L'objectif de cette étude est de développer un modèle théorique du champ de pression acoustique réfléchi au-dessus d'un réseau constitué de N cavités rectangulaires. Pour cela, une adaptation de la méthode Kobayashi Potentiel (KP) a été effectuée au cas d'une cavité rectangulaire dans un écran rigide à épaisseur non négligeable. Ce modèle ainsi adapté a été généralisé au cas de réseaux contenant plusieurs cavités rectangulaires parallèles, puis étendu au cas de réseaux de cavités rectangulaires non parallèles. Une étude du couplage a été menée pour comprendre la variation de l'interaction acoustique existant entre les cavités en fonction de l'espacement et de la fréquence. Ce modèle a été comparé aux résultats théoriques, issus de la méthode des éléments finis (FEM), et aux résultats expérimentaux obtenus dans une chambre semi-anéchoïque pour une seule cavité, des réseaux de cavités rectangulaires parallèles et non parallèles. La validité du modèle théorique est soutenu par l'accord observé entre les résultats théoriques et expérimentaux / The purpose of this research project was to develop a theoretical model dealing with reflection of acoustic waves over a grating of N rectangular cavities. Thus, the diffracted acoustic fields were determined by adapting the Kobayashi Potential (KP) method to the case of a cavity. Then, this developed model was generalized to the case of parallel rectangular cavities gratings and then extended to the case of non parallel rectangular cavities ones. A study of the coupling was achieved in order to understand the variation in the acoustic interaction between cavities with spacings and frequency. This model was compared with theoretical results obtained from the finite element method (FEM) and experimental results obtained in a semi-anechoic chamber for a single cavity and gratings of parallel and non-parallel rectangular cavities. The validity of the theoretical model is supported by the agreement between the numerical and experimental results observed

Les développements récents en physique, et technologiques, ont permis l’élaboration de nouveaux matériaux magnéto-électro-élastique, comme les composites multicouches piézoélectriques / piézomagnétiques. Leur coefficient magnétoélectrique, très grand en comparaison de celui des matériaux constitués d’une seule phase, a suscité récemment un grand nombre de travaux, menant au développement de capteurs, d’actionneurs, de systèmes de conversion d’énergie magnétique-électrique, et dans les mémoires à état solide.Cette thèse porte sur l’étude théorique et expérimentale des ondes acoustiques de surface dans des structures multicouches piézomagnétiques. Une description théorique des matériaux magnéto-élastiques, reposant sur la dérivation d’un modèle de matériau piézomagnétique équivalent, est utilisée conjointement à une technique numérique afin de calculer les courbes de dispersion et les formes des modes des ondes acoustiques se propageant dans des composites piézo-électro-magnétiques déposés sur un substrat. Ce modèle, très général, peut être utilisé pour différents types de structures et pour une intensité et une direction quelconques du champ magnétique externe appliqué. Les structures réalisées en salle blanche sont constituées d’un film mince de 20 couches de TbCo2 (5nm)/FeCo(5nm) déposé sur un substrat de LiNbO3 entre deux peignes interdigités. Une comparaison, entre les variations de la vitesse de phase d’ondes acoustiques de surface induites par l’application d’un champ magnétique externe modélisées et mesurées, est réalisée. Un bon accord quantitatif entre les mesures et les calculs théoriques, et cela pour toutes les orientations du champ magnétique (suivant l’axe facile ou l’axe difficile) et pour différents modes acoustiques, est obtenu. Le mode transverse horizontal présente les plus grandes variations de vitesse, proche de 20% pour un film dont l’épaisseur serait celle de la longueur d’onde acoustique / Recent developments in physics and technology allow the elaboration of new magneto-electro- elastic materials such as multilayered piezoelectric-piezomagnetic composites. Their large magne- toelectric coefficient, compared to the one of single phase materials, recently attracted a large number of studies, and they are now widely used in the development of sensors, actuators, magnetic- electric energy converting devices, and solid state memories.This PhD thesis addresses the experimental and theoretical investigations of guided elastic waves propagation in piezomagnetic multi-layered structure. A theoretical description of magneto- elastic materials, based on the derivation of an equivalent piezomagnetic material of a magnetostric- tive thin film, is used in conjunction with a numerical method to compute propagation constants, i.e. dispersion curves, and mode shapes of elastic waves in layered piezoelectric-piezomagnetic com- posites deposited on a substrate. This model can be used for different structures, and for an applied external magnetic field of any intensity and direction.The realized structures are composed of a 20xTbCo2(5nm)/FeCo(5nm) nanostructured multi- layer deposited between two Aluminum Inter-Digitals Transducers forming a surface acoustic wave delay line, on a LiNbO3 substrate. A comparison between the calculated and measured phase velocity variation under the action of the external magnetic field orientation and magnitude is made. A quantitative agreement between the measured and modeled phase velocity shift for all external magnetic field configurations (hard axis and easy axis) and for different shape modes of elastic waves at their first and third harmonic operation frequencies is obtained. The shear horizontal mode exhibits a maximum phase velocity shift close to 20% for a ratio close to 1 between magneto-elastic film thickness and wavelength

