L'utilisation de revêtements et de couches minces déposés sur substrats est très recherchée dans de nombreuses applications. Les objectifs de ces revêtements et dépôts sont multiples (améliorer la durabilité des structures, leur résistance à l'usure et à la fatigue, etc.). D'autre part, les matériaux à gradient sont également développés en vue de répondre à de nouvelles exigences fonctionnelles, comme de meilleures tenues en température, en usure, en corrosion. Pour toutes ces applications, la caractérisation de ces revêtements et de ces matériaux à gradients, afin d'en déterminer leurs propriétés (épaisseur, constantes élastiques, adhérence, contraintes résiduelles, ...etc), est déterminante pour le contrôle santé des pièces et pour leur fonctionnement optimal au cours de leur utilisation. Pour caractériser ces structures, nous avons choisi d'exploiter la dispersion des ondes de surface sur une large gamme de fréquences (10 à 60 MHz). Afin d'exciter ces ondes, des capteurs MEMS de type IDT-SAW ont été réalisés à différentes fréquences couvrant la totalité de la gamme fréquentielle considérée. L'excitation quasi-harmonique a été privilégiée dans le but d'obtenir des mesures précisesde vitesses de phase. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince allant jusqu'à 500 nm et deuxièmement des structures amorphes à gradient de contraintes.

La présente étude a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le groupe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse et la société de recherche contractuelle SINAPTEC située à Lille. SINAPTEC conçoit et développe des systèmes ultrasonores piézoélectriques résonants pour un grand nombre d'applications industrielles et a pour volonté d'améliorer sa compréhension des phénomènes mis en jeu ainsi que les performances et les fonctionnalités de sa technologie actuelle. L'objectif de cette étude est d'exploiter la sensibilité des transducteurs piézoélectriques résonants afin de leur conférer une fonction de capteur en vue de mieux contrôler leur action sur le milieu à traiter par le suivi de l'évolution de l'impédance électromécanique. Actuellement, pour le pilotage et le contrôle des transducteurs US de puissance dédiés aux applications en milieu liquide - qui font l'objet de la présente étude - plusieurs difficultés se posent. Tout d'abord la première difficulté, inhérente à la nature même des transducteurs piézoélectriques de puissance, est la dérive de leurs caractéristiques avec l'échauffement. L'échauffement dans le transducteur provoque une dérive de sa fréquence de résonance et de ses propriétés mécaniques qui est partiellement solutionnée par un asservissement en fréquence (et/ou en puissance) mais il n'en reste pas moins qu'une dégradation des performances de l'actionneur est observée. La deuxième difficulté réside dans le fait que le transducteur plongé dans une charge liquide est difficile à contrôler car l'application des ondes ultrasonores de puissance dans ce milieu provoque l'apparition de microbulles de vapeur, c'est le phénomène de cavitation qui est extrêmement complexe et fortement non linéaire. L'objectif est donc de trouver une méthode simple, peu consommatrice en ressources pour être implémentée dans la nouvelle génération de générateurs électroniques de SINAPTEC et qui permette d'extraire des informations pertinentes sur le milieu liquide - comme l'intensité de la cavitation par exemple - mais aussi sur l'état du transducteur et son évolution pendant qu'il fonctionne à forte puissance dans des conditions normales d'utilisation. Le principe de la méthode proposée repose sur le calcul de l'impédance de charge du transducteur en fonctionnement et son suivi en « temps réel »par mesure des signaux électriques et à partir de ses caractéristiques à vide. Pour montrer la faisabilité d'une telle méthode, une modélisation analytique par le modèle des matrices de transfert ainsi qu'une modélisation numérique, à l'aide du logiciel ANSYS, ont été réalisées afin de qualifier l'effet de la charge liquide en régime stable et cavitant sur l'impédance électrique du transducteur. Deux transducteurs ont été modélisés : un système ultrasonore standard de SINAPTEC, classiquement utilisé pour les applications en milieu liquide, et un transducteur spécialement conçu pour être plus sensible à la charge et plus facilement pilotable. Cette modélisation a été complétée par des expérimentations afin de confirmer la faisabilité de la méthode en milieu cavitant. La modélisation ainsi que les expérimentations ont permis de confirmer que les propriétés du milieu liquide en contact avec le transducteur sont corrélées à l'impédance électrique de ce dernier (et à sa fréquence de résonance). De ce fait, il devient alors possible, en suivant/observant l'impédance électrique du transducteur, de déterminer certaines propriétés du milieu et ainsi permettre un meilleur suivi de l'action du transducteur sur sa charge. / This study is the result of a collaboration between the research group GREM3 of the LAPLACE Laboratory in Toulouse and SINAPTEC, a research company located in Lille. SINAPTEC designs and develops resonant piezoelectric ultrasonic systems for many industrial applications and wants to improve the performance and functionality of its current technology. The objective of this study is to exploit the sensitivity of resonant piezoelectric transducers to use them as sensors in order to better control their action on the medium to be treated by monitoring the evolution of their electromechanical impedance. ABSTRACT : Currently, several difficulties arise for the control of high power ultrasonic transducers dedicated to applications in liquid media - which are the subject of this study. The first difficulty - inherent in the nature of piezoelectric transducers- is the shift of their characteristics with heating. Heating in the transducer causes a drift of the resonance frequency and its mechanical properties which is partially solved by a frequency control loop, but a performance degradation of the actuator is still observed. The second difficulty lies in the fact that the transducer immersed in a liquid load is difficult to control because the application of high power ultrasonic waves in the medium generates micro-bubbles in the liquid: it is the phenomenon of cavitation, extremely complex and highly non-linear. The objective is to find a simple method, to be implemented in the next generation of electronic generators of SINAPTEC, that allows to extract relevant information on the liquid medium (such as the intensity of cavitation for instance) but also on the state of the transducer and its evolution during operation at high power under normal conditions of use. The principle of the proposed method is based on the calculation of the transducer load impedance while functioning by measuring electrical signals and using its unloaded characteristics. To show the feasibility of such an approach, the analytical model of the transfer matrices as well as a finite element model ( using ANSYS software) were implemented to characterize the effect of stable and cavitating liquid loads on the electrical impedance of the transducer. Two transducers were modeled: a standard ultrasound system of SINAPTEC, typically used for applications in liquid media, and a transducer specifically designed to be more sensitive to the load and more easily controllable. These model were complemented by experiments to confirm the feasibility of the method in a cavitating environment. Modeling and experiments have confirmed that the properties of the liquid in contact with the transducer are correlated with the electrical impedance of the latter (and its resonance frequency). Thus, it becomes possible to determine certain properties of the medium by monitoring the electrical impedance of the transducer and it should allow a better control of the action of the transducer on the load.

L’objectif de cette thèse était de concevoir, fabriquer, et tester des transducteurs ultrasonores multi – éléments pour des applications en environnements sévères. Dans ce contexte, des techniques de caractérisation des matériaux ont été développées afin d’adapter la conception des transducteurs en fonction des contraintes de l’environnement, et plus particulièrement la température. Deux types de conceptions ont été étudiées selon les applications visées : La première application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs dans des réacteurs de génération IV (refroidi au sodium liquide) lors d’un arrêt de tranche. Dans ce cas, l’environnement sévère était caractérisé par une température de 200 °C, et la présence de sodium liquide. Des radiations pouvaient également être présentes. Pour cette application, un transducteur (nommé LiNa) sous la forme d’un projecteur ultrasonore linéaire de 20 éléments, fonctionnant à 2.5MHz a été fabriquée, puis testé en eau et en sodium liquide. La seconde application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs en contact de pièces massives en cours de soudage. Une pièce massive est par exemple une cuve de réacteur nucléaire. Ce transducteur permet de détecter des défauts dans une soudure très rapidement après sa réalisation, et ainsi corriger directement cette dernière, sans attendre que les pièces soient refroidies. Pourcette application, un transducteur (nommé MaCo) sous forme de matrice 8 × 8 éléments, fonctionnant à 5MHz a été développé, et caractérisé de la température ambiante, jusqu’à 240 °C. Avec ce capteur, Avec ce capteur, des échos en ondes transversales ont été obtenus jusqu’à la température limite, sans refroidissement. / The goal of this thesis was to design, fabricate and test phased arrays ultrasonic transducers for harshenvironment applications. In this context, characterization methods were developed in order to adapt transducerdesign to the environment. We designed two types of ultrasonic phased array transducers according to theconsidered application:The first application aimed at developping an ultrasonic transducer for non destructive testing in IVth generationnuclear reactors (cooled with liquid sodium) during reactor outages. In this case, the harsh environment wascharacterized by a temperature of 200 °C, and the presence of liquid sodium. Radiations could also be present.For this application, a 20 elements 2.5MHz immersion linear projector (called LiNa) was fabricated then testedunder water and under liquid sodium.The second application aimed at developping an ultrasonic transducer in order to realize non destructive testingin contact with massive pieces during welding. A massive piece for example is a tank for nuclear plant reactor.The transducer will permit to quickly detect defects in a weld after its realization, and then correct it directlyif necessary, without waiting for the pieces to cool down at ambient temperatures. For this application,a 64elements 5MHz matrix transducer (named MaCo) were developed and tested from ambient to 240 °C. Thetransducer worked up to the limit temperature without any cooling system, and some typical defects weredetected.

