Les cMUT sont des microsystèmes principalement utilisés pour de l’imagerie médicale. Afin de développer de nouvelles architectures de sondes, intégrer l’électronique de commande devient impératif. Pour y parvenir, la température du procédé de réalisation ne doit pas excéder 400°C. Cela nécessite donc de revoir les procédés et matériaux utilisés. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé une électrode originale en siliciure de nickel obtenu à 400°C, une couche sacrificielle en nickel et une membrane en nitrure de silicium déposée à 200°C. Des cMUT ont été fabriqués sur un substrat silicium. Ils présentent les caractéristiques souhaitées à savoir une forte fréquence de résonance (16,4MHz), une tension de collapse maitrisée (65V) et un coefficient de couplage électromécanique satisfaisant (0,6). De plus, le procédé développé peut être étendu à d’autres types de substrats. / CMUTs are innovating microsystems for ultrasonic medical imaging. To develop new array architectures, monolithic integration of integrated circuits is required. In this context, microsystems must be achieved using process temperature limited to 400°C. The main objective of this PhD thesis is the development of alternative processes and materials to replace usual ones done at high temperature. We have developed a nickel silicide bottom electrode at 400°C, a metallic sacrificial layer and a silicon nitride membrane deposited at 200°C. The devices, fabricated on silicon substrates, are functional with a high resonance frequency (16.4MHz), a mastered collapse voltage (65V) and an efficient electromechanical coupling coefficient (0.6). Moreover, this low temperature process was successfully applied on other substrates such as glass.

Ce travail a pour objectif d’élaborer de manière contrôlée différentes microstructures de (K0,5Na0,5)NbO3 non dopées par différentes mises en forme, bien caractérisées structuralement et microstructuralement, afin d’étudier et d’éclaircir l’influence de la densification et de la taille des grains sur les propriétés piézoélectriques. Il s’agit pour cela de produire des microstructures, avec une composition maitrisée, ayant d’abord des grains de taille micrométrique, ensuite millimétrique et enfin si possible des grains centimétriques de KNN et d’atteindre des densifications allant de 80 % à plus de 95 %. Au-delà de l’ingénierie des microstructures de KNN, l’obtention de monocristaux du composé (K0,5Na0,5)NbO3 de plusieurs mm3, de bonne qualité cristalline et bien caractérisés structuralement et microstructuralement permettrait de caractériser l’ensemble des tenseurs élastiques, diélectriques et piézoélectriques ainsi que de valider des méthodes de caractérisation originales développées au sein du laboratoire GREMAN. / The purpose of this work is to elaborate different controlled microstructures of undoped (K0,5Na0,5)NbO3 by different methods, with full structural and microstructural characterization in order to study and to elucidate the influence of the densification and grain size effect on the piezoelectric properties. For this, it is necessary to produce KNN microstructures with controlled composition, starting with micrometer grain size, then millimeter and if possible centimeter grain size and to attain densification ranging from 80 % up to 95 % of the theoretical one. Beyond the KNN microstructure engineering, the growth of large (K0,5Na0,5)NbO3 single crystals about several mm3 with good crystallinity and full structural and microstructural characterization would enable the elastic, dielectric and piezoelectric tensors to be fully characterized as well as to validate the original characterization methods developed within the GREMAN laboratory.

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence.

Les dispositifs d’isolation galvanique intégrés au sein des systèmes de commande d’interrupteurs de puissance doivent répondre à une demande accrue en performance, facilité d’intégration et efficacité énergétique. Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), capables d’émettre et de recevoir des ondes ultrasonores, semblent une alternative tout à fait nouvelle à la fonction d’isolation galvanique. Ces travaux de thèse ont pour objectif de démontrer la faisabilité d’un dispositif basé sur la technologie cMUT. Le principe de fonctionnement consiste à transmettre une information grâce à une communication par onde acoustique de volume entre deux réseaux de cMUT placés de part et d’autre d’un substrat. Nous focalisons, en premier lieu, ces travaux sur le processus de fabrication par micro-usinage de surface des cMUT ainsi que les techniques de réalisation des dispositifs en structure double face sur substrat de silicium. L’étude permet d’identifier le collage de substrat comme une solution de fabrication industrialisable. Suite à la réalisation des dispositifs, la caractérisation électro-mécanique des cMUT est une étapeessentielle à la validation de leur fonctionnalité en tant que dispositifs émetteurs. L’étude débute par uneévaluation des propriétés mécaniques du matériau constituant la membrane et qui impactent directementle comportement global des cMUT. Puis, la caractérisation du comportement statique et dynamique descMUT permet d’extraire les paramètres tels que la fréquence de résonance, la tension de collapse etl’efficacité électro-mécanique qui définissent le mode de pilotage d’un tel système.Finalement, la validation du concept de transmission et de détection d’ondes ultrasonores est réaliséegrâce à des mesures de vibrométrie laser Doppler. Les résultats apportent des éléments de réponse quantau mode de propagation des ondes et permettent d’identifier les topologies de meilleure efficacité entransmission acoustique. Enfin, l’intégration du prototype dans l’application de commanded’interrupteur de puissance démontre la faisabilité du concept de transformateur acoustique basé sur latechnologie cMUT. / Galvanic isolation devices integrated into switch command systems must be able to answer all of the increasing demand for performance, energetic efficiency and integration easiness. The capacitive micro machined ultrasonic transducers (cMUT), able to emit and receive ultrasounds, could be an entirely new alternative to the function of galvanic isolation. This work aims to demonstrate the feasibility of a cMUT-based device. The operating principle consists in transmitting information thanks to a bulk acoustic wave between two cMUT arrays located on both sides of a substrate. We first focus on cMUT surface micromachining fabrication process and techniques of double-side device manufacturing. Our study allows us to identify wafer bonding as a realistic industrial solution. After device fabrication, electro-mechanical of cMUT is an essential step to validate their functionality as ultrasonic emitters. The study starts with the mechanical properties evaluation of the membrane material. These properties directly impact the global behavior of cMUT. Then, the characterization of cMUT static and dynamic behavior allows extracting parameters as resonance frequency, collapsing voltage and electro-mechanical efficiency which define the actuation mode of such a system. Finally, the validation of transmission and reception of ultrasonic waves is evaluated by vibrometer laser Doppler measurements. Results bring elements concerning the waves propagation modes and allow identifying the best acoustical efficiency in regard to the topology. In conclusion, the prototype integration in the application of power switch command demonstrates the feasibility of acoustic transformer concept based on cMUT technology.