La génération d’impulsions courtes d’ondes acoustiques de surface est étudiée, en s’inspirant du principe de l’amplification des impulsions chirpées qui est utilisée pour la génération d’impulsions laser ultrabrèves. La compression temporelle des impulsions est généralement réalisée à l’aide d’éléments dispersifs. Dans ce travail, un transducteur à ondes acoustiques de surface pouvant émettre des impulsions brèves est utilisé comme élément dispersif. Une étude comparative des transducteurs à peignes interdigités chirpés est menée avec un modèle du premier ordre et un modèle dit de matrice mixte. Des dispositifs à ondes acoustiques de surface sont conçus et réalisés à partir des résultats de simulation numérique. La façon de distribuer la période dans le transducteur est étudiée. L’apparition de bandes interdites dues aux réflexions internes dans le transducteur chirpé et son effet sur l’émission directionnelle des ondes surface sont en particulier observées et étudiées.Un interféromètre optique différentiel dans le domaine temporel et stabilisé est ensuite proposé afin de caractériser les impulsions brèves. Le transducteur à ondes acoustiques de surface est placé à l’extérieur de l’interféromètre. Des expériences sont conduites avec un transducteur à peignes interdigités chirpé ayant une bande opérationnelle couvrant la gamme de fréquences 200 MHz – 400 MHz et produisant des impulsions de 10 ns avec un déplacement hors-plan maximal de 36 nm. La réponse interférométrique est comparée à une mesure électrique directe obtenue à l’aide d’un transducteur de réception large bande ; une bonne correspondance des deux mesures est observée. Les influences de la différence de chemin optique dans l’interféromètre et du choix du point d’observation sur la surface sont discutées. La compression de l’impulsion le long du transducteur chirpé est observée expérimentalement.Finalement, une étude comparative de différents filtres de compression temporelle est présentée, dans l’objectif d’obtenir des impulsions optimales à la fois courtes temporellement et de forte intensité, pour un élément dispersif donné. Le filtre inverse est identifié comme le plus efficace et nous permet de produire les impulsions de plus grande amplitude. Afin d’optimiser la compression de l’impulsion pour les dispositifs fabriqués, des expériences sont conduites pour trouver les courbes de compromis optimal dans chaque cas de modulation de la période du transducteur. / Generation of short pulses with surface acoustic waves (SAW) is studied, in analogy with the principle of chirped pulse amplification (CPA) used to produce ultrashort laser pulses. Temporal compression of pulses is generally achieved with dispersive elements. A SAW transducer emitting short SAW pulses is used as a dispersive element in this work. A comparative study of chirped inter digital transducers (CIDTs) using the first order model and the p-matrix model is presented. SAW devices are designed and fabricated using the simulation results and the effect of the varying pitch of the CIDts on the response is studied. Appearance of band gaps due to internal reflections within the CIDts and its effect on the directionality of the CIDTs are in particular found and studied.A stabilized time-domain differential optical interferometer is then proposed in order to characterize short pulses, with the surface acoustic wave (SAW) sample placed outside the interferometer. Experiments are conducted with surface acoustic waves excited by a chirped inter-digital transducer on a piezoelectric lithium niobate substrate having an operational bandwidth covering the 200 MHz – 400 MHz frequency range and producing 10 ns pulses with 36 nm maximum out-of-plane displacement. The interferometric response is compared with a direct electrical measurement obtained with a receiving wide bandwidth inter-digital transducer and good correspondence is observed. The effects of varying the path difference of the interferometer and the measurement position on the surface are discussed. Pulse compression along the chirped inter-digital transducer is observed experimentally.Finally, a comparative study of different filter designs for generating short pulses is presented with an objective to find a design to produce the optimal pulse which is short in width and high in amplitude, for a given dispersive element. The inverse filter is found to be the most efficient as it produces a short pulse with the highest amplitude. To optimize the pulse compression for the fabricated devices, experiments are conducted to find the optimal trade-off curve for each chirp case.

Thèse de doctorat : Plasmas, Optique, Opto-Électronique et Micro-Nanosystèmes : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3855. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 293-298.

