Dans cette thèse, des structures MEMS de type micropoutre ont été conçues pour des applications capteurs. Un procédé de fabrication alternatif au silicium, associant la technique de sérigraphie à l'utilisation d'une couche sacrificielle (SrCO3), a été utilisé pour la réalisation de micropoutres piezoélectriques (PZT, matériau servant à la fois d'actionneur et de transducteur) dans un premier temps. Des tests de détection en phase gazeuse ont été réalisés avec et sans couche sensible avec succès à l'aide du mode de vibration non conventionnel 31-longitudinal. Le toluène a notamment pu être détecté à des concentrations voisines de 20ppm avec une couche sensible PEUT. D'autres espèces telles que l'eau, l'éthanol ou l'hydrogène ont été détectés sans couches sensibles afin de s'affranchir des contraintes liées à celle-ci (vieillissement notamment). Des tests préliminaires de caractérisation en milieu liquide ont également été réalisés avec dans l'optique la détection d'espèces en phase liquide. Par ailleurs, un capteur de force a été conçu et réalisé avec le même procédé de fabrication. Ce dernier est composé d'une micropoutre en matériau diélectrique sur laquelle est intégrée une piezorésistance servant à la transduction du signal associé à la déformation subie par la micropoutre. Des détections de force en mode statique (sans actionneurs) ont permis de caractériser les capteurs, notamment en termes de sensibilité, de gamme de force et de force minimale détectable ou encore de linéarité.

La mise en place de la surveillance de l'intégrité des structures comprend les étapes de modélisation, d'identification, d'extraction des caractéristiques et de développement d'un modèle statistique. L'objectif de cette thèse est de développer une approche intégrée regroupant ces étapes et d'élaborer une stratégie de validation en utilisant un simulateur à éléments finis. Dans cette finalité, nous avons d'abord élaboré une méthode globale de modélisation d'une structure comprenant des capteurs piézo-électriques. Ensuite, nous avons choisi la méthode d'identification par sous-espaces pour améliorer la qualité de l'estimation des paramètres modaux et éliminer automatiquement les modes erronés. Un nouveau diagramme nommé histogramme de stabilisation a été proposé. Cet histogramme permet de sélectionner automatiquement les modes physiques, et d'obtenir le degré de confiance qui peut être accordé au mode identifié. En utilisant un modèle numérique simple, trois résidus basés sur les sous-espaces de la matrice de Hankel ont été étudiés. Nous avons montré que l'utilisation de ces résidus lors de la localisation des endommagements n'est pas très efficace. Par la suite, un nouveau vecteur de résidus non-paramétrique a été proposé. Ces résidus sont associés au noyau gauche de la matrice d'observabilité du système. En utilisant ce nouveau vecteur de résidus, nous avons également préconisé une méthodologie de localisation d'endommagement basée sur un modèle éléments finis et sur les réseaux de neurones. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sur une poutre composite et sur une plaque en aluminium permettent de valider la méthodologie proposée. Cette méthodologie est basée sur le calcul matriciel robuste et est bien adaptée pour l'identification des endommagements en temps semi-réel.

Parmi les matériaux piézoélectriques monocristallins, le quartz est le plus utilisé. Cependant ses performances intrinsèques atteignent leurs limites pour les applications émergentes. Des relations entre la distorsion structurale du matériau et ses propriétés physiques et piézoélectriques ont été établies. Il en ressort que la substitution du silicium par du germanium au sein du réseau cristallin est une voie prometteuse pour améliorer les propriétés du quartz, notamment le coefficient de couplage et la stabilité thermique de la phase de type quartz-α. Les cristaux Si1-xGexO2 obtenus par croissance en milieu hydrothermal sont caractérisés par microsonde électronique, spectroscopie Raman à haute température (jusqu'à 1100°C) et diffraction des rayons X. L'affinement des paramètres structuraux montrent que le germanium en se substituant au silicium engendre une distorsion de la structure cristalline. Cette distorsion augmente avec la fraction atomique en Ge et a pour effet de stabiliser la phase de type quartz-α tout en réduisant le désordre dynamique même à haute température.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités " Métal-Isolant-Métal " (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb(ZrxTi1-x)O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al., Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al., J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al., IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al., IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012).

