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The IGBT is a hybrid power device which combines the advantages of MOS and bipolar technologies. This property ensures that the IGBT is adapted for a large variety of applications including its use in radiation environments of various severities such as space, nuclear, military, etc.... The designers must anticipate and account for the effects of these environments on the components. This consideration presents the main part of this thesis. Classical methods of characterization are adapted and new techniques are developed to study the IGBT behaviour. The evolution of its parameters with irradiation doses and types is also studied. A novel method for simulating the effects of electron irradiation (4MeV energy) in the IGBT, using the 2D devices simulator PISCES, was developed. 3D modeling is perfomed taking into account the cylindrical symmetry of the unit cell. The validity of the method is confirmed by comparison of simulation results with experimental ones performed on a series of IGBTs irradiated to various doses. The same approach can be applied for other devices and other irradiation types. Our analyzis shows that one can simulate results for any given dose. This procedure helps to save cost on irradiation tests. It can be applied for evaluation and prediction of irradiation effects, Alliant les avantages de la technologie bipolaire et mos, l'igbt (insulated gate bipolar transistor) a pu s'imposer dans le marche de la moyenne puissance en s'adaptant a une très large gamme d'applications. Son développement l'amènera a fonctionner de plus en plus dans des environnements radiatifs (spatial, militaire, nucléaire etc.) ce qui nécessite une caractérisation spécifique. Le travail développe dans ce mémoire s'inscrit dans cet objectif. Des méthodes de caractérisation classiques ont été adaptées et de nouvelles techniques ont été developpees pour l'étude de l'igbt. L'évolution de ses paramètres physiques et électriques a été suivie en fonction de la dose et du type de l'irradiation a laquelle il est soumis. Une méthode originale de simulation des effets induits par irradiation aux électrons sur l'igbt, utilisant le simulateur de dispositifs 2d pisces, a été proposée. Une modélisation 3d est réalisée en tenant compte de la symétrie cylindrique de la cellule de base. Sa validité a été vérifiée par la confrontation des résultats de simulation avec les mesures expérimentales réalisées sur un lot d'igbts irradie a différentes doses d'irradiation par électrons d'une énergie de 4mev. Cette méthode permet de prévoir l'évolution des différents paramètres électriques de l'igbt pour une dose d'irradiation par électrons donnée et ainsi de minimiser le nombre de cycles fabrication irradiation test. Son utilisation peut être étendue a d'autres composants et a d'autres types d'irradiation

With the development of Internet of Things (IoT), the continuous monitoring of the human body parameters and the extreme miniaturization of devices are becoming major societal challenges. At the same time, surface acoustic wave devices (SAW devices) who are widely used in telecommunications for filtering are booming for their sensor function. It is precisely in this context, between the field of epidermal electronics and micro-acoustics that lies this thesis project. The goal is to develop a wireless temperature sensor that combines a device based on the acoustic wave technology with stretchable antennas. The use of a confined wave structure (WLAW) and a choice of suitable materials remove the need for encapsulation in the device. In the ultrathin and ultra-soft flexible format, the device can be harmoniously “tattooed” on the skin. A significant part of the work is focused on the development of the packageless devices and their optimization through different strategies (development of thin-film materials, designs). The remote interrogation is demonstrated using stretchable antennas made by transfer printing.; Avec le développement des objets connectés et de l’IoT (Internet of Things), le suivi en continu des paramètres corporels et la miniaturisation extrême des équipements de mesures deviennent de réels enjeux de société. Parallèlement, les dispositifs à ondes élastiques de surface (dispositifs SAW), largement utilisés dans les télécommunications pour leur propriété de filtrage, connaissent aujourd’hui un essor pour leur fonction de capteur. C’est précisément dans ce contexte, à l’interface entre l’électronique sur peau et la micro-acoustique que se situe ce sujet de thèse. L’objectif est de développer un capteur de température sans fil qui associe un dispositif basé sur la technologie des ondes élastiques à des antennes étirables. L’utilisation d’une structure à ondes confinées (WLAW) et un choix de matériaux appropriés permettent ensuite de supprimer le besoin d’encapsulation du dispositif. Au format ultrafin et ultrasouple, l’ensemble peut être « tatoué » harmonieusement sur la peau. Une grande partie du travail est consacrée à l’élaboration de dispositifs autoprotégés et à leur optimisation par le biais de différentes stratégies (développement de matériaux en couches minces, designs). L’interrogation à distance est démontrée en utilisant des antennes étirables réalisées par transfer printing.

