Cette thèse a été effectuée dans un contexte industriel de forte concurrence en lien avec les capteurs miniatures en silicium, destinés au gigantesque marché dit "consumer", dont l'application phare est le "Smartphone", pour laquelle les fonctionnalités accrues engendrent un besoin en matière de multi-capteurs inertiels dits 10-axes (accéléromètre 3-axes, magnétomètre 3-axes, gyromètre 3-axes et capteur de pression). Tout comme les circuits intégrés, les contraintes de coût de tels capteurs se traduisent par une exigence en termes de densité d'intégration. La technologie M&NEMS (Micro- & Nano- Electro Mechanical Systems) a été développée pour répondre à cette attente. Elle repose sur l'intégration de jauges de contraintes de dimensions nanométriques (~250 nm) avec des structures électromécaniques micrométriques, ce qui prodigue une compacité hors-pair des capteurs, ouvrant la voie à la co-intégration de multi-capteurs sur la même puce de silicium. Toutefois, la nature différente des grandeurs physiques à mesurer impose des contraintes supplémentaires, parfois opposées, ce qui rend leur co-intégration difficile. Partant de ce constat, nous avons exploré et développé, des solutions devant permettre le fonctionnement sous une même pression environnante, d'accéléromètres et de gyromètres à force de Coriolis. Cette problématique de co-intégration, s'étend au-delà du couple accéléromètre-gyromètre. Des questions inhérentes au capteur de pression ainsi qu'aux 3 axes de mesure d'un accéléromètre, sont également traitées dans cette thèse / This thesis was carried out in an industrial context of strong competition in connection with miniature silicon sensors for the huge so-called “consumer” market, where the “Smartphone” is the killer application; its increasing functionality creates a need for the so-called ‘10-axis' inertial multi-sensors (3-axis accelerometer, 3-axis magnetometer, 3-axis gyro sensor and pressure). Similarly to integrated circuits, cost constraints on such sensors translate into a requirement in terms of integration density. The M & NEMS (Micro- & Nano- Electro-Mechanical-Systems) technology has been developed to meet this expectation. It is based on the integration of nanoscale (~ 250 nm) strain gauges together with micrometric electromechanical structures, which ensure unrivaled compactness, paving the way for the co-integration of multiple inertial sensors on the same silicon chip. However, the different nature of the physical quantities to be measured imposes additional constraints, sometimes conflicting, which leads to a difficult co-integration. Based on this observation, we have explored and developed solutions to allow operation under the same ambient pressure, of accelerometers together with Coriolis force based gyroscopes. This issue of co-integration extends beyond the accelerometer-gyroscope couple. Issues inherent to the pressure sensor and to the 3-axis accelerometer measurements, are also addressed in this thesis