L'amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l'industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l'aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l'INSA de Lyon, est l'amortissement de vibration d'une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d'amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d'un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L'objectif de ce travail est de réaliser l'intégration de l'électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l'embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d'amortissement publiées permet d'y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d'un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d'analyse, de décision et de commande. La première réalise l'inversion de la tension piézoélectrique à l'aide d'un circuit RLC passif de conversion de l'énergie. La seconde s'attache à la détection des extremums de manière à optimiser l'amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu'un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l'ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie.

Les capteurs participent à la qualité de la vie quotidienne, beaucoup de domaines d'activité modernes demandant des capteurs performants. Les résonateurs piézoélectriques sont bien connus pour leurs applications pour la génération de fréquences stables, mais leur potentiel d'utilisation pour la réalisation de capteurs est moins exploité.Le mémoire présente deux applications des résonateurs pour la réalisation de capteurs de force et de température.La particularité du capteur de force tient au fait que le résonateur lui-même sert aussi comme sonde de température et que les signaux servant aux mesures de la force et de la température sont isolés électriquement, ce qui simplifie la mise en œuvre. Cela est possible par l'utilisation de modes anharmoniques des résonateurs et par le choix de la direction d'application de la force à mesurer, chaque mode étant essentiellement sensible soit à la force soit à la température. Le mémoire présente en particulier une méthode de dessin de jeux d'électrodes pour un résonateur plan-convexe opérant sur deux modes de cisaillement d'épaisseur (modes B et C).La seconde partie du mémoire est consacrée à la caractérisation expérimentale (topographies par rayon X, réponses électriques et comportements thermiques) de capteurs résonants thermosensibles en quartz et en GaPO4 miniaturisés pour la mesure précise de la température sur une très large gamme jusqu'aux températures cryogéniques. L'étude a en particulier porté sur des investigations des couplages entre modes, responsables du phénomène «activity-dip».Un système électronique complet et un logiciel de calcul de la force et de la température à partir des fréquences délivrées est développé

Pour les applications aéronautiques, les fibres en céramique piézoélectrique à âme métallique permettent d'imaginer des solutions pour avoir des dispositifs actifs et des capteurs complétement intégrés dans des structures, telles que les composites renforcés par des fibres.La démarche de cette étude est d'élaborer et de caractériser de telles fibres qui présentent de nombreux avantages : l'activation en mode radial permet d'utiliser de faibles tensions de commandes, l'utilisation d'un cœur et d'une matrice conducteurs permet de s'affranchir du dépôt d'électrodes et de garantir leur continuité, la présence d'un coeur métallique améliore la résistance mécanique de la fibre, l'utilisation sous forme de fibres fines et longues permet de l'intégrer à des profils de formes complexes sur de grandes longueurs. Dans un premier temps, le procédé d'enduction est utilisé pour la réalisation de ces fibres en déposant des particules céramiques à base de titano-zirconate de plomb (PZT) sur des fils de platine. Le développement et l'optimisation d'un procédé multicouche permet de réaliser des fibres avec des épaisseurs parfaitement contrôlées pour obtenir les capacités de déformations optimales en alternant des cycles dépôt/traitement thermique avant une opération de frittage finale. La caractérisation d'échantillons massifs traités dans les mêmes conditions permet de s'assurer des propriétés piézoélectriques atteintes pendant les différents traitements thermiques. Les caractérisations électromécaniques réalisées sur les fibres permettent de vérifier le comportement en tant qu'actionneur et que capteur, bien qu'il s'avère difficile de remonter aux caractéristiques intrinsèques des fibres.Dans un second temps, une réflexion est menée sur les moyens à mettre en oeuvre pour envisager un développement à grande échelle de ce type de fibre. Dans ce sens, des expérimentations sur la mise en place du procédé continu de coextrusion avec un polymère chargé sont menées, de même que sur la réduction de la température de frittage à l'aide d'additifs pour substituer les fils en platine, mais aussi sur la réduction du temps de frittage à l'aide de techniques non conventionnelles comme le frittage laser et le frittage micro-ondes. Ces investigations ouvrent des pistes sérieuses pour imaginer une production continue de fibres piézoélectriques à âme métallique.Enfin, des travaux de modélisation par éléments finis du comportement de ces fibres, intégrées ou non dans une structure, permettent de mettre en évidence l'influence du dimensionnement des fibres sur les déformations résultantes, en fonction notamment de l'épaisseur du matériau actif déposée et des propriétés élastiques des différents éléments. Différentes configurations sont imaginées pour utiliser ces fibres dans des structures en tant qu'actionneur et capteur.