La tomographie ultrasonore assistée par ordinateur possède un fort potentiel en tant que moyen d'inspection des tissus mammaires pour le dépistage du cancer du sein; cette technique permet de réduire la dépendance à l'opérateur constatée avec l'échographie conventionnelle. Une antenne de transducteurs (3 MHz) à géométrie semi-circulaire conformée à l'anatomie du sein a été développée pour réaliser une imagerie de réflectivité des structures d'intérêt en employant une procédure de reconstruction tomographique. L'antenne comporte 1024 éléments répartis sur un arc de 190 degrés ayant un rayon de courbure de 100 mm. Les acquisitions sont gérées par une électronique à 32 voies parallèles indépendantes en émission/réception et par un multiplexer pour l'adressage des voies vers les éléments de l'antenne. Les circuits d'émission et de réception ont une fréquence d'échantillonnage allant jusqu'à 80 MHz avec une précision de 12 bits. Des formes d'ondes arbitraires (pseudo-chirp, codes de Golay) sont transmises afin d'améliorer le rapport signal sur bruit. L'électroacoustique a été caractérisée avec des objets académiques et un hydrophone afin de déterminer les propriétés d'émission du système d'imagerie (réponses impulsionnelles et distribution spatiale du champ) et de développer des outils de correction des données; ces résultats sont mis en regard avec le formalisme de résolution du problème inverse (algorithme de sommation des rétroprojections elliptiques filtrées en champ proche). L'évaluation du système d'imagerie est réalisées sur des objets ponctuels, des objets bidimensionnels à faible contraste d'impédance et un fantôme anthropomorphique de sein contenant des inclusions / Ultrasound computed tomography has considerable potential as a means of breast cancer detection since it reduces the operator-dependency observed in echography. A half-ring transducer array was designed based on the breast anatomy, to obtain reflectivity images of the ductolobular structures using tomographic reconstruction procedures. The 3-MHz transducer array comprises 1024 elements set, in a 190-degree circular arc with a radius of 100 mm. The front-end electronics incorporate 32 independent parallel transmit/receive channels and a 32-to-1024 multiplexer unit. The transmit and receive circuitries have a variable sampling frequency of up to 80 MHz and a 12-bit precision. Arbitrary waveforms are synthesized to improve the signal-to-noise ratio. The set-up was calibrated with academic objects and a needle hydrophone to develop the data correction tools and specify the properties of the system; results are compared with the formalism of inverse problem (elliptical back-projection summation algorithm).The backscattering field was recorded using a restricted aperture, and tomographic acquisitions were performed with a pair of 0.08 mm diameter steel threads, a low contrast 2-D breast phantom, and a breast-shaped phantom containing inclusions. The pulse compression is used and the contribution of this technique to ultrasound computed tomography is evaluated with respect to the use of a standard broadband pulse. Prospects for development of inspection methods and also adaptations of the electroacoustic set-up dedicated to the anatomical tomographic imaging are proposed relative to conducted studies during this thesis.