Cette thèse présente la conception d'un microgyromètre MEMS triaxial. Les microgyromètres ont de nombreuses applications telles que le contrôle d'attitude de drones ou l'interfaces homme/machine. Les microgyromètres triaxiaux sont particulièrement avantageux car ils permettent de déterminer les trois composantes de la vitesse de rotation à partir d'un seule structure monolithique et planaire. Le principe de fonctionnement des gyromètres vibrants à effet Coriolis (CVG) a été étudié analytiquement, puis une structure originale de gyromètre triaxial monolithique et planaire a été conçue. Cette structure est constituée de quatre poutres encastrées sur un cadre déformable. Des prototypes en silicium ont été réalisés et caractérisés. L’arséniure de gallium (GaAs) a été sélectionné pour la réalisation en raison de ses propriétés piézoélectriques et de son fort potentiel de miniaturisation. Un système d’électrodes pour l'excitation et la détection des vibrations mécaniques a été mis au point. Deux procédés d'usinage du GaAs ont été développés, un procédé de gravure chimique et un procédé de gravure plasma permettant tous les deux de graver verticalement le GaAs sur 450 micromètres de profondeur. Le procédé de gravure plasma est compatible avec la réalisation du CVG triaxial. Des résonateurs de test en GaAs dopé Carbone ont été réalisés par gravure chimique pour mesurer l'évolution en température de la résistivité et des propriétés électromécaniques de ce matériau. Ces mesures ont permis d'estimer que les marches aléatoires angulaires du CVG triaxial sont inférieures à 0,025 degré par racine d'heure sur la gamme de température [-40°C +80°C] pour les trois axes de mesure. Ceci situe le potentiel du CVG triaxial conçu parmi les CVG MEMS les plus performants. / This PhD present the conception of a triaxial MEMS microgyro. Microgyros offer a wide range of applications varying from drones attitude control to human interface devices. The triaxial microgyros offer great benefits because they allow determination of the three rotation rate components with only one monolithic planar structure. The operating principle of Coriolis Vibrating Gyro (CVG) has been studied analytically and an original structure has been designed. This structure consists of four beam clamped into a deformable frame. Some silicon prototypes have been machined and characterised. The gallium arsenide (GaAs) has been chosen for the realisation because of its piezoelectric properties and its great miniaturization potential. A transduction system based on GaAs piezoelectricity was developed. Two GaAs machining processes have been developed: a chemical etching process and a plasma etching process which both enable 450 micrometers deep vertical etching. The plasma etching technique allows high fidelity enough machining to be compatible with the triaxial CVG realisation. Some C-doped GaAs test resonators have been realised to measure the resistivity temperature dependency and electromechanical properties of this material. Those characterisations lead to estimate the angular random walk for the three axis ranges below 0,025 degree per square root hour on the temperature range [-40°C +80°C]. This sets the triaxial CVG together with the best monoaxial MEMS CVG.

Le développement constant des microsystèmes a rendu possible l'apparition d'un nouveau type de capteur de vitesse de rotation : les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Ces capteurs ont des dimensions et des coûts de fabrication sans communes mesures comparées aux gyromètres classiques (i.e. gyromètre à toupie, gyromètre laser, gyromètre à fibre optique...), mais en contrepartie ils ont des performances nettement en retrait. Ils sont destinés à des applications nouvelles telles que le pilotage de micro-drones, la stabilisation d'image dans les appareils photographiques, le contrôle dynamique de trajectoire dans l'automobile, etc.<br />L'objet de ce travail porte sur l'étude spécifique du matériau piézoélectrique utilisé dans les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Aujourd'hui le quartz, faiblement piézoélectrique, est le matériau utilisé, du fait de ses très bonnes propriétés thermomécaniques et de la grande maîtrise des technologies de sa mise en oeuvre (due à son utilisation massive dans l'industrie horlogère). C'est dans le contexte de l'émergence de nouveaux matériaux de synthèse plus fortement piézoélectriques que s'inscrit mon travail de thèse qui consiste en l'étude de l'apport des nouveaux matériaux piézoélectriques dans le domaine des micro-gyromètres vibrants.<br />Pour répondre à cette problématique nous avons suivi la démarche suivante. Dans un premier temps, il a été développé un modèle analytique de gyromètre vibrant piézoélectrique permettant d'appréhender les performances du capteur (facteur d'échelle et résolution de mesure). Ainsi, il a été possible d'identifier les paramètres matériaux clés et de comparer les différents matériaux d'un point de vue théorique. Puis, les différentes étapes de réalisation des maquettes de gyromètre en PZT, GaPO4 et langasite sont décrites. Enfin, la caractérisation des maquettes de gyromètre en PZT et GaPO4 et la validation du modèle par la confrontation des résultats théoriques et expérimentaux sont présentées.