L’objectif de cet projet est la conception, réalisation et caractérisation d’un actionneur / capteur piézoélectrique piézorésonant destiné à la mesure du vieillissement de la peau humaine. L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdask, Département Génie Electrique et Automatique. Un concept d’actionneur / capteur pour la caractérisation des propriétés mécaniques des tissus mous a été présenté. Un actionneur piézoélectrique résonant, appelé "unimorphe" a été choisi parmi les différentes structures piézoélectriques fondées sur le cahier des charges. L'innovation du projet réside dans l'intégration de la méthode d'indentation dynamique en utilisant un unimorphe comme dispositif d'indentation. Ceci permet l'utilisation d'un certain nombre de propriétés électromécaniques favorables des transducteurs piézo-électriques. Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Le chapitre 1 présente la thèse et ses objectifs. Le chapitre 2 présente le phénomène piézoélectrique et les applications piézoélectriques dans les domaines de la médecine et de la bio ingénierie. Le chapitre 3 décrit le cahier des charges pour le transducteur développé. Le choix du transducteur unimorphe est ainsi justifié. Le chapitre 4 présente une description analytique du transducteur unimorphe, y compris les calculs de déformations statiques, la description du circuit équivalent de Mason, et la description des conditions de contact entre la sonde d'indentation et les matériaux testés. Le chapitre 5 contient l'analyse numérique du transducteur unimorphe en utilisant le modèle virtuel MEF. Les résultats de simulations statiques et modales sont décrits par deux géométries considérées du transducteur. Le chapitre 6 décrit le processus de vérification expérimentale des modèles analytiques et numériques développés pour le transducteur unimorphe. Enfin, le dernier chapitre comprend des conclusions générales concernant les résultats de recherche obtenus, ainsi que les travaux futurs possibles. Afin de vérifier la thèse d'un cycle complet de recherche a été effectuée, qui a couvert: étude analytique, l'analyse numérique (simulations MEF), réalisation de prototype, et la vérification expérimentale des actionneurs / capteurs piézoélectriques considérés. / The main goal of the dissertation was following: preparation of a new concept, implementation and analysis of the piezoelectric resonant sensor/actuator for measuring the aging process of human skin. The research work has been carried out in the framework of cooperation between the INP-ENSEEIHT-LAPLACE, Toulouse, France, and at the Gdansk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Group of Power Electronics and Electrical Machines, Gdask, Poland. A concept of transducer for the characterization of mechanical properties of soft tissues was presented. The piezoelectric resonant, bending transducer, referred to as “unimorph transducer” was chosen from different topologies of piezoelectric benders based on the fulfillment of the stated requirements. The innovation of the project lies in the integration of the dynamic indentation method by using a unimorph as an indentation device. This allows the use of a number of attractive electromechanical properties of piezoelectric transducers. The thesis is divided into seven chapters. Chapter 1 states the thesis and goals of the dissertation. Chapter 2 presents piezoelectric phenomenon and piezoelectric applications in the fields of medicine and bioengineering. Chapter 3 describes the requirements for the developed transducer. The choice of unimorph transducer is justified. Chapter 4 presents an analytical description of the unimorph transducer, including the calculations of static deformations, equivalent circuit description, and description of the contact conditions between the transducer and the tested materials. Chapter 5 contains the numerical analysis of the unimorph transducer using FEM virtual model. Results of static and modal simulations are described for two considered geometries of the transducer. Chapter 6 describes the experimental verification process of analytic and numerical models developed for unimorph transducer. The final chapter includes general conclusions concerning obtained research results and achievements, as well as possible future works. In order to verify the proposition of the thesis a full research cycle was carried out, that covered: analytical study, numerical analysis (FEM simulations), prototype realization, and experimental verification of the considered (developed) piezoelectric sensor/actuator structures.