Les développements récents en physique, et technologiques, ont permis l'élaboration de nouveaux matériaux magnéto-électro-élastique, comme les composites multicouches piézoélectriques / piézomagnétiques. Leur coefficient magnétoélectrique, très grand en comparaison de celui des matériaux constitués d'une seule phase, a suscité récemment un grand nombre de travaux, menant au développement de capteurs, d'actionneurs, de systèmes de conversion d'énergie magnétique-électrique, et dans les mémoires à état solide.Cette thèse porte sur l'étude théorique et expérimentale des ondes acoustiques de surface dans des structures multicouches piézomagnétiques. Une description théorique des matériaux magnéto-élastiques, reposant sur la dérivation d'un modèle de matériau piézomagnétique équivalent, est utilisée conjointement à une technique numérique afin de calculer les courbes de dispersion et les formes des modes des ondes acoustiques se propageant dans des composites piézo-électro-magnétiques déposés sur un substrat. Ce modèle, très général, peut être utilisé pour différents types de structures et pour une intensité et une direction quelconques du champ magnétique externe appliqué. Les structures réalisées en salle blanche sont constituées d'un film mince de 20 couches de TbCo2 (5nm)/FeCo(5nm) déposé sur un substrat de LiNbO3 entre deux peignes interdigités. Une comparaison, entre les variations de la vitesse de phase d'ondes acoustiques de surface induites par l'application d'un champ magnétique externe modélisées et mesurées, est réalisée. Un bon accord quantitatif entre les mesures et les calculs théoriques, et cela pour toutes les orientations du champ magnétique (suivant l'axe facile ou l'axe difficile) et pour différents modes acoustiques, est obtenu. Le mode transverse horizontal présente les plus grandes variations de vitesse, proche de 20% pour un film dont l'épaisseur serait celle de la longueur d'onde acoustique

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce (LOC, « Lab On a Chip », permettant de réaliser plusieurs opérations nécessaires à l’analyse d’un échantillon biologique à l'intérieur d'un seul microsystème. Dans ce type de dispositif, de nombreuses étapes sont nécessaires avant d’arriver au résultat d’une analyse donnée (introduction de l'échantillon, concentration, mélange, purification, séparation, etc.). L’équipe microsystèmes du laboratoire Ampère étudie depuis plusieurs années différentes techniques de manipulation sans contact de particules, pour le tri ou de manipulation de particules individuelles dans les laboratoires sur puce, telles que la diélectrophorèse ou la magnétophorèse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la manipulation acoustique de micro particules. Cette technique se révèle notamment avantageuse pour la manipulation d’objets biologiques comme des bactéries, car elle permet de s’affranchir de certaines contraintes de marquage ou de changement de milieu. Notre choix s’est porté sur l’emploi des ondes acoustiques de surface (SAW, « Surface Acoustic Waves »), compatibles avec la filière PDMS très utilisée dans la communauté des LOC. Outre la possibilité de simplifier l’intégration microfluidique de la pince acoustique, la technologie SAW offre une alternative aux dispositifs à pièges acoustiques fixes existant dans la littérature en permettant un contrôle en temps réel des particules piégées. C’est ce que nous avons réalisé expérimentalement : en jouant sur le déphasage entre les signaux d’alimentation électriques des transducteurs électromécaniques, nous pouvons modifier la position des noeuds et des ventres de l’onde acoustique résultante. Ainsi, nous avons pu contrôler en temps réel la position d’une bille en latex de 3 μm ou encore d’un faisceau de bactéries E.coli. Par ailleurs, nous avons réalisé une simulation par éléments finis de la puce acoustofluidique dans son ensemble permettant une meilleure compréhension de tous les phénomènes en jeu et l’optimisation du transfert énergétique entre la source électrique et la particule manipulée. Cette simulation nous indique notamment que l’amplitude de l’onde acoustique stationnaire sur le substrat piézoélectrique varie environ d’un facteur deux en fonction du déphasage imposé entre les deux sources électriques. Cela impacte donc dans la même proportion la force acoustique résultante. Cette variation semble être validée par nos dernières expériences. / In lab-on-a-chip (LOC) technologies, many sample preparation steps are required before achieving a biological analysis on a single chip (sample introduction, concentration, mixing, purification, separation, etc.). The microsystem team of the Ampere Lab has studied for many years different contactless particle manipulation techniques, for sorting or manipulating bioparticles in LOC platforms, such as dielectrophoresis and magnetophoresis. In this thesis, we focus on acoustic manipulation of microparticles. This technique is advantageous for the manipulation of biological objects such as bacteria, because labelling and medium exchange can be avoided. We chose to work with surface acoustic waves (SAW), because this approach is consistent with the use of PDMS, widely used in microfluidics. Besides an easier microfluidic integration of the acoustic tweezers, the SAW technology provides an alternative to the existing devices with fixed acoustic traps, allowing a real time control of the trapped particles. This was experimentally achieved by playing on the phase shift between the two electrical signals driving the IDT, thereby modifying the position of nodes and antinodes of the resulting pressure wave. As a result, we could control in real time the position of a 3 μm latex bead or an E.coli bacteria alignment. We have also developed a finite-element model of the whole acoustofluidic chip allowing a better understanding of the physics and the optimization of the energy transfer between the electrical source and the trapped particle. Among different results, this model informs us that the magnitude of the acoustic radiation force varies by a factor of two with the phase shift between the electrical sources. This result seems to be validated by our last experiments.