With the development of Internet of Things (IoT), the continuous monitoring of the human body parameters and the extreme miniaturization of devices are becoming major societal challenges. At the same time, surface acoustic wave devices (SAW devices) who are widely used in telecommunications for filtering are booming for their sensor function. It is precisely in this context, between the field of epidermal electronics and micro-acoustics that lies this thesis project. The goal is to develop a wireless temperature sensor that combines a device based on the acoustic wave technology with stretchable antennas. The use of a confined wave structure (WLAW) and a choice of suitable materials remove the need for encapsulation in the device. In the ultrathin and ultra-soft flexible format, the device can be harmoniously “tattooed” on the skin. A significant part of the work is focused on the development of the packageless devices and their optimization through different strategies (development of thin-film materials, designs). The remote interrogation is demonstrated using stretchable antennas made by transfer printing., Avec le développement des objets connectés et de l’IoT (Internet of Things), le suivi en continu des paramètres corporels et la miniaturisation extrême des équipements de mesures deviennent de réels enjeux de société. Parallèlement, les dispositifs à ondes élastiques de surface (dispositifs SAW), largement utilisés dans les télécommunications pour leur propriété de filtrage, connaissent aujourd’hui un essor pour leur fonction de capteur. C’est précisément dans ce contexte, à l’interface entre l’électronique sur peau et la micro-acoustique que se situe ce sujet de thèse. L’objectif est de développer un capteur de température sans fil qui associe un dispositif basé sur la technologie des ondes élastiques à des antennes étirables. L’utilisation d’une structure à ondes confinées (WLAW) et un choix de matériaux appropriés permettent ensuite de supprimer le besoin d’encapsulation du dispositif. Au format ultrafin et ultrasouple, l’ensemble peut être « tatoué » harmonieusement sur la peau. Une grande partie du travail est consacrée à l’élaboration de dispositifs autoprotégés et à leur optimisation par le biais de différentes stratégies (développement de matériaux en couches minces, designs). L’interrogation à distance est démontrée en utilisant des antennes étirables réalisées par transfer printing.

The aim of this Ph.D. Thesis is to study piezo-magnetic surface acoustic wave (SAW) sensor. Accurate and fully coupled physical model was numerically implemented in order to investigate the sensitivity of SAW devices using the magneto-elastic interaction with an external magnetic field. The different parameters of the structure, including the thicknesses of the various layers and their natures were theoretically optimized with regard to the quality factor, the electromechanical coupling factor and the sensitivity to the magnetic field. Devices using the optimal settings have been made and characterized, and their performance compared to the theoretical prediction. We have shown that the sensor can be designed to meet the needs of the application as regards the range of the field strength to be measured and the target sensitivity. Thus the CoFeB used as magneto-elastic sensitive layer provides better sensitivity but on a narrow stretch of the magnetic field while the nickel expands the measurement range but with less sensitivity. We have also shown that the use of hard material as insulating layer, such as alumina, allows better sensitivity. This sensitivity is also greatly increased when the sensor is operating at high frequencies, L’objectif des travaux de cette thèse est la réalisation de capteurs magnétiques à ondes élastiques de surface (SAW). Nos études réalisées dans ce cadre se sont focalisées sur la modélisation et la réalisation de dispositifs magnéto-élastique SAW à base de structures multicouches sensibles au champ magnétique. Une géométrie multicouche offrant plusieurs degrés de libertés permettant d’agir sur les performances du capteur a été considérée. La configuration de cette structure est : Substrat piézoélectrique/électrodes interdigitées/Couche isolante/Couche sensible magnéto-élastique. Les différents paramètres de la structure, notamment les épaisseurs des différentes couches et leurs natures ont été optimisées théoriquement au regard du facteur de qualité, du facteur de couplage électromécanique et de la sensibilité au champ magnétique. Des dispositifs utilisant les configurations optimales ont été réalisés et caractérisés et leurs performances comparées au prédiction théoriques. Nous avons montré que le capteur peut être conçu pour répondre aux besoins de l’application en ce qui concerne la gamme de l’intensité du champ à mesurer et de la sensibilité visée. Ainsi le CoFeB utilisé comme couche sensible magnéto-élastique permet une meilleure sensibilité mais sur une étendue étroite du champ magnétique alors que le nickel permet d’étendre la gamme de mesure mais avec moins de sensibilité. Nous avons également montré que l’utilisation comme couche isolante de matériau dur comme l’alumine permet une meilleure sensibilité. Cette sensibilité est également fortement augmentée pour un fonctionnement à hautes fréquences