La modulation de la phase d'un signal optique à l'intérieur d'une fibre optique peut être obtenue par l'application d'un stress mécanique sur la fibre. Ce stress peut être une tension ou une compression axiale ou encore un stress latéral. Contrairement à une tension ou à une compression purement axiale, l'application d'un stress latéral introduit une biréfringence dans la fibre optique, soit un retard de phase différent pour les polarisations x et y. Une modulation rapide et précise d'un stress latéral peut être obtenue en fixant la fibre sur un actuateur fait d'un matériau piézoélectrique ou magnétostrictif. Cependant, le lien entre l'actuateur et la fibre, généralement un collage, peut mener à des problèmes de stabilité et de tenue en température. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un moyen simple, efficace et stable pour moduler directement la phase du signal se propageant dans une fibre optique. Le saut de phase induit est biréfringent et peut être modulé à des fréquences supérieures à 300 kHz. Le modulateur de phase développé est fait d'une épissure mécanique en alliage à mémoire de forme couplée à un actuateur piézoélectrique. La fibre s'insère facilement dans le modulateur de phase et aucun collage n'est nécessaire entre celui-ci et l'actuateur. Ce modulateur de phase a été utilisé pour réaliser un laser DFB (Distributed Feedback) pouvant être opéré en régime continu, en régime déclenché et en régime de modulation de puissance. De plus, la biréfringence du saut de phase induit permet de choisir une émission polarisée linéairement en x ou en y, selon la tension appliquée à l'actuateur piézoélectrique. Le laser peut également émettre en alternance des impulsions polarisées linéairement en x et en y. Le temps de vie de la cavité a pu être obtenu de la période des oscillations de relaxation. De plus, pour amener une solution à une autre problématique, des connexions haute puissance ont été mises au point entre des fibres de silice et des fibres de verre fluoré, en utilisant l'épissure en alliage à mémoire de forme développée par notre partenaire industriel Phasoptx.

Les réseaux de Bragg occupent une place importante dans le secteur des composants optiques fibrés. En effet, ils permettent de filtrer et contrôler la lumière qui voyage à travers les réseaux de télécommunication. Ils réalisent cette tâche en réfléchissant une partie du signal autour d’une longueur d’onde appelée longueur d’onde de Bragg. Traditionnellement, leur fabrication se fait par irradiation d’une fibre de silice à un faisceau laser UV. Dans ce cas, l’écriture est limitée à la silice en raison des mécanismes de photosensibilité propre à la matrice de ce verre et qui sont malheureusment nécessaires à l’inscription des réseaux. Dans certains cas, ceci peut être problématique. En effet, pour le développement de sources lasers tout-fibres, une application technologique d’importance, il est d’usage que la cavité soit basée sur une fibre à composition exotique qui ne possèdent pas nécessairement les mêmes mécanismes de photosensibilité que la silice. Le développement récent de sources lasers ultrarapides et ultraintenses présente une solution à ce problème. En effet, en utilisant des impulsions femtosecondes, il est maintenant possible de prendre avantage d’une multitude d’effets non linéaires, qui eux sont universels, afin de générer la photosensibilité souhaitée. À ce jour, la plupart des travaux se sont réalisés grâce à des impulsions de 800 nmen longueur d’onde. Or, il s’avère qu’utiliser une longueur d’onde plus courte comporte certains avantages. Premièrement, ceci permet l’accès à des longueurs d’onde Bragg plus faibles. Ceci pourrait être utile dans le développement de sources lasers émettant dans le visible. Par ailleurs, des impulsions à plus haute énergie génèrent davantage d’effets nonlinéaires ce qui, théoriquement, se traduit pas une plus grande photosensibilité du milieu. Pour ces raisons, une longueur d’onde d’inscription de 400 nm a été choisie pour la réalisation de ces travaux. Par ailleurs, la technique d’écriture par balayage d’un masque de phase a été utilisée pour fabriquer les réseaux. Cette technique, qui n’avait jamais encore été étudiée pour l’écriture femtoseconde à 400 nm, est basée sur l’interférence des deux premiers ordres de diffraction d’un masque de phase. De plus, il est possible de balayer la fibre de façon longitudinale et transversale grâce à une platine de translation et un actuateur piézoélectrique de manière à maximiser la réflectivité du réseau et contrôler