Cette thèse porte sur l’étude de la propagation d’ondes mécaniques dans des milieux granulaires secs ou mouillés, avec pour objectif de relier les phénomènes de l’échelle microscopique (dynamique des grains, potentiels d’interactions entre particules, rhéologie du fluide interstitiel) aux propriétés de l’échelle macroscopique (relation de dispersion, vitesse et atténuation des ondes dans l’approximation des grandes longueurs d’ondes). Les systèmes étudiés sont soit des milieux granulaires unidimensionnels de grande taille, analogues des chemins de plus forts contacts entre particules (les chaînes de force) dans les empilements de grains réels, soit les milieux granulaires réels eux-mêmes. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la transmission d’ondes au travers d’un alignement de sphères centimétriques sèches, que nous modélisons via le potentiel de Hertz. Nous montrons que le couplage élastofrictionnel entre les grains et un substrat (le support des sphères) engendre un potentiel élastique local, qui induit à son tour une bande interdite a fréquence nulle dans la fonction de transfert. Dans un deuxième temps, nous montrons que la présence d'une quantité infime de fluide visqueux au contact entre chaque particule induit une interaction élasto-hydrodynamique (EHD). Ce dernier induit une modification de l’atténuation des ondes et une augmentation très significative de la vitesse de propagation, qui dans ce cas dépendent de manière non-triviale de l’élasticité des particules, de la viscosité du fluide et de la fréquence. Dans un troisième temps, nous vérifions la fiabilité de notre analyse pour décrire la propagation d'ondes ultrasonores dans des milieux granulaires réels, tel que le sable mouillé ou non ; les particules sont ici des sphères millimétriques. Dans le cas sec, nos résultats sont en accord avec un modèle connu de milieux effectifs (EMT) qui relève de l’interaction de Hertz-Mindlin dans l'approximation des grandes longueurs d'ondes. Dans le cas mouille, le modèle EMT combiné à un mécanisme EHD reproduit de manière acceptable nos observations préliminaires. / This thesis deals with the study of mechanical wave propagation in dry or wet granular media, with the aim of relating the phenomena at the microscopic scale (particles dynamics, interaction potentials between grains, rheology of the interstitial fluid) to the features at the macroscopic scale (dispersion relation, wave speed and attenuation in the long wavelength approximation). The systems under study are either large one-dimensional granular media, as the analogs of the paths of the most compressed grains (the force chains) in real granular packings, or the real granular media themselves. In a first place, we study experimentally the wave transmission through alignments of dry centimetric spheres, which we model via the Hertz potential. We show that the elasto-frictional coupling between the grains and a substrate (the spheres’ support) induces an on-site elastic potential, which in turn induces a band gap at zero frequency in the transfer function. In a second place, we show that the presence of an infinitesimal amount of viscous fluid at the contact between every particle induces an elasto-hydrodynamic (EHD) interaction. The later affects the attenuation of waves in addition to a significant increase of the wave speed, which in this case both non-trivially depend on the elasticity of the particles, on the viscosity of the fluid and on the frequency. In a third place, we check the reliability of our analysis to describe ultrasonic wave propagation in real granular materials such as dry or wet sand; our particles are here millimetric spheres. In the dry configuration, our results are consistent with an effective medium theory (EMT) which relies on the Hertz-Mindlin interaction in the long wavelength approximation. In the wet configuration, the EMT model combined with an EHD mechanism fairly reproduces our preliminary observations.

Ces travaux ont 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 reproductible en accord avec les modèles théoriques. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant le fort potentiel du couplage entre dispositifs acoustiques et couches sensibles mésoporeuses présentant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm.

Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.