The objective of this thesis is to realize heterostructures packageless through a protective layer against harmful atmospheric environments such as oxidation and moisture and also in aggressive environments (high temperatures). The first heterostructure considered in this study, uses the principle of wave isolated. Silicon was used in combination with ZnO as it offers good performances and the possibility to work at high frequencies. Thus, this configuration AlN/IDT/ZnO/Si was chosen for applications in environments with harmful and integrated in CMOS technology. In addition, a protective layer of AlN allows the wave is confined in the active layer of ZnO and remains insensitive to the surface but sensitive to temperature. However, ZnO is conductive at high temperature (> 400 ° C) wich is limited her utilization in harsh environments. This is why a second packageless heterostructure using the IDT/AlN/sapphire has been studied in this manuscript. It is therefore to protect the IDTs by a thin film against the phenomena of agglomeration of the electrodes at high temperatures (1000 ° C); L'objectif de cette thèse est de réaliser des hétérostructures packageless par l'intermédiaire d'une couche protectrice contre les environnements atmosphériques néfastes tels que l'oxydation et l'humidité mais aussi dans les milieux agressifs à hautes températures. La première hétérostructure envisagée dans cette étude, utilise le principe des ondes isolées. Le silicium a été employé en combinaison avec le ZnO car il offre de bonnes propriétés électroacoustiques mais aussi la possibilité de travailler à de hautes fréquences. Ainsi, cette configuration AlN/IDT/ZnO/Si a été principalement choisie pour des applications en environnements néfastes et intégrable dans la technologie CMOS. Par ailleurs, une couche de protection d'AlN permettra à l'onde de se confiner dans la couche active de ZnO et de rester insensible à la surface mais sensible à la température. Le ZnO étant toutefois conducteur à haute température (> 400°C), cette hétérostructure reste peut applicable en milieux sévères à haute température. C'est pourquoi une seconde hétérostructure packageless utilisant comme base l'IDT/AlN/Saphir a été étudiée dans ce manuscrit. Il s'agit donc de protéger les IDTs par un film mince contre les phénomènes d'agglomération des électrodes à hautes températures (1000 °C)

The objective of this thesis is to realize heterostructures packageless through a protective layer against harmful atmospheric environments such as oxidation and moisture and also in aggressive environments (high temperatures). The first heterostructure considered in this study, uses the principle of wave isolated. Silicon was used in combination with ZnO as it offers good performances and the possibility to work at high frequencies. Thus, this configuration AlN/IDT/ZnO/Si was chosen for applications in environments with harmful and integrated in CMOS technology. In addition, a protective layer of AlN allows the wave is confined in the active layer of ZnO and remains insensitive to the surface but sensitive to temperature. However, ZnO is conductive at high temperature (> 400 ° C) wich is limited her utilization in harsh environments. This is why a second packageless heterostructure using the IDT/AlN/sapphire has been studied in this manuscript. It is therefore to protect the IDTs by a thin film against the phenomena of agglomeration of the electrodes at high temperatures (1000 ° C), L'objectif de cette thèse est de réaliser des hétérostructures packageless par l'intermédiaire d'une couche protectrice contre les environnements atmosphériques néfastes tels que l'oxydation et l'humidité mais aussi dans les milieux agressifs à hautes températures. La première hétérostructure envisagée dans cette étude, utilise le principe des ondes isolées. Le silicium a été employé en combinaison avec le ZnO car il offre de bonnes propriétés électroacoustiques mais aussi la possibilité de travailler à de hautes fréquences. Ainsi, cette configuration AlN/IDT/ZnO/Si a été principalement choisie pour des applications en environnements néfastes et intégrable dans la technologie CMOS. Par ailleurs, une couche de protection d'AlN permettra à l'onde de se confiner dans la couche active de ZnO et de rester insensible à la surface mais sensible à la température. Le ZnO étant toutefois conducteur à haute température (> 400°C), cette hétérostructure reste peut applicable en milieux sévères à haute température. C'est pourquoi une seconde hétérostructure packageless utilisant comme base l'IDT/AlN/Saphir a été étudiée dans ce manuscrit. Il s'agit donc de protéger les IDTs par un film mince contre les phénomènes d'agglomération des électrodes à hautes températures (1000 °C)

