur la sensibilité de micro-lasers polymères à une variation d’indice de réfraction. Cette approche a été mise en application pour détecter des métaux lourds (mercure – Hg2+, cadmium – Cd2+ et plomb – Pb2+) dans l’eau potable. En effet les fréquences de résonance de ces micro-cavités sont particulièrement sensibles à l’indice de réfraction du milieu extérieur et se déplacent lorsque celui-ci est modifié. Ce système permet ainsi une détection sans marqueur (« label ») en recouvrant la cavité d’une couche de reconnaissance spécifique de l’espèce recherchée. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation de micro-cavités actives, ou micro-lasers, fabriquées avec des polymères dopés par des colorants lasers. En effet les micro-lasers permettent d’augmenter le rapport signal/bruit et de profiter de pics de résonance étroits, même pour des facteurs de qualité de l’ordre de quelques milliers seulement. Le choix de matériaux organiques comme milieu à gain a été dicté par les nombreux avantages qu’ils offrent. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques, les polymères peuvent être fonctionnalisés de manière relativement aisée et l’utilisation de matériaux poreux devrait augmenter la sensibilité en faisant circuler le fluide à tester à l’intérieur même du résonateur. De plus le protocole de fabrication des micro-lasers organiques reste d’un coût modéré et permet une intégration aisée en micro-fluidique. Deux voies différentes ont été explorées dans cette thèse : détection d’une variation d’indice de réfraction avec des cavités non-fonctionnalisées et détection d’ions lourds avec des cavités fonctionnalisées. Dans le premier cas, la sensibilité obtenue est comparable à ce qui est publié pour des micro-résonateurs passifs. Dans le second cas, nous avons réussi à mettre en évidence la présence d’ions mercure jusqu’à 10-6 M. Quelques approches ont été envisagées pour diminuer encore le seuil de détection dont certaines ont été vérifiées expérimentalement. Ainsi, cette étude propose un prototype de composant sur puce pour la détection d’espèces chimiques ou biologiques. / Monitoring of environmental pollutants present at low concentrations requires creation of miniature, low-cost, and highly sensitive detectors that are capable to specifically identify target substances. In this thesis, a detection approach based on refractive index sensing with polymer micro-lasers is proposed and its application to the detection of heavy metal pollutants in water (mercury – Hg2+, cadmium – Cd2+ and lead – Pb2+) is studied. The resonance frequencies of the microcavity are highly sensitive to the refractive indices of the resonator surrounding: the resonances shift by a small amount when the surface refractive index changes, resulting from the interaction of the mode evanescent field with the surrounding medium. This permits label-free detection by coating the resonator with a suitable recognition species. The originality of this work lies in the utilization of active microcavities, or microlasers, created of the dye-doped polymers. Active microcavities offer an enhanced signal/noise ratio as compared to the passive ones and very narrow resonance peaks even at moderate quality factors (Q &#8805- 6000). The choice of polymers as an active medium is connected with a number of advantages they offer: as opposite to semiconductors, polymers can be easily functionalized, integrated in microfluidic circuits and are cheaper in processing. Moreover, the use of porous polymer matrices may allow accumulation of analyte ions inside the microcavity and thus enhance the sensitivity. Two possible applications of microlasers are investigated in the thesis: refractive index variation sensing with non-functionalized cavities and heavy metal ion detection with functionalized cavities. In the first case, the sensitivity values have been obtained, comparable with the reported in literature for planar passive microresonators. In the second case, the experimental proofs of specific detection of mercury ions in liquid are presented. The ways of sensitivity improvement are discussed and verified and a foundation is layed for the creation of integrated Lab-on-Chip microfluidic biochemical detector.