Le Titano-Zirconate de Plomb, ou PZT est un matériau piézoélectrique présentant de très bonnes performances pour l'actionnement des microsystèmes. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de répondre à la problématique de l'intégration du PZT par dépôt sol-gel. Dans une première partie, nous présenterons l'état de l'art des MEMS piézoélectriques et du PZT. Dans une seconde partie, nous montrerons comment obtenir des couches minces de PZT orientées (100) et (1111) de façon homogène, pour une des épaisseurs de 100 nm à 2µm. Dans une troisième partie, nous comparerons les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des films, en fonction de l'orientation. Pour l'orientation (100), nous avons pu mesurer un coefficient d31 supérieur à -150 pm/V et un coefficient e31,f de -16 C/m2. Pour l'orientation (111), nous avons mesuré un d31 de -100 pm/V et un e31,f de -14 C/m2. Pour expliquer les différences observées, nous avons également abordé le problème du blocage des parois de domaines. Dans une quatrième partie, nous présentons la fabrication et la caractérisation d'un interrupteur MEMS radiofréquences packagé et stabilisé en température fonctionnant à basse tension. A l'état bloqué, il présente une isolation de -44 dB à 2 GHz. A l'état passant, il présente des pertes d'insertion de -0.74 dB à 2 GHz. Dans cette partie, nous présentons également l'intégration d'une jauge de contraintes dans un actionneur piézoélectrique. Dans la dernière partie, nous présentons l'intégration de nos procédés dans des membranes sans dégradation des performances. Une étude préliminaire de fiabilité est également menée. Le mécanisme conduisant à la dégradation de nos composants est lié au vieillissement du matériau, ce qui montre que notre procédé de dépôt est maitrisé de façon homogène sur des substrats 200 mm. / PZT is a piezoelectric material which exhibits very good performances for microsystems actuation. In this work, the problem of sol-gel deposited PZT integration is discussed. First, state of the art of piezoelectric MEMS and PZT is presented. Then, the fabrication of homogeneous (100) and (111) oriented PZT thin films is presented. Layers thicknesses are comprised between 100 nm and 2 µm. Thirdly, ferroelectric and piezoelectric properties of the two oriented thin films are compared. For (100) oriented films, the d31 piezoelectric coefficient was greater than -150 pm/V and the e31,f reaches -16 C/m2. For (111) oriented films, the d31 and e31,f reach -100 pm/V and -14 C/m2 respectively. To explain observed differences, domain walls pinning was studied. Next, fabrication and characterization of a low voltage, fully packaged and thermally stabilized RF MEMS piezoelectric switch is presented. At the off-state, the switch isolation is -44 dB at 2 GHz. At the on-state, insertion losses are -0.74 dB at 2 GHz. The integration of a metallic gauge in a piezoelectric cantilever is also presented. Finally, developed processes are integrated in membranes fabrication without any degradation. A preliminary reliability study is presented. The fail mechanism of our components is an aging mechanism. This shows that our sol-gel deposition process is well-controlled on 8 inches wafers.