Surface acoustic waves devices are key components of telecommunication systems for more than thirty years or so. Because they are passive and very sensitive to external conditions, they also offer the possibility to make autonomous wireless sensors (electronic-less and battery-less), which could be particularly interesting in high-temperature environments. Our work was focused on the choice of materials allowing the fabrication of such sensors for both parts of the device: piezoelectric substrate and metallic electrodes. The latter are generally made of platinum because of the great chemical inertness of this noble metal. Our work allowed us to attribute their degradation, starting around 700°C on, to a phenomenon called agglomeration which is very specific to thin films. This result led us to consider and test more efficient solutions. Regarding the substrate, we mainly studied AlN/Sapphire bilayer structure, promising for such applications but not really studied yet. After the optimization of the deposition parameters of the thin film, realized by reactive magnetron sputtering, leading to the epitaxial quality, we studied the strength of AlN to oxidation under high temperature in air atmosphere. Results given by X-ray diffraction, ellipsometry and secondary ion mass spectroscopy converged to show that AlN/Sapphire structure is a good candidate for such applications at temperatures up to 700°C, Éléments essentiels des systèmes de télécommunication depuis environ trente ans, les dispositifs à ondes élastiques de surface offrent également l'opportunité, de par leur sensibilité aux conditions environnementales et leur caractère passif, de réaliser des capteurs sans-fil autonomes (sans électronique ni source d'énergie embarquées), configuration particulièrement intéressante pour la mesure à haute température. Nos travaux se sont focalisés sur le choix des matériaux pouvant constituer de tels capteurs, au niveau des deux éléments les constituant : le substrat piézoélectrique et les électrodes métalliques. Ces dernières sont généralement constituées de platine, de par l'inertie chimique particulièrement importante de ce métal noble. Nos travaux nous ont permis d'attribuer la dégradation de ces électrodes, généralement observée aux alentours de 700°C, à un phénomène spécifique des films minces, dénommé agglomération, nous conduisant par la suite à envisager et à tester des solutions plus efficaces. En ce qui concerne le substrat, nos efforts ont porté sur la structure bicouche AlN/Saphir, prometteuse pour de telles applications, mais encore peu étudiée. Après l'optimisation des paramètres de dépôt du film mince par pulvérisation réactive magnétron, permettant d'obtenir une couche épitaxiée, nous nous sommes intéressés à la résistance à l'oxydation de l'AlN à haute température dans l'air. L'utilisation croisée de la diffraction des rayons X, de l'ellipsométrie et de la spectroscopie de masse des ions secondaires nous a permis de montrer que l'on peut envisager l'emploi de cette structure bicouche pour les applications visées à des températures allant jusqu'à 700°C

The excitation and propagation, in liquid media, of shear waves in surface acoustic wave (SAW) devices based aluminum nitride (AlN) require the inclination of the c axis in the hexagonal structure. The purpose of this study was to deposit tilted c-axis AlN thin films by magnetron sputtering technique without any modification of the deposition system. The search approach was based only on the optimisation of deposition parameters. Substrate and the target were not inclined or shifted. It has been possible through an approach based solely on changes in growth parameters, to deposit thin piezoelectric layers with an inclination angle of 13 ° ± 2 ° under conditions of high pressure (0.8 Pa) and low temperature ( 300 ° C). A thin layer of SiO2 was also introduced to enhance the growth of tilted grains and therefore the columns. The deposited layers have a homogeneous thickness of 75% of a silicon substrate of 3 inches. After determining the optimal parameters leading to growth AlN film with tilted c-axis, we achieved a SAW device and hence demonstrate the ability to excite shear waves in AlN/Si02 /Si SAW structure. The performed device operate at 486.2 MHz corresponding to an acoustic velocity of about 5835m/s and an electromechanical coupling coefficient of 0.014%. The obtained electrical response is very interesting if we take into account the low electromechanical coupling of the structure due to the used substrate.; L'excitation et la propagation des ondes de cisaillement dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface SAW à base de nitrure d'aluminium, en milieux liquides, nécessitent l'inclinaison de l'axe c dans la structure hexagonale. Le but de cette étude était de déposer des couches minces d'AlN à axe c incliné par la technique de pulvérisation magnétron sans aucune modification du dispositif de pulvérisation, le substrat et la cible n'ayant subi ni inclinaison ni décalage. Il a été possible, par une approche basée seulement sur la variation des paramètres de croissance, de déposer des couches minces piézoélectriques avec un angle d'inclinaison de 13°±2° dans des conditions de haute pression (0.8 Pa) et basse température (300°C). Une couche de SiO2 a été également déposée afin de favoriser la croissance inclinée des grains et par conséquent de celle des colonnes. Les couches déposées présentent une grande homogénéité de l'épaisseur sur 75% d'un substrat de silicium de 3 pouces. Après la détermination des paramètres optimaux de « croissance inclinée », nous avons réalisé un dispositif à onde acoustique de surface fonctionnant en mode de cisaillement avec lequel nous avons démontré la possibilité d'exciter les ondes de cisaillement dans un dispositif de type AlN/Si02/Si à 486.2 MHz avec une vitesse de propagation d'environ 5835m/s et un facteur de couplage électromécanique de 0.014%. La réponse électrique est fort intéressante si on tient compte du faible couplage électromécanique dû au substrat utilisé.

