Conception de transducteurs acoustiques mi - TEL (Thèses-en

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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THESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'INPG
Spécialité : Micro et N ano E lectronique
préparée au laboratoire TIMA
Dans le cadre de l'Ecole Doctorale
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE, TELECOMMUNICATION,
SIGNAL
présentée et soutenue publiquement
par
C ristiano Costa Domingues
le 29 avril 200 5
Titre :
Conception de transducteurs acoustiques micro - usinés
________
Directeur de thèse :
Bernard COURTOIS
________
JURY
M. Pierre GENTIL , Président
M. Ja u me ESTEVE , Rapporteur
M. Sylvain BALLANDRAS , Rapporteur
M. Bernard COURTOIS , Directeur de thèse
M. Salvador MIR , Co - encadrant
M. Libor RUFER , Co - encadrant

Remerciements
C ristian o Co sta Domingues Conception de transducteurs acoustiques micro - usinés
- 1 -
REMERCIEMENTS
Je tiens, avant tout, à remercier M. Bernard COURTOIS, le directeur du laboratoire TIMA, pour
m'avoir accueilli au sein du groupe RMS.
Je remercie particulièrement M. Salvador Mir et Libor Rufer, mes co-directeurs de thèse, pour leur
dispon ibilité permanente, pour le suivi qu ils ont assuré et pour m'avoir fourni tous les moyens
nécessaires au bon déroulement de cette thèse de doctorat.
Je remercie Mme. Valérie Petrini ainsi que M. Jean - claude Jeannot pour leur aide à la réalisation de la
g ravure.
Je remercie les membres de mon jury, M. Jaume ESTEVE et M. Sylvain Ballandras pour avoir
consacré une partie de leur temps afin de juger mon travail, M. Pierre GENTIL pour avoir accepté de
présider ma thèse.
Je remercie chaleureusement tous les actuels ou anciens membres du laboratoire TIMA : Ahcène,
Luis, Achraf, Emmanuel, Rabeb, Zein, Skandar, Benoit, Hubert, Alexandre, Robin et plus
particulièrement ceux du fameux bureau 120 avec lesquels ce fut un plaisir de cohabiter : Yasser,
Marcin, Sergio, Fabien, Nicolas grâce à qui Word n a plus de secret pour moi, et pour finir Guillaume
et Amel.
Je remercie aussi l'équipe administrative du TIMA pour leur gentillesse et leur serviabilité .
Je remercie enfin mes parents, mon frère et Allisson pour le soutien et les encouragements qu ils
m ont apporté durant ces années passé loin d eux.

Table des matières
C ristian o Co sta Domingues Conception de transducteurs acoustiques micro - usinés
- 3 -
TABLE DES MATIERES
CHAPITRE I INTRODUCTION ...................................................................................................13
I.1. Les micro et nanosystèmes ...................................................................................................13
I.2. Le marché des microsystèmes et les applications industrielles ............................................14
I.3. Principe de base d un microsystème ....................................................................................16
I.4 . Objectifs et présentation des travaux de recherche ..............................................................17
I.5. Structure du mémoire de thèse .............................................................................................18
CHAPITRE II TRANSDUCTEURS ULTR ASONORES MICRO - USINES ...................................21
II.1. Introduction ..........................................................................................................................21
II.2. Principe et applications d ultrasons ......................................................................................21
II.2.1. Historique ....................................................................................................................21
II.2.2. Principe ........................................................................................................................22
II.2.3. Physique des ultrasons ................................................................................................ . 22
II.2.3.1. Propagation des ondes ultrasonores dans l air ....................................................22
II.2.3.2. Réflexion et réfraction des ondes ultrasonores ...................................................23
II.2.4. Les applications des systèmes ultrasonores ................................................................ . 25
II.3. La mesure de distance ..........................................................................................................26
II.3.1. Pri ncipe de mesure de distance par ultrasons ..............................................................27
II.3.2. Méthodes de mesure de distance par ultrasons ............................................................28
II.3.2.1. Mesure du temps d e vol ......................................................................................28
II.3.2.2. Mesure de distance par la puissance du signal reçu ............................................28
II.3.2.3. Mesure du temps et angle à l arrivée ..................................................................29
II.3.2.4. Méthode de mesure par onde entretenue et par la modification de phase ...........29
II.4. Principes des transducteurs ultrasonores mic ro - usinés ........................................................30
II.4.1. Transducteurs capacitifs .............................................................................................31
II.4.2. Transducteurs piezoélectriques ...................................................................................34
II.4.3. Capteurs piezorésistifs ................................................................................................37
II.4.3.1. La piezoresistivité ...............................................................................................37
II.4.3.2. Piezorésistivité du silicium polycristallin ...........................................................38
II.4.3.3. Facteurs de jauge ................................................................................................39
II.4.4. Sensibilité de quelques transducteurs ultrasonores .....................................................41
II.5. Quelques techniques de traitement du signal pour les capteurs capacitifs et piezorésistifs . 41
II.5.1. Le traitement de la variati on de résistance électrique ..................................................41
II.5.1.1. Le diviseur de tension .........................................................................................41