Cette thèse présente la conception d'un microgyromètre MEMS triaxial. Les microgyromètres ont de nombreuses applications telles que le contrôle d'attitude de drones ou l'interfaces homme/machine. Les microgyromètres triaxiaux sont particulièrement avantageux car ils permettent de déterminer les trois composantes de la vitesse de rotation à partir d'un seule structure monolithique et planaire. Le principe de fonctionnement des gyromètres vibrants à effet Coriolis (CVG) a été étudié analytiquement, puis une structure originale de gyromètre triaxial monolithique et planaire a été conçue. Cette structure est constituée de quatre poutres encastrées sur un cadre déformable. Des prototypes en silicium ont été réalisés et caractérisés. L'arséniure de gallium (GaAs) a été sélectionné pour la réalisation en raison de ses propriétés piézoélectriques et de son fort potentiel de miniaturisation. Un système d'électrodes pour l'excitation et la détection des vibrations mécaniques a été mis au point. Deux procédés d'usinage du GaAs ont été développés, un procédé de gravure chimique et un procédé de gravure plasma permettant tous les deux de graver verticalement le GaAs sur 450 micromètres de profondeur. Le procédé de gravure plasma est compatible avec la réalisation du CVG triaxial. Des résonateurs de test en GaAs dopé Carbone ont été réalisés par gravure chimique pour mesurer l'évolution en température de la résistivité et des propriétés électromécaniques de ce matériau. Ces mesures ont permis d'estimer que les marches aléatoires angulaires du CVG triaxial sont inférieures à 0,025 degré par racine d'heure sur la gamme de température [-40°C +80°C] pour les trois axes de mesure. Ceci situe le potentiel du CVG triaxial conçu parmi les CVG MEMS les plus performants.

Ce mémoire présente la conception et réalisation d'un montage expérimental pour le développement d'un interféromètre à atomes froids de 87Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l'objectif final étant la réalisation d'un capteur inertiel de rotations. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous a permis d'identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d'un paquet d'onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l'interféromètre atomique, ainsi que toute l'électronique de contrôle de cette expérience. / This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment.

Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

Ce manuscrit décrit l'étude et le développement de capteurs inertiels fondés sur l'utilisation de l'interférométrie atomique. Une introduction historique du domaine est suivie d'une description du principe de fonctionnement des interféromètres, fondés sur l'utilisation de transition Raman stimulées comme séparatrices atomiques d'une part et d'atomes refroidis par laser d'autre part. L'étude porte principalement sur trois systèmes expérimentaux : deux gyromètres et un gravimètre. Leurs performances respectives sont présentées et comparées à l'état de l'art des capteurs standard et mises en perpective des différents domaines d'application envisagés. Les limites expérimentales sont identifiées comme étant liées à l'interaction entre atomes et séparatrices lasers. Le manuscrit se termine par une présentation des perspectives en terme de performances ultimes et de nouveaux concepts, notamment fondés sur l'utilisation d'atomes ultra-froids, ainsi que d'un certain nombre de missions spatiales envisagées utilisant des capteurs inertiels par interférométrie atomique.

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.

Depuis les développements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matière ont fleuri. On présente la première réalisation d'un gyromètre fonctionnant sur des ondes associées à des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilité et une stabilité inégalées. L'appareil, basé sur l'effet Sagnac, est un interféromètre atomique dont les séparatrices et miroirs sont réalisés à l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées aux nuages d'atomes froids de césium. En sortie de l'interféromètre, le déphasage dépend de la vitesse de rotation et de l'accélération de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'accélération de la rotation. Une géométrie novatrice permet de réduire les déphasages parasites dus aux aberrations des optiques, en rétroréfléchissant les faisceaux lasers réalisant les séparatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caractérisation sont présentées dans cette thèse. Grâce à la mise en place d'un système d'isolation des vibrations, les sensibilités obtenues sur une seconde sont de 2,2.10-6 rad.s-1 pour la rotation et 6,2.10-6 m.s-2 pour l'accélération. Cette première caractérisation a mis en évidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'expérience permettront d'améliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interféromètre a été testé, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette géométrie ouvre la voie à de nouveaux types de gyromètres, de très hautes sensibilité et stabilité.

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.