ses caractéristiques spectrales. Grâce à ce montage, l’écriture à 1 [mu]m dans une fibre de silice a été optimisée. Dans les conditions de focalisation de notre expérience, il faut, pour d’obtenir un taux d’écriture maximal, que la distance fibre-masque soit entre 1,7 nm et 3 mm, que l’énergie des impulsions soit entre 250 et 400 [mu]J et que la vitesse de déplacement de la platine soit la plus faible possible (v = 1 mm/min est généralement utilisée). Par ailleurs, nous avons montré que le recuit thermique de réseaux inscrits dans de la fibre de silice non photosensibilisée, hydrogénée et deutérisée résorbent leurs pertes sans pour autant sacrifier leurs performances. Le profil des filaments a également été caractérisé grâce à des mesures de réfractométrie en champ proche. Sans balayage transversal, nous avons constaté que les filaments traversant la fibre était en régime unique. Dans le cas avec balayage à une fréquence de 20 Hz, nous avons montré que la zone de changement d’indice, bien qu’étendue, était non uniforme. Des simulations numériques et des mesures de tensions aux bornes de l’actuateur piézoélectrique, nous a montré que pour assurer l’uniformité, il fallait respecter un rapport fréquence piézoélectrique sur vitesse de déplacement de la platine ne dépassant pas 0,01 avec une fréquence piézoélectrique ne dépassant pas 1 Hz. Finalement, l’uniformité est aussi affecter par l’amplitude de balayage transversale par rapport au rayon de la fibre en raison de l’effet de la courbure de la fibre. Pour éviter une déformation trop importante, il est de mise que ce rapport soit en deçà de 0,1. Un autre aspect des travaux à porter sur l’écriture de réseaux à pas courts pour le visible. En utilisant un masque de phase uniforme de pas [lambda] = 655 nm, il a été possible d’inscrire un réseau de deuxième ordre à 480 nm. Les pertes importantes causées par la présence de nombreuses bandes d’absorption associées aux centres de couleurs ont été résorbées à un niveau de 8,8 %. Finalement, des contributions aux projets respectifs de mes collègues Vincent Fortin et Jérôme Leclerc-Perron soit le développement d’un laser Raman dans le verre fluoré et celui d’un laser pulsé tout-fibre pour l’infrarouge ont été faites en inscrivant des réseaux pour leur cavité laser.

La tomographie ultrasonore assistée par ordinateur possède un fort potentiel en tant que moyen d'inspection des tissus mammaires pour le dépistage du cancer du sein ; cette technique permet de réduire la dépendance à l'opérateur constatée avec l'échographie conventionnelle. Une antenne de transducteurs (3 MHz) à géométrie semi-circulaire conformée à l'anatomie du sein a été développée pour réaliser une imagerie de réfl ectivité des structures d'intérêt en employant une procédure de reconstruction tomographique. L'antenne comporte 1024 éléments répartis sur un arc de 190 degrés ayant un rayon de courbure de 100 mm. Les acquisitions sont gérées par une électronique à 32 voies parallèles indépendantes en émission/réception et par un multiplexer pour l'adressage des voies vers les éléments de l'antenne. Les circuits d'émission et de réception ont une réquence d'échantillonnage allant jusqu'à 80 MHz avec une précision de 12 bits. Des formes d'ondes arbitraires (pseudo-chirp, codes de Golay) sont transmises a n d'améliorer le rapport signal sur bruit. L'électroacoustique a été caractérisée avec des objets académiques et un hydrophone a n de déterminer les propriétés d'émission du système d'imagerie (réponses impulsionnelles et distribution spatiale du champ) et de développer des outils de correction des données ; ces résultats sont mis en regard avec le formalisme de résolution du problème inverse (algorithme de sommation des rétroprojections elliptiques fi ltrées en champ proche). L'évaluation du système d'imagerie est réalisées sur des objets ponctuels ( fils de 80 m de diamètre), des objets bidimensionnels à faible contraste d'impédance et un fantôme anthropomorphique de sein contenant des inclusions. La technique de compression d'impulsion est utilisée pour traiter les signaux ; l'apport de cette technique à la tomographie ultrasonore est évaluée en regard d'une impulsion large bande. La résolution spatiale est inférieure au tier de la longueur d'onde et les images préliminaires réalisées avec le système sont très satisfaisantes. Des perspectives de développement des méthodes d'inspection et des adaptations du système électroacoustique pour la tomographique anatomique du sein sont proposées au vue des études réalisées durant cette thèse.

