Le géoradar (Ground Penetrating Radar (GPR)) constitue une technique de contrôle non destructif (CND) intéressante pour la mesure des épaisseurs des dalles de béton et la caractérisation des fractures, en raison de ses caractéristiques de résolution et de profondeur de pénétration. Les équipements géoradar sont de plus en plus faciles à utiliser et les logiciels d'interprétation sont en train de devenir plus aisément accessibles. Cependant, il est ressorti dans plusieurs conférences et ateliers sur l'application du géoradar en génie civil qu'il fallait poursuivre les recherches, en particulier sur la modélisation et les techniques de mesure des propriétés électriques du béton. En obtenant de meilleures informations sur les propriétés électriques du béton aux fréquences du géoradar, l'instrumentation et les techniques d'interprétation pourraient être perfectionnées plus efficacement. Le modèle de Jonscher est un modèle qui a montré son efficacité dans le domaine géophysique. Pour la première fois, son utilisation dans le domaine génie civil est présentée. Dans un premier temps, nous avons validé l'application du modèle de Jonscher pour la caractérisation de la permittivité diélectrique du béton. Les résultats ont montré clairement que ce modèle est capable de reproduire fidèlement la variation de la permittivité de différents types de béton sur la bande de fréquence géoradar (100 MHz-2 GHz). Dans un deuxième temps, nous avons montré l'intérêt du modèle de Jonscher en le comparant à d'autres modèles (Debye et Debye-étendu) déjà utilisés dans le domaine génie civil. Nous avons montré aussi comment le modèle de Jonscher peut présenter une aide à la prédiction de l'efficacité de blindage et à l'interprétation des ondes de la technique GPR. Il a été déterminé que le modèle de Jonscher permet de donner une bonne présentation de la variation de la permittivité du béton dans la gamme de fréquence géoradar considérée. De plus, cette modélisation est valable pour différents types de béton et à différentes teneurs en eau. Dans une dernière partie, nous avons présenté l'utilisation du modèle de Jonscher pour l'estimation de l'épaisseur d'une dalle de béton par la technique GPR dans le domaine fréquentiel.

La détermination des propriétés des matériaux soumis à des chocs est un enjeu essentiel dans de nombreux domaines industriels. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode fondée sur l’interrogation en bande millimétrique d’un solide soumis à un choc. Deux paramètres doivent être mesurés simultanément, la vitesse du choc et la vitesse matérielle associée afin de pouvoir construire la polaire de choc du matériau d’étude. Dans un premier temps, un état de l’art des techniques de mesure existantes est réalisé pour cibler les performances et limites de l’existant. Dans un second temps, on s’intéresse à la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux à plusieurs interfaces en mouvement et avec un gradient d’indice pour représenter des cas de choc soutenu et non soutenu. Enfin, des campagnes expérimentales d’impact plan sont présentées sur différents matériaux, inertes et explosifs, pour confronter la théorie développée aux résultats de mesure. Pour le cas des chocs soutenus, les résultats sont en très bon accord et permettent de valider le modèle. Le cas des chocs non soutenus est plus complexe. Une approche par réseau de neurones est envisagée pour permettre de remonter aux vitesses et aux indices de réfraction. Enfin, des mesures de la permittivité complexe de nombreux explosifs sont présentées.

Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères. / Biopolymer materials attract significant attention in many fields where they tend to replace petrosourced polymers. Thanks to their properties, such as biocompatibility, biodegradability, flexibility and lightness, biopolmyers are also increasingly used in many electronic applications. Nevertheless, their possible integration into high-frequency electronics requires the study of important properties such as thermal conductivity and dielectric complex permittivity. In this work we are interested in two biopolymers in particular, poly lactic acid (PLA) and cellulose palmitate (CP). The extraction of the properties of these materials is carried out through the implementation of two methods. The means selected are the 3ω method for the thermal conductivity and the two-line method for the dielectric complex permittivity. This latter is measured in the frequency band 0.5 - 67 GHz. These two characterization techniques require the realization of metal lines on the surface of the biopolymer films. Since biopolymers are not compatible with classical photolithography method, an alternative processes have been developed to meet this technological challenge. This experimental work is accompanied by modeling studies on both aspects, estimates of the thermal conductivity and the complex dielectric permittivity of the investigated materials. The comparison of the proposed analytical and numerical models with the experimental data shows a good understanding of the problem of characterization of these biopolymers.

