Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques. / Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements.

Cette thèse porte sur le développement d'un traducteur ultrasonore multi-élément capacitif à couplage air (MEACUT) et son utilisation dans le domaine du contrôle non destructif (CND) de matériaux. Un modèle est employé pour simuler numériquement ce traducteur, et pour optimiser sa conception. Un prototype est ensuite fabriqué, puis caractérisé expérimentalement pour quantifier ses performances. Son originalité réside dans le fait qu'il possède une large bande passante en fréquence, tout en offrant la possibilité d'une focalisation variable. Ce prototype est alors employé pour la détection d'un endommagement causé par impact, dans une plaque composite. Il est clairement constaté que la résolution spatiale du procédé d'inspection employé (C-scan) est fortement améliorée grâce aux performances techniques du MEACUT. Enfin, un modèle hybride 3D est développé pour simuler, rapidement et intégralement, ce procédé de CND. Le très bon accord obtenu entre prédictions numériques et mesures expérimentales laisse présager que cet outil de simulation pourra servir à mettre au point d'autres expérimentations de CND, qui pourront à leur tour exploiter les performances du MEACUT. / This thesis focuses on the development of a Multi-Element Air-coupled Capacitive Ultrasonic Transducer (MEACUT) and its use in the field of non-destructive testing (NDT) of materials. A numerical model is used to simulate the translator, and to optimize its design. A prototype is then built and experimentally characterized to quantify its performance. Its originality lies in the fact that it has a broad frequency bandwidth while offering the possibility of a dynamic focusing. This prototype is then used for the detection of damage caused by impact, in a composite plate. It is clearly found that the spatial resolution of the inspection process employed (C-scan) is greatly improved thanks to the technical performance MEACUT. Finally, a 3D hybrid model is developed to simulate quickly and fully, the process of NDT. The good agreement obtained between numerical predictions and experimental measurements suggests that this simulation tool can be used to develop other NDT experiments, which may in turn exploit the performance of MEACUT.

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La technique de haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) est maintenant largement utilisée pour le traitement du cancer, grâce à son avantage non-invasif. Dans un système de HIFU, une matrice de transducteurs à ultrasons est pilotée en phase pour produire un faisceau focalisé d'ultrasons (1M ~ 10 MHz) dans une petite zone de l'emplacement de la cible sur le cancer dans le corps. La plupart des systèmes HIFU sont guidées par imagerie par résonance magnétique (IRM) dans de nos jours. Dans cette étude de doctorat, un amplificateur de puissance de classe D en demi-pont et un système d'accord automatique d'impédance sont proposés. Tous deux circuits proposés sont compatibles avec le système IRM. L'amplificateur de puissance proposé a été réalisé par un circuit imprimé (PCB) avec des composants discrets. Selon les résultats du test, il a rendement de conversion en puissance de 82% pour une puissance de sortie conçue de 1,25W à une fréquence de travail de 3MHz. Le système d'accord automatique d'impédance proposé a été conçu en deux versions: une version en PCB et une version en circuit intégré (IC). Contrairement aux systèmes d'accord automatique proposés dans la littérature, il n'y a pas besoin de l'unité de microcontrôleur (MCU) ou de l'ordinateur dans la conception proposée. D'ailleurs, sans l'aide de composants magnétiques volumineux, ce système d'auto-réglage est entièrement compatible avec l'équipement IRM. La version en PCB a été conçue pour vérifier le principe du système proposé, et il est également utilisé pour guider à la conception du circuit intégré. La réalisation en PCB occupe une surface de 110cm². Les résultats des tests ont confirmé la performance attendue. Le système d'auto-tuning proposé peut parfaitement annuler l'impédance imaginaire du transducteur, et il peut également compenser l'impédance de la dérive causée par les variations inévitables (variation de température, dispersion technique, etc.). La conception du système d'auto-réglage en circuit intégré a été réalisé avec une technologie CMOS (C35B4C3) fournies par Austrian Micro Systems (AMS). La surface occupée par le circuit intégré est seulement de 0,42mm². Le circuit intégré conçu est capable de fonctionner à une large gamme de fréquence tout en conservant une consommation d'énergie très faible (137 mW). D'après les résultats de la simulation, le rendement de puissance de ce circuit peut être amélioré jusqu'à 20% comparant à celui utilisant le réseau d'accord statique. / High intensity focused ultrasound (HIFU) technology is now broadly used for cancer treatment, thanks to its non-invasive property. In a HIFU system, a phased array of ultrasonic transducers is utilized to generate a focused beam of ultrasound (1M~10MHz) into a small area of the cancer target within the body. Most HIFU systems are guided by magnetic resonance imaging (MRI) in nowadays. In this PhD study, a half-bridge class D power amplifier and an automatic impedance tuning system are proposed. Both the class D power amplifier and the auto-tuning system are compatible with MRI system. The proposed power amplifier is implemented by a printed circuit board (PCB) circuit with discrete components. According to the test results, it has a power efficiency of 82% designed for an output power of 3W at 1.25 MHz working frequency. The proposed automatic impedance tuning system has been designed in two versions: a PCB version and an integrated circuit (IC) version. Unlike the typical auto-impedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this auto-tuning system is completely compatible with MRI equipment. The PCB version was designed to verify the principle of the proposed automatic impedance tuning system, and it is also used to help the design of the integrated circuit. The PCB realization occupies a surface of 110cm². The test results confirmed the expected performance. The proposed auto-tuning system can perfectly cancel the imaginary impedance of the transducer, and it can also compensate the impedance drifting caused by unavoidable variations (temperature variation, technical dispersion, etc.). The IC design of the auto-tuning system is realized in a CMOS process (C35B4C3) provided by Austrian Micro Systems (AMS). The die area of the integrated circuit is only 0.42mm². This circuit design can provide a wide working frequency range while keeping a very low power consumption (137 mW). According to the simulation results, the power efficiency can be improved can up to 20% by using this auto-tuning circuit compared with that using the static tuning network.

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.