The excitation and propagation, in liquid media, of shear waves in surface acoustic wave (SAW) devices based aluminum nitride (AlN) require the inclination of the c axis in the hexagonal structure. The purpose of this study was to deposit tilted c-axis AlN thin films by magnetron sputtering technique without any modification of the deposition system. The search approach was based only on the optimisation of deposition parameters. Substrate and the target were not inclined or shifted. It has been possible through an approach based solely on changes in growth parameters, to deposit thin piezoelectric layers with an inclination angle of 13 ° ± 2 ° under conditions of high pressure (0.8 Pa) and low temperature ( 300 ° C). A thin layer of SiO2 was also introduced to enhance the growth of tilted grains and therefore the columns. The deposited layers have a homogeneous thickness of 75% of a silicon substrate of 3 inches. After determining the optimal parameters leading to growth AlN film with tilted c-axis, we achieved a SAW device and hence demonstrate the ability to excite shear waves in AlN/Si02 /Si SAW structure. The performed device operate at 486.2 MHz corresponding to an acoustic velocity of about 5835m/s and an electromechanical coupling coefficient of 0.014%. The obtained electrical response is very interesting if we take into account the low electromechanical coupling of the structure due to the used substrate., L'excitation et la propagation des ondes de cisaillement dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface SAW à base de nitrure d'aluminium, en milieux liquides, nécessitent l'inclinaison de l'axe c dans la structure hexagonale. Le but de cette étude était de déposer des couches minces d'AlN à axe c incliné par la technique de pulvérisation magnétron sans aucune modification du dispositif de pulvérisation, le substrat et la cible n'ayant subi ni inclinaison ni décalage. Il a été possible, par une approche basée seulement sur la variation des paramètres de croissance, de déposer des couches minces piézoélectriques avec un angle d'inclinaison de 13°±2° dans des conditions de haute pression (0.8 Pa) et basse température (300°C). Une couche de SiO2 a été également déposée afin de favoriser la croissance inclinée des grains et par conséquent de celle des colonnes. Les couches déposées présentent une grande homogénéité de l'épaisseur sur 75% d'un substrat de silicium de 3 pouces. Après la détermination des paramètres optimaux de « croissance inclinée », nous avons réalisé un dispositif à onde acoustique de surface fonctionnant en mode de cisaillement avec lequel nous avons démontré la possibilité d'exciter les ondes de cisaillement dans un dispositif de type AlN/Si02/Si à 486.2 MHz avec une vitesse de propagation d'environ 5835m/s et un facteur de couplage électromécanique de 0.014%. La réponse électrique est fort intéressante si on tient compte du faible couplage électromécanique dû au substrat utilisé.