L'augmentation constante de la densité d'intégration rend le délai RC dû aux interconnexions prépondérant sur le retard dû aux transistors. Afin de réduire ce délai, l'intégration de matériau;x diélectriques à basse permittivité ainsi que de métaux à basse résistivité (Cu) est envisagée. Cependant la compatibilité de ce type de matériaux avec les différentes étapes élémentaires d'intégration doit être évaluée. Ce travail porte sur l'étude de mécanismes de gravure et l'impact des procédés de retrait résine sur des matériaux de type SiOCH (poreux et non poreux) en vue de leur intégration dans des structures de test avec une architecture simple damascène. Ces structures simple damascène sont caractérisées physiquement et électriquement. La gravure de SiOCH est contrôlée par une couche d'interaction fluorocarbonée qui se forme en surface du diélectrique lors de la gravure. La formation de la couche fluorocarbonée (épaisseur, composition) est contrôlée par les conditions plasma (pression, puissance source...), les gaz utilisés et la composition du matériau. Lorsque le diélectrique est poreux, les espèces réactives du plasma diffusent à travers les pores modifiant le matériau. Ces modifications sont accentuées lors de l'étape de retrait résine. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de développer une chimie permettant de trouver un compromis entre une modification latérale du matériau poreux limitant la diffusion de la barrière métallique et l'augmentation de la constante diélectrique.

Le tuffeau est un matériau de construction calcaire largement utilisé dans la vallée de la Loire pour les bâtiments historiques. Le temps passant, il est confronté à des problèmes de pathologies, principalement liées à sa teneur en eau. Pour évaluer cet indicateur, le radar à sauts de fréquence (SFR) a été retenu parmi les techniques d’évaluation non destructives. Cette dernière peut être associée à une technique d’inversion « forme d’onde » dans le domaine fréquentiel (FWFI), technique performante pour obtenir la permittivité, directement en lien avec la teneur en eau. L’inversion FWFI d’un signal SFR utilise, pour le calcul direct, un modèle analytique de propagation des ondes, basé sur les fonctions de Green d’un dipôle, et sur le modèle de dispersion de Jonscher pour la caractérisation EM du milieu. Ce modèle direct est validé par une approche numérique utilisant le logiciel HFSS et par une approche expérimentale sur des blocs tests. Le problème inverse, comprenant une fonction Objectif et un algorithme de minimisation de type génétique, est ensuite étudié pour obtenir la permittivité du milieu ausculté. En parallèle, une base de données entre teneur en eau et permittivité du tuffeau est construite à l’aide de mesures EM en cellule sur des échantillons homogènes. Elle est associée à une analyse de régression de type vecteur-support pour prédire la teneur en eau du milieu à partir de la mesure de permittivité. Enfin, cette méthode est validée sur plusieurs applications pratiques, comprenant l’acquisition d’informations géométriques (estimation d’un front d’eau) et la caractérisation du matériau (estimation du gradient d’eau et cartographie hydrique). / Limestone is a historical building material widely used in Loire Valley of France. Time passed, it is facing to health problems, mainly due to water content. To evaluate this indicator, stepped-frequency radar is an efficient technique among all non-destructive testing techniques. It can be combined with a frequency-domain full-waveform inversion technique, which is an efficient signal processing method to achieve permittivity that is the observable of water content, after a calibration process. To do signal inversion, an analytical model of ultrawide band radar wave propagation through limestone is built in the forward study. This model is based on one-dipole Green’s function, for the EM propagation, and 4-parameters’ Jonscher dispersion model, for the EM characterization of the medium. This direct model is validated by a numerical approach using HFSS and an experimental approach using an experimental platform of Cerema. The inverse problem, including objective function and minimization algorithm, to achieve the permittivity, is then studied. An inversion method based on genetic algorithm is proposed and validated using numerical and experimental approaches. Afterwards, a large database between water content and permittvity of limestone is constructed using the electromagnetic cell test on cylindrical samples, based on which a support vector regression analysis is performed to predict water content using permittivity. Finally, this method is validated on several practical applications including geophysical information acquisition (water front estimation) and material characterization (water gradient estimation and hydric mapping).