L’utilisation de micromembranes suspendues chauffées par effet Joule comme source de rayonnement infrarouge est une piste prometteuse pour la réalisation de détecteurs de gaz compacts, basse consommation et à bas coût. Afin d’améliorer l’efficacité de ces dispositifs récemment introduits, il est nécessaire d’optimiser ceux-ci à la fois du point de vue optique et thermique.En ajoutant des résonateurs plasmoniques frustrés sur les membranes, il est possible de modifier l’émissivité de ces dernières, afin de contrôler spectralement et angulairement le rayonnement émis. De cette façon, la puissance utile est augmentée, tandis que la consommation électrique diminue. D’autre part, l’étude en profondeur des rôles des différents canaux thermiques conduit à relier rayon de la membrane, temps de chauffe et énergie disponible par mesure et de définir un régime optimal de fonctionnement dynamique.Finalement les membranes sont fabriquées en salle blanche et caractérisées électriquement, optiquement et mécaniquement afin d’estimer les gains en performances. La réalisation d’un prototype de capteur de CO2 à 4,26 µm à partir de ces sources indique des précisions de l’ordre de la vingtaine de ppm pour une consommation d’un milliwatt, en compétition favorable avec l’état de l’art mondial dans ce domaine. / Joule-heated suspended microhotplates can be used as infrared sources in cheap, low-consumption spectroscopic gas sensors. To enhance the very low efficiency of first generation structures, both their thermal and optical designs have to be optimized.The implementation of frustrated plasmonic resonators on top of the membrane grants both spectral and angular control of its emissivity. It is thus possible to make it radiate only at the frequencies absorbed by the gas under study, and in the solid angle of the detector. This leads to an increase in useful radiated power while the overall electrical consumption is decreased. Dynamical studies of membrane heating provide welcome insight on the relationship between membrane radius, heating time and energy consumption per measurement. The existence of a compromise is demonstrated in order to maximize the radiative efficiency, and its physical interpretation is detailed.Eventually, membranes fabricated in LETI’s clean room were characterized to measure their electrical, optical and mechanical properties. The implementation of such sources in a CO2 prototype sensor led to state-of-the-art results, with a few dozen ppm sensitivity with a power consumption of only one milliwatt.

Les travaux de la présente thèse concernent l’étude théorique et la réalisation d’un Capteur réparti à Fibres Optiques fondé sur la réflectométrie fréquentielle et la rétrodiffusion de Rayleigh. La genèse de cette méthode remonte aux années 80 pour les mesures distribuées. Il y a un peu plus d’une dizaine d’années qu’elle a été mise en œuvre secrètement pour les meures réparties (continument sensibles) par la société américaine « Luna Innovations ». Cette approche permettant de réaliser des profils continus le long de la fibre des paramètres environnants (température et déformation principalement) offre une très bonne résolution spatiale ainsi qu’une résolution de mesure fine et présente donc un grand intérêt pour de nombreuses applications, venant ainsi en complément des techniques reposant sur la diffusion Raman ou Brillouin. L'aspect théorique de cette méthode dite OFDR Rayleigh a été analysé. Pour effectuer une mesure profilométrique il est nécessaire de déterminer simultanément deux informations : la distance physique allant de l’entrée de la fibre jusqu'au point où un paramètre physique à mesurer a été appliqué, et le paramètre physique proprement dit. Pour réaliser cette mesure un lien entre l'influence du paramètre d’influence et le changement d'indice du cœur de la fibre sous test doit être exploité. Il s’agit donc des sensibilités de mesure, mais aussi de l’influence de l’environnement sur le chemin optique parcouru, et donc sur la localisation précise des points de mesure. Ces différents aspects ont donc été analysés et rapportés dans le présent mémoire. Pour mettre en œuvre cette technique fréquentielle, et en particulier son traitement de signal, relativement complexe, deux méthodes différentes ont été proposées : la première dite « corrélationnelle » (mise en œuvre par « Luna Innovations » mais très peu documentée) et la méthode « tensorielle » proposée uniquement dans le cadre de la présente étude. Etant fondée sur les mesures répétitives des décalages spectraux induits par le paramètre physique à mesurer le long de la fibre, la méthode corrélationnelle est plus universelle, s’adressant à tous types de paramètres d’influence. Pourtant, elle s’avère moins précise du fait d'une erreur systématique dans le calcul des décalages spectraux. La méthode tensorielle, quant à elle, fournit un résultat plus précis, cependant elle n'est applicable que pour les mesures de déformations, puisque reposant sur l'effet élasto-optique dans le cœur de la fibre. Une procédure de traitement de signal a ensuite été élaborée pour les deux méthodes précitées, la corrélationnelle et la tensorielle. Les performances capacités de l'appareil dont nous disposons, Luna OBR 4600, ont également été montrées, tant en ce qui concerne les mesures de température que de déformations. Un banc expérimental mettant en œuvre cette méthode de mesure OFDR-Rayleigh a également été conçu est mis au point au laboratoire. Un logiciel de traitement des données a de fait été élaboré est réalisé. Ce programme a été testé à l'aide d'une simulation et grâce à l’utilisation des données brutes délivrées par l’appareil Luna OBR 4600. Plusieurs tests du programme de traitement des données brutes de cet instrument ont été réalisés. Les résultats de ces tests peuvent être considérés plutôt comme satisfaisants, étant globalement en bon accord avec les résultats fournis directement par l'instrument commercial OBR 4600. Au-delà, de nombreux exemples d'applications innovantes de la méthode Rayleigh OFDR ont été présentés et illustrés. Parmi ceux-ci, citons, le