The thesis deals with the application of SAW sensors for low pressure and high temperature measurements. The first chapter is devoted to the history of SAW devices, from 1965. The principles of SAW sensors are described, as well as their industrial and economical potentials. The second part is devoted to the theoretical tools, used to model the basic properties of elastic waves as well as their sensitivity to external disturbances. Formulas for calculating the sensitivity of devices under strain or temperature changes are inferred. The approaches of Nalamwar/Epstein and Tiersten to take into account the effect of strain fields are both presented. The third part is devoted to the study of a new SAW pressure sensor concept (suggested by the author), for the accurate measurement of primary and secondary vacuum. The experimental results confirm the theoretically predicted sensor parameters: measuring range, sensitivity, precision and response time. A patent is pending for this innovation. A more efficient MEMS-type design is elaborated to maximize the level of performances. Finally, the thesis deals with wireless passive SAW sensor as a very promising solution for measurement at high temperature. The issue of materials is discussed, as well as the classical way to calculate the Temperature Coefficient of Delay (TCD) for multilayered structures. The effect of the strain field induced in the SAW structure by the differential thermal expansion of the different layers is taken into account to improve the accuracy of TCD calculations. This original theoretical approach is supported by experimental and theoretical results.; La thèse traite des capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) et plus particulièrement de leur application pour la mesure des basses pressions et des hautes températures. Le premier chapitre est consacré à l'histoire des dispositifs SAW, depuis 1965. Les principes de fonctionnement des capteurs SAW sont décrits, ainsi que leurs avantages concurrentiels. La seconde partie du document concerne les outils théoriques utilisés pour la modélisation des ondes élastiques et pour la prévision de leur sensibilité aux perturbations. Des formules pour le calcul de la sensibilité à la déformation ou à la variation de température sont démontrées. Les approches de Nalamwar/Epstein et Tiersten sont toutes deux présentées pour le calcul de l?effet des déformations. La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale d'un nouveau concept de capteur SAW de pression (proposé par l'auteur), pour la mesure précise du vide primaire et secondaire. Les résultats expérimentaux confirment l'ensemble des prévisions théoriques. Cette innovation a été brevetée fin 2006. Un design « ultime » de type MEMS est proposé pour maximiser les performances du capteur. Enfin, la dernière partie du document traite des capteurs SAW « wireless » passifs comme une solution prometteuse pour la mesure des hautes températures. La problématique des matériaux est abordée, ainsi que celle du calcul du TCD pour des structures bicouche. L'effet du champ de déformations généré par la dilatation thermique différente des couches est pris en compte pour améliorer la précision du calcul théorique du TCD. Cette approche est étayée par des résultats théoriques et expérimentaux.

The work presented in this book concerns the realization and characterization of a gas sensor based on surface acoustic wave (SAW) devices. To obtain and work with these waves, two interdigital transducers, one emitting and one receiving, are deposited on a piezoelectric substrate. An alternating input signal at the emitting IDT stimulates a wave that propagates along the substrate. At the receiving IDT, this wave is converted into electrical output signal. To obtain a gas sensor, a sensitive film is added in the path of the wave, between the IDTs. The gas adsorption on the sensitive film perturbs the wave propagation and modifies its velocity and amplitude. The sensor structure developed and characterized during this PhD thesis is the following : Polyaniline/ZnO/Quartz. The two layers ZnO/Quartz substrate, for a 90° propagating direction, generates the Love waves and the polyaniline, polymer that can be modified by functional groups is used as sensitive layer. The waves generating structure has been realized entirely in a clean room, especially with the optimisation of the ZnO films deposition by RF magnetron reactive pulverisation process and the photolithography of the IDTs. Then, this structure has been studied and characterized, before and after the sensitive layer deposition, with experimental measurements compared with theoretical estimations. Finally, we have made gas tests (NO2, SO2 and ethanol) with the sensor. In this way, we have shown that the Polyaniline/ZnO/Quartz structure can be used as gas sensor., Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent la réalisation et la caractérisation d?un capteur de gaz à base de dispositifs à ondes élastiques de surfaces, SAW (Surface Acoustic Wave). Pour obtenir et exploiter de telles ondes, deux transducteurs inter-digités (IDT), l'un servant d'émetteur et l'autre de récepteur, sont déposés sur un substrat piézoélectrique. Une tension alternative appliquée aux bornes de l'IDT émetteur génère une onde se propageant le long du substrat. Lorsque cette onde arrive sur l'IDT récepteur, elle est convertie en tension électrique. A partir de ce dispositif, la spécificité du capteur est obtenue par l'ajout d'une couche sensible sur le chemin de propagation de l'onde, entre les deux IDTs. L'adsorption du gaz sur la couche sensible perturbe la propagation de l?onde et modifie ainsi sa vitesse et son amplitude. La structure du capteur développé et caractérisé au cours de cette thèse est la suivante : Polyaniline/ZnO/Quartz. Le substrat bicouche ZnO/Quartz pour une direction de propagation particulière (90°) constitue la partie génératrice d'ondes de Love et la polyaniline, polymère fonctionnalisable est utilisée en tant que couche sensible. La structure génératrice d'ondes a été entièrement réalisée en salle blanche avec notamment l?optimisation des paramètres de dépôt du film de ZnO par pulvérisation réactive RF magnétron et la photolithographie des IDTs. Elle a ensuite été étudiée et caractérisée, avant et après dépôt de la couche sensible, par des mesures expérimentales confrontées aux estimations théoriques. Pour finir, nous avons procédé à des tests sous gaz (NO2, SO2 et éthanol) avec notre capteur. Nous avons ainsi pu montrer le potentiel d?utilisation de la structure Polyaniline/ZnO/Quartz en tant que capteur de gaz.