Dans le domaine du contrôle non-destructif par ultrasons l’utilisation de sondes ultrasonores pouvant fonctionner en continue à des températures à minima de 300°C serait d’un grand intérêt. Par exemple, cela pourrait concerner le contrôle de santé de structures de l’industrie nucléaire ou pétrolière. Plus fondamentalement, de telles sondes pourraient être également utilisées pour caractériser le comportement mécanique d’une large gamme de matériaux soumis à des stress thermiques et réaliser par exemple le suivi de l’endommagement et de vieillissement de ces matériaux. Or, commercialement il n’existe pas de sondes ultrasonores pouvant fonctionner à de telles températures, cela reste du domaine de la recherche.Une sonde ultrasonore est constituée de 3 éléments principaux : le dos, l’élément actif et la face avant. Des éléments actifs pouvant fonctionner à des températures très élevées existent, citons à titre d’exemple le LiNb03 (température de curie de 1350°C). Toutefois dans l’objectif d’obtenir des sondes ultrasonores performantes à hautes températures il est nécessaire d’optimiser les propriétés et également le couplage acoustique de chacun des trois constituants de la sonde. Le dos est un élément important qui, par atténuation de l’onde émise en face arrière de l’élément actif, permet de contrôler la bande passante et la sensibilité des sondes.Le présent travail de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de composites particulaires métalliques utilisés comme dos de sondes ultrasonores destinées à fonctionner à hautes températures. Les composites sont réalisés par pressage uni-axial d’une poudre servant de matrice et d’une deuxième de diffuseur. Durant ce travail exploratoire nous avons mis au point un protocole de fabrication qui nous a permis de réaliser des composites d’étain/sn ayant des propriétés acoustiques intéressantes (atténuation et impédance). Pour caractériser nos échantillons un banc de spectroscopie ultrasonore a été spécifiquement mis en œuvre / In the field of ultrasonic non-destructive testing, the use of ultrasonic transducer which can operate continuously at temperatures of at least 300 ° C. would be of great interest. For example, this could concern the health control of structures in the nuclear or petroleum industry. More fundamentally, such probes could also be used to characterize the mechanical behavior of a wide range of materials subjected to thermal stresses and, for example, to monitor the damage and aging of these materials. However, commercially, there are no ultrasonic probes that can operate at such temperatures, but this is still a research area.An ultrasonic probe consists of 3 main elements: the back, the active element and the front face. Active elements which can operate at very high temperatures exist, for example LiNbO 3 (curie temperature of 1350 ° C.). However, in order to obtain high-performance ultrasonic probes at high temperatures, it is necessary to optimize the properties and also the acoustic coupling of each of the three components of the probe. The back is an important element which, by attenuation of the wave emitted on the back of the active elements, allows to control the bandwidth and the sensitivity of the probes.The present thesis deals with the realization and characterization of metallic particulate composites used as backs of ultrasonic probes intended to operate at high temperatures. The composites are produced by uni-axial pressing of a matrix powder and a second diffuser. During this exploratory work, we developed a manufacturing protocol that allowed us to produce tin / sn composites with interesting acoustic properties (attenuation and impedance). To characterize our samples a bench of ultrasonic spectroscopy has been specifically implemented

Aujourd'hui l'utilisation de l'échographie 3D en cardiologie est limitée car l'imagerie de la totalité du myocarde sur un cycle cardiaque, sans apnée, reste un défi technologique. Une solution consiste à réduire le nombre de capteurs dans les sondes échographiques matricielles afin d'alléger le procédé d'acquisition: ces sondes sont dites parcimonieuses. Le but de cette thèse est de proposer les meilleures dispositions d'un nombre réduit de capteurs piézo-électriques répartis sur la surface active de la sonde afin d'optimiser leur capacité à produire des images homogènes en termes de contraste et résolution dans tout le volume d'intérêt. Ce travail présente l'intégration de simulations acoustiques réalistes élaborées au sein d'un processus d'optimisation stochastique (algorithme de recuit simulé). La structure proposée pour le design des sondes parcimonieuse est suffisamment générale pour être appliquée aux sondes régulières (éléments actifs disposés selon une grille) et non-régulières (positionnement arbitraire des éléments actifs). L'introduction d'une fonction d'énergie innovante permet de sculpter en 3D le diagramme optimal de rayonnement de la sonde. Les résultats de sondes optimisées obtenues possèdent 128, 192 ou 256 éléments pour favoriser leur compatibilité avec les échographes commercialisés à ce jour, ce qui permettrait de déployer l'échographie 3D à moindre coût et à très large échelle / Today, the use of 3D ultrasound imaging in cardiology is limited because imaging the entire myocardium on a single heartbeat, without apnea, remains a technological challenge. A solution consists