système de détection de fuites de sodium liquide pour la surveillance de fonctionnement des circuits de refroidissement des réacteurs de génération IV que nous avons élaboré, grâce à cette méthode Rayleigh OFDR, et un prototype industriel d'un tel système proposé. Enfin, l’analyse des points pouvant faire l’objet d’améliorations et/ou de marges de progrès a été menée, et est rapportée en fin de mémoire. / The present PhD thesis have been carried out at the Laboratoire de Mesures Optiques (Optical Measurement Laboratory) based at CEA Saclay Nuclear Research Center, France. It concerns theoretical analysis and experimental realizations of a “distributed Optical Fiber Sensor” based on Optical Frequency Domain Reflectometry using the Rayleigh backscattering phenomena. As the OFS community know, such technology has been developed by the US company Luna Innovations Inc., which keeps carefully secret any details of both the technology involved and the signal processing of such instruments, named OBR (Optical Backscattered Reflectometer). Advantageously, the present Rayleigh-OFDR method provides a very high spatial resolution (in comparison with other methods based on reflectometry, i.e. OTDR, DTS Raman, Brillouin BOTDR and BOTDA…) and so remains extremely sought for many applications, especially for Structural Health Monitoring. In the present PhD thesis the theoretical aspects of the Rayleigh OFDR method has been presented. As a reminder, in order to measure a physical parameter profile along the fiber, it is required to determine two subjects simultaneously: the distance at which the physical parameter is applied (i.e. the sensor address) to the fiber under test, and the amplitude of this parameter (i.e. “the measurement” itself). A relation between the influence of any environment parameter (temperature, strain, etc.) and the fiber core refractive index changes has to be used. These relations have been shown, as far as the hypothesis linked to the theoretical aspects. Two different methods for such measurement have been proposed: first of all the “correlation method” (used by Luna) and second “a tensor-based method”, fully innovative as developed during the present PhD thesis. The correlation method may be considered as more “universal” as based on the measurement of spectral shifts caused by the physical parameter to measure. But, in the same time, we consider it is less accurate, as a systematic error may somehow fail the spectral shift calculation algorithm. The tensor method do not suffer of such systematic error, but it remains only applicable to strain sensing, as based on the elasto-optic effect. Signal processing procedure has been elaborated and tested for both methods, and of course discussed in the manuscript. In the same time, performances of the existing Luna OBR 4600 reflectometer has been tested at Lab. and are reported for both temperature and strain measurements. An optical mock-up for Rayleigh OFDR method has also been developed. A software, dedicated to signal processing has been fully developed either. This program has been tested for simulated sensing signals and for raw data delivered by the Luna OBR 4600 reflectometer. Results of such tests could be considered as satisfactory, even some questions to be solved remains. Finally, some practical examples of Rayleigh OFDR industrial applications have been shown and detailed. Moreover, in such context of real applications on field, an innovative Rayleigh OFDR system devoted to liquid sodium leakage detection around secondary cooling circuitry of generation IV nuclear reactors has been developed and tested on a nuclear installation. An industrial prototype of such measurement system has been elaborated. Finally, way of progress are analyzed and discussed for future R&D activities.

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques. / Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est donc nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis pour ces travaux de recherche : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Le premier repère la déformation locale de fibres optiques noyées à moins d'un centimètre sous la surface de la chaussée. Il utilise la variation de longueurs d'onde engendré par l'extension de la fibre à la zone de contact roue - sol. En utilisant un algorithme adéquat, il est insensible à la température. Le second est constitué de deux conducteurs dont un est résistif. Le poids du véhicule engendre un contact électrique entre les deux conducteurs, transformant la résistance électrique de l'ensemble. Les modèles développés, électrique ainsi que de variation thermique, permettent sa meilleure utilisation. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère plus performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes. / This action stake is not technology for itself. It is a great help the development of new safety functions, e.g. the estimation of driver’s behaviour based uponthe vehicle’s trajectory. This trajectory is determined via two sensors we developed. This system must not disturb the driver and should therefore remain invisible to him. The first one is a fiber Bragg grating (FBG) sensor. It detects local strain due to the vehicle weight. The fiber is embedded in the road thanks to resin used in other traffic sensors. The vehicle location is spotted according to the variations of Bragg wavelengths. The fiber extension located under the ground - wheel contact zone changes the step of the Bragg grating. The second one is based upon two conductors. One of them has a grater electrical resistance. The vehicle’s weight creates a link between the two conductors. The resulting electrical resistance provides a lateral position estimation of the vehicle. Electrical and thermic models and simulation even increase the sensor reliability. A caveat is lodged. Both of them were tested on a secondary road. To put in a nutshell, the FBG sensor gives better results but is very expensive (sensors and interrogator too). The resistance sensor is not much raw nevertheless it has interesting perspectives.