The work presented in this book concerns the realization and characterization of a gas sensor based on surface acoustic wave (SAW) devices. To obtain and work with these waves, two interdigital transducers, one emitting and one receiving, are deposited on a piezoelectric substrate. An alternating input signal at the emitting IDT stimulates a wave that propagates along the substrate. At the receiving IDT, this wave is converted into electrical output signal. To obtain a gas sensor, a sensitive film is added in the path of the wave, between the IDTs. The gas adsorption on the sensitive film perturbs the wave propagation and modifies its velocity and amplitude. The sensor structure developed and characterized during this PhD thesis is the following : Polyaniline/ZnO/Quartz. The two layers ZnO/Quartz substrate, for a 90° propagating direction, generates the Love waves and the polyaniline, polymer that can be modified by functional groups is used as sensitive layer. The waves generating structure has been realized entirely in a clean room, especially with the optimisation of the ZnO films deposition by RF magnetron reactive pulverisation process and the photolithography of the IDTs. Then, this structure has been studied and characterized, before and after the sensitive layer deposition, with experimental measurements compared with theoretical estimations. Finally, we have made gas tests (NO2, SO2 and ethanol) with the sensor. In this way, we have shown that the Polyaniline/ZnO/Quartz structure can be used as gas sensor.; Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent la réalisation et la caractérisation d?un capteur de gaz à base de dispositifs à ondes élastiques de surfaces, SAW (Surface Acoustic Wave). Pour obtenir et exploiter de telles ondes, deux transducteurs inter-digités (IDT), l'un servant d'émetteur et l'autre de récepteur, sont déposés sur un substrat piézoélectrique. Une tension alternative appliquée aux bornes de l'IDT émetteur génère une onde se propageant le long du substrat. Lorsque cette onde arrive sur l'IDT récepteur, elle est convertie en tension électrique. A partir de ce dispositif, la spécificité du capteur est obtenue par l'ajout d'une couche sensible sur le chemin de propagation de l'onde, entre les deux IDTs. L'adsorption du gaz sur la couche sensible perturbe la propagation de l?onde et modifie ainsi sa vitesse et son amplitude. La structure du capteur développé et caractérisé au cours de cette thèse est la suivante : Polyaniline/ZnO/Quartz. Le substrat bicouche ZnO/Quartz pour une direction de propagation particulière (90°) constitue la partie génératrice d'ondes de Love et la polyaniline, polymère fonctionnalisable est utilisée en tant que couche sensible. La structure génératrice d'ondes a été entièrement réalisée en salle blanche avec notamment l?optimisation des paramètres de dépôt du film de ZnO par pulvérisation réactive RF magnétron et la photolithographie des IDTs. Elle a ensuite été étudiée et caractérisée, avant et après dépôt de la couche sensible, par des mesures expérimentales confrontées aux estimations théoriques. Pour finir, nous avons procédé à des tests sous gaz (NO2, SO2 et éthanol) avec notre capteur. Nous avons ainsi pu montrer le potentiel d?utilisation de la structure Polyaniline/ZnO/Quartz en tant que capteur de gaz.