in reducing the number of active elements in the 2D ultrasound probes to lighten the acquisition process: this approach leads to sparse arrays. The aim of this thesis is to propose the best configuration of a given number of active elements distributed on the probe active surface in order to maximize their ability to produce images with homogeneous contrast and resolution over the entire volume of interest. This work presents the integration of realistic acoustic simulations performed in a stochastic optimization process (simulated annealing algorithm). The proposed sparse array design framework is general enough to be applied on both on-grid (active elements located on a regular grid) and non-grid (arbitrary positioning of the active elements) arrays. The introduction of an innovative energy function sculpts the optimal 3D beam pattern radiated by the array. The obtained optimized results have 128, 192 or 256 active elements to help their compatibility with currently commercialized ultrasound scanners, potentially allowing a large scale development of 3D ultrasound imaging with low cost systems

L’utilisation des ultrasons pour l’imagerie présente plusieurs avantages : elle est extrêmement sure car ellen'utilise pas de radiations ionisantes et ne présente pas d'effets néfastes sur la santé. D’autre part, elle donne desrésultats d’excellente qualité avec un coût relativement faible. Historiquement, les matériaux piézoélectriques et leurscomposites ont été très tôt utilisés pour la génération d’ultrasons. Les transducteurs fabriqués à partir de ces matériauxdominent actuellement le marché des sondes ultrasonores. Cependant, pour certaines applications, ils ne peuvent pasêtre utilisés pour des raisons de dimensionnement et de limitations dues aux propriétés des matériaux. Une solutionpeut être apportée par l’utilisation des transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés dits CMUTs. Ces dernierssuscitent un intérêt croissant dans le milieu de l’imagerie ultrasonore et sont considérés comme une alternativepotentielle et viable aux transducteurs piézoélectriques. Cette nouvelle technologie CMUTs est caractérisée par uneplus large bande passante, une sensibilité élevée, une facilité de fabrication et une réduction des coûts de production.Cette thèse est consacrée à la mise en place d’un certain nombre d’outils théoriques et expérimentaux permettant lamodélisation/conception, la fabrication et la caractérisation de transducteurs CMUTs à membrane circulaire pourl’émission des ultrasons. Nous commençons par développer des outils de simulation à base de calculs par élémentsfinis, permettant la compréhension et la modélisation du comportement électromécanique des CMUTs pour laconception et le dimensionnement des cellules élémentaires et des réseaux. Nous proposons par la suite un nouveauprocédé de fabrication de transducteurs CMUTs basé sur le collage anodique d’une couche de silicium monocristallind’épaisseur fixe d’une plaquette de SOI sur un substrat de verre. L’évolution du procédé de fabrication est détailléepour chaque étape technologique en soulignant à chaque fois les améliorations/modifications apportées pour unefiabilité et une répétitivité accrue associées à une connaissance des limites de faisabilité. Dans la dernière partie de cetravail, on s’intéresse à la mise en œuvre de plusieurs plateformes expérimentales permettant différentescaractérisations électromécaniques statiques et dynamiques des dispositifs CMUTs fabriqués / The use of ultrasound imaging has several advantages: it is extremely safe because it does not use ionizingradiation and has no adverse effects on health. It gives excellent quality results with a relatively low cost. Historically,piezoelectric materials and their composites have been early used for ultrasound generation. Transducers made fromthese materials dominate currently the ultrasonic probes market. However, for some applications, they can’t bebecause of design and limitation reasons due to material properties. A solution can be provided by the use ofcapacitive micromachined ultrasonic transducers CMUTs. A growing interest in the field of the ultrasound imaging isshown to this technology considered as a potential and viable alternative to piezoelectric transducers andcharacterized by a wide bandwidth, high sensitivity, ease of manufacture and reduce production costs. This thesis isdevoted to the establishment of a number of experimental and theoretical tools for the modeling/design, fabricationand characterization of circular membrane CMUTs transducers for ultrasound transmission. We begin by developingsimulation tools based on finite elements method in order to understand/model the CMUTs electromechanicalbehavior for the design and dimensioning of elementary cells and networks. Thereafter, we introduce a new CMUTtransducers fabrication process based on the anodic bonding a fixed thickness single crystal silicon layer of a SOIwafer on a glass substrate. The process evolution is detailed for each technological step highlighting everyimprovements/changes introduced for increased reliability and repeatability associated with an increased knowledgeof feasibility limits. In the last part of this work, we focus on the implementation of several experimental platformsallowing different static and dynamic electromechanical characterizations of the fabricated CMUTs devices.