Le réchauffement climatique est l'un des principaux problèmes de ce siècle. Les politiques européennes soutiennent le développement des énergies renouvelables afin d'atteindre, d'ici 2020, l'objectif fixé par l'Union Européenne (UE). Ce dernier stipule que 20% de l'énergie produite devra provenir d'une source renouvelable. La combustion de la biomasse sous forme de bois est la plus importante des ressources renouvelables. Par conséquent, le développement de celle-ci est fondamental pour atteindre l'objectif de l'UE. Les plaquettes forestières sont des morceaux de bois déchiquetés. Elles présentent de nombreux avantages pour la production d'énergie thermique, en particulier, elles possèdent un bilan carbone neutre. Lors de la combustion, la présence d'eau dans le bois ne produit pas d'énergie mais provoque une perte de chaleur dans le processus de l'évaporation de l'eau. Par ailleurs, plus il y a d'eau moins il y a de bois pour une masse donnée de combustible. De ce fait, la connaissance de la teneur en eau dans le bois permet de déterminer son pouvoir calorifique et donc son prix. Dans cette thèse, plusieurs techniques fondées sur l'étude de la permittivité ont été proposées afin de prédire la teneur en eau des plaquettes forestières à grande échelle. Les systèmes externes fondés sur la réflectivité électromagnétique du matériau sont peu fiables en raison de leur dépendance à l'état de surface du combustible. Celui-ci est très variable en fonction des conditions d'utilisation et climatiques. Les dispositifs internes sont plus performants. Des systèmes internes capacitifs et à base de résonateurs ouverts ont été étudiés. Un prototype de dispositif à résonateur a été réalisé et testé en conditions réelles de production. / Global warming is one of the major problems of this century. Thus, European policies support the development of renewable energies in order to reach the target set by the European Union by 2020: 20% of the energy consumption must come from renewable resources. The combustion of wood biomass is the larger of the renewable energies and thus the increase of it is a key factor to get the expected target. Wood chips are shredded wood that present many advantages for the production of thermal energy. In particular, they are considered a carbon neutral fuel. During combustion, the water content does not produce energy but causes a heat loss in the process of the evaporation of the water. Moreover, for a given mass of biofuel, the larger water content, the smaller the wood available. Therefore knowing the moisture content (MC) allows to determine the calorific value of the biofuel and then its price. In this thesis several techniques based upon the study of the permittivity of large samples of wood chips have been proposed to predict the MC. External systems based on measurements of the reflected energy by the material are not reliable because of their dependence on the surface of the fuel, which can be very changeable under rough industrial and weather conditions. Internal devices are more efficient. They are based on either a capacitive technology or on open resonator technology. Due to promising results, a prototype of a resonator device was implemented and tested in real operating conditions.

La recherche de trace de vie, passée ou présente, sur Mars est l’objectif principal de la mission martienne européenne ExoMars (ESA-Roscosmos), dont le lancement est prévu pour l’été 2020. Cette mission déposera à la surface de Mars un Rover équipé d'instruments dédiés notamment à l’étude du sous-sol de la planète dont une foreuse collectera des échantillons. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur la préparation du retour scientifique de l’expérience du radar WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) embarqué à bord du Rover d’ExoMars 2020 et dont l’objectif principal est la caractérisation, avant forage, du sous-sol proche de Mars.Les données recueillies par WISDOM permettront d’identifier les formations géologiques du sous-sol et de comprendre les processus qui en sont à l’origine. Elles guideront également les opérations de prélèvement d'échantillons en profondeur. L'objectif de cette thèse était de préparer les outils de traitements et d'interprétation de ces données. Les résultats obtenus doivent permettre d'exploiter au mieux les possibilités de l'instrument et d’atteindre les ambitieux objectifs technologiques (en termes notamment de résolution et de sensibilité) et scientifiques fixés. Plus précisément, il s’agissait de mettre en place des outils pour aboutir à une description des premiers mètres du sous-sol via l’interprétation des radargrammes de WISDOM en termes d’épaisseur de couche(s), de rugosité des interfaces, de distribution en taille d’éventuelles roches enfouies, d’orientation des strates et de constantes géo-électriques pour les unités géologiques détectées.Ce travail de thèse a permis la mise en place d’une chaîne de traitement de données ainsi que d’outils d’interprétation (traitement automatique et modélisation du radar).L’approche a été d’aborder le problème à la fois du point de vue théorique et du point de vue pratique. En conséquence, ce travail s’est appuyé sur deux aspects indissociables que sont, d’une part, la modélisation (analytique et numérique) du fonctionnement de l’instrument dans son environnement et, d’autre part, le traitement des données simulées et/ou expérimentales obtenues en milieu contrôlé ou lors de campagnes de mesures organisées dans le cadre de cette thèse. / The main objective of European ExoMars (ESA-Roscosmos) mission is to search for signs of past or present life on Mars. The mission, to be launched in summer 2020, will deliver a rover on the surface of Mars. This rover accommodates instruments designed to investigate the close subsurface and, in particular, a drill that will collect samples at depth ranging from 0.5 m to 2 m. This thesis manuscript relates the preparation of the scientific return of the WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) radar experiment whose main objective is to characterize, before drilling, the shallow subsurface of Mars.Data obtained by WISDOM will shed the light on geological structures in the subsurface and therefore help trace back the history of the investigated Martian sites. Furthermore, they will help to identify the most promising locations to collect samples without jeopardizing the drill. The objective of this thesis was to efficiently pave the way to data interpretation and appraise WISDOM’s potentiality.In order to reach the ambitious scientific and technologic objectives (especially in terms of resolution and sensitivity) of WISDOM, we have developed tools that rely on a deep understanding of the instrument. The ultimate goal of these tools is to provide a reliable representation of the shallow subsurface and quantitative interpretation in terms of thickness and orientation of underground layers, roughness at interfaces, distribution of buried rocks and geoelectrical constant for each geological unit detected.This thesis manuscript describes the signal processing chain and tools developed in order to prepare WISDOM’s scientific return. When possible, approaches based on automatic detection were preferred. This work relies both on theoretical and practical investigations, including an accurate (analytical and numerical) modeling of the instrument operations and test on experimental data acquired during field campaigns on potential Martian analogs.

Les propriétés électriques des matériaux sont des données indispensables dans les phases de conception de circuits micro-ondes. Ainsi, de nombreuses méthodes ont été mises au point en s’appuyant sur des mesures de paramètres «S», pour les systèmes de transmission-réflexion, ou de fréquences de résonance, pour les méthodes résonantes. Chacune d’entre elles présente des caractéristiques adaptées à un type de géométrie d’échantillon, à une bande de fréquence d’analyse, à une précision des résultats souhaitée... Dans tous les cas, les dimensions de l’échantillon doivent être au moins de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde et donc, les caractérisations deviennent impossibles aux basses fréquences pour des échantillons de petites tailles. Un autre inconvénient de ces méthodes est qu’il est obligatoire de connaître parfaitement l’épaisseur de l’échantillon pour déterminer avec précision les caractéristiques électriques du matériau. L’objectif de ce travail de thèse a donc consisté à mettre au point une nouvelle méthode de caractérisation en s’appuyant sur une cavité de géométrie particulière. Celle-ci permet des mesures basses fréquences pour des dimensions très inférieures à la longueur d’onde. Avec un système de couplage original, nous avons pu également obtenir une réponse en transmission particulière, caractérisée par une fréquence de résonance et une fréquence d’antirésonance. Par rapport aux méthodes classiques qui ne travaillent que sur la fréquence de résonance, cette double information permet de déterminer à la fois la permittivité du milieu mais également l’épaisseur de l’échantillon. / The electrical properties of the materials are essential data in the design phases of microwave circuits. Thus, many methods have been developed based on "S" parameter measurements, for transmission-reflection systems, or resonance frequencies, for resonant methods. Each of them has characteristics adapted to a type of the samplegeometry, to the frequency band of analysis, to a desired precision of the results... In all the cases, the dimensions of the sample must be at least of the order of the wavelength and therefore the characterizations become impossible at low frequencies for samples of small sizes. Another disadvantage of these methods is that it is mandatory to know perfectly the thickness of the sample to accurately determine the electrical characteristics of the material. The objective of this thesis work was therefore to develop a new method of characterization based on a cavity of particular geometry. This allows low frequency measurements for dimensions much smaller than the wavelength. With an original coupling system, we have also been able to obtain a particular transmission response, characterized by a resonance frequency and an antiresonance frequency. Compared to conventional methods that only work on the resonant frequency, this double information makes it possible to determine both the permittivity of the medium but also the thickness of the sample.