The thesis deals with the application of SAW sensors for low pressure and high temperature measurements. The first chapter is devoted to the history of SAW devices, from 1965. The principles of SAW sensors are described, as well as their industrial and economical potentials. The second part is devoted to the theoretical tools, used to model the basic properties of elastic waves as well as their sensitivity to external disturbances. Formulas for calculating the sensitivity of devices under strain or temperature changes are inferred. The approaches of Nalamwar/Epstein and Tiersten to take into account the effect of strain fields are both presented. The third part is devoted to the study of a new SAW pressure sensor concept (suggested by the author), for the accurate measurement of primary and secondary vacuum. The experimental results confirm the theoretically predicted sensor parameters: measuring range, sensitivity, precision and response time. A patent is pending for this innovation. A more efficient MEMS-type design is elaborated to maximize the level of performances. Finally, the thesis deals with wireless passive SAW sensor as a very promising solution for measurement at high temperature. The issue of materials is discussed, as well as the classical way to calculate the Temperature Coefficient of Delay (TCD) for multilayered structures. The effect of the strain field induced in the SAW structure by the differential thermal expansion of the different layers is taken into account to improve the accuracy of TCD calculations. This original theoretical approach is supported by experimental and theoretical results., La thèse traite des capteurs à ondes élastiques de surface (SAW) et plus particulièrement de leur application pour la mesure des basses pressions et des hautes températures. Le premier chapitre est consacré à l'histoire des dispositifs SAW, depuis 1965. Les principes de fonctionnement des capteurs SAW sont décrits, ainsi que leurs avantages concurrentiels. La seconde partie du document concerne les outils théoriques utilisés pour la modélisation des ondes élastiques et pour la prévision de leur sensibilité aux perturbations. Des formules pour le calcul de la sensibilité à la déformation ou à la variation de température sont démontrées. Les approches de Nalamwar/Epstein et Tiersten sont toutes deux présentées pour le calcul de l?effet des déformations. La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale d'un nouveau concept de capteur SAW de pression (proposé par l'auteur), pour la mesure précise du vide primaire et secondaire. Les résultats expérimentaux confirment l'ensemble des prévisions théoriques. Cette innovation a été brevetée fin 2006. Un design « ultime » de type MEMS est proposé pour maximiser les performances du capteur. Enfin, la dernière partie du document traite des capteurs SAW « wireless » passifs comme une solution prometteuse pour la mesure des hautes températures. La problématique des matériaux est abordée, ainsi que celle du calcul du TCD pour des structures bicouche. L'effet du champ de déformations généré par la dilatation thermique différente des couches est pris en compte pour améliorer la précision du calcul théorique du TCD. Cette approche est étayée par des résultats théoriques et expérimentaux.

We investigate in this work the multilayer structures ZnO/Quartz, AlN/Diamond and ZnO/AlN/Diamond for designing SAW sensors and high frequency SAW filters. Beginning with a theoretical study that we have developed for modelling the SAW structures, we discuss then the technological processes used for preparing such devices and also the characterisation methods implemented to determine the device principal parameters. We describe subsequently an original method that we have established for SAW device design of the deposits on the diamond. The films are grown in this method on the unpolished nucleation side of the freestanding CVD diamond. These nucleation side have good morphological qualities which enhance the acoustic wave propagation. The ZnO/Quartz-based SAW sensors and AlN/Diamond-based SAW filters that we have designed are then presented and discussed as to their performances. While the sensors show a high sensibility and a low temperature coefficient, the filter can be operate at high frequencies without loosing its filtering capacity. Finally, a. new SAW device based on ZnO/AlN/Diamond combining high phase velocity and high electromechanical coupling coefficient has been investigated for GHz-band applications., Ce mémoire avait l'objectif de modéliser, réaliser et caractériser des dispositifs SAW à base de structures multicouches à savoir : ZnO/Quartz, AlN/Diamant et ZnO/AlN/Diamant, pour les applications capteurs et hautes fréquences. La première partie de ce mémoire a été consacrée à l'étude théorique de modélisation de structures multicouches de dispositifs SAW. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons présenté les procédés technologiques nécessaires pour la fabrication de ces dispositifs, ainsi nous avons également présenté les méthodes de caractérisation des principaux paramètres de ces dispositifs. Concernant la troisième partie, nous avons étudié les dépôts de films de diamant, d'oxyde de zinc et de nitrure d'aluminium. Nous avons également proposé une solution originale consistant à utiliser la face de nucléation du diamant auto-supporté qui présente une bonne qualité morphologique permettant d'assurer une bonne propagation des ondes élastiques. Dans la dernière partie, nous avons réalisé des capteurs SAW à base de structure ZnO/Quartz stables aux variations thermiques et présentant de bonnes sensibilités. Nous avons également réalisé des filtres SAW à base de structure AlN/diamant fonctionnant à haute fréquence tout en offrant de bonnes qualités de filtrage. Enfin, nous avons étudié et réalisé une structure originale, ZnO/AlN/Diamant, combinant un grand coefficient de couplage électromécanique et une grande vitesse de propagation.