Ce travail s'inscrit dans le contexte général des métamatériaux. Les métamatériaux sont des structures artificielles qui peuvent être décrites comme des milieux moyens en raison de leurs dimensions propres, très inférieures à la longueur d'onde de travail. Les résultats présentés portent plus précisément sur les métamatériaux à indice de réfraction négatif obtenu par le recouvrement de plages fréquentielles de permittivité et de perméabilité effectives négatives. Le fil conducteur de cette étude est l'augmentation des fréquences de fonctionnement : des micro-ondes vers le spectre térahertz. Sur la base d'une représentation en termes de permittivité et de perméabilité, le premier chapitre propose un inventaire des milieux naturels et artificiels existants, en mettant l'accent sur leurs propriétés de dispersion. Par ailleurs, il fait état des différentes solutions disponibles pour synthétiser un métamatériau à permittivité et à perméabilité négatives. Enfin, il dégage les différentes applications possibles, comptes tenus des technologies mises en œuvre et du domaine de fréquence envisagé. Le second chapitre concerne les structures unidimensionnelles. La première partie porte sur l'analyse d'un milieu synthétisé à partir de la superposition d'un réseau de fils métalliques et de boucles de courant insérées dans un guide d'ondes rectangulaire. La seconde partie aborde le concept de ligne de propagation duale par l'étude d'un déphaseur gaucher accordable. Enfin, la troisième partie traite des réseaux de particules Ω interconnectées qui constituent une approche hybride permettant de tirer partie des atouts de la ligne duale sans les contraintes propres au support de propagation. Ces atouts sont les caractères large bande, faibles pertes et la possibilité de travailler en régime composite équilibré, autrement dit avec une contiguïté des bandes gauchère et droitière. Le dernier chapitre est consacré aux métamatériaux pour la propagation en espace libre. Un régime de propagation gaucher, présentant de faibles pertes d'insertion dans la bande de fréquence 75-110 GHz, a pu être démontré à l'aide d'un premier prototype basé sur un réseau de lettres Ω. Un second prototype, conçu pour les bandes X (8-12 GHz) et Ku (12-18 GHz), a permis l'observation de régimes de réfraction positive, négative ou nulle avec une contiguïté des domaines de fréquence. Enfin, la dernière partie de ce chapitre est consacrée à l'analyse expérimentale, aux fréquences térahertz, d'une structure gauchère conçue pour l'incidence perpendiculaire aux plans des motifs. Cette structure est constituée par l'empilement de réseaux métalliques percés par des ouvertures sous-longueur d'onde.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont centrés sur l'analyse diélectrique de deux familles de matériaux diélectriques en couche mince et à forte permittivité : la première concerne des pérovskites de type SrTiO3 et la seconde est un nanocomposite constitué d'une matrice de carbone amorphe contenant des particules métalliques de nickel. Concernant les couches SrTiO3, élaborées par IBS (Ion Beam sputtering) au CEA-Leti à Grenoble, les propriétés diélectriques (constante diélectrique ', pertes '' et facteur de dissipation tan) sont analysées en fonction de la fréquence, de la température de fonctionnement, de la température de recuit des couches et de l'épaisseur des couches. Les changements diélectriques observés sont discutés en fonction de la cristallinité du matériau, de mécanismes de relaxation interfaciale, de contrainte mécanique, de la migration de lacunes d'oxygène, de l'existence d'une couche interfaciale de permittivité modérée. Concernant les couches composites nickel/carbone amorphe, élaborées au LEMD dans un réacteur plasma microonde de type DECR (distributed electron cyclotron resonance), les analyses diélectriques ont permis de mettre en évidence un fort mécanisme de polarisation interfaciale dans ces composites. Les résultats sont discutés en fonction du taux de nickel incorporé dans la matrice. Ce manuscrit se termine par une présentation de perspectives intéressantes d'étude de propriétés diélectriques concernant des matériaux (i) à faible permittivité, (ii) à forte permittivité et (iii) nanocomposites... Ainsi sont présentés des travaux préliminaires menés sur des films de parylène (polymère utilisé entre autres dans des lentilles liquides), une suggestion de continuité d'études sur les couches de type SrTiO3, des travaux sur des oxydes à forte permittivité Ta2O5 (intégration high  dans des circuits intégrés) et enfin plusieurs études concernant des nanocomposites (métal/carbone amorphe, silice/silicone, résine époxy/nanotubes de carbone, composites polymères/particules non linéaires).