Résumé de la thèse

Une méthode a été proposée et l’expérience a été réalisée pour caractériser la forme d’onde jusqu’à 100 GHz par échantillonnage électro-optique. L’échantillonnage électro-optique permet de déterminer l’impulsion ultra rapide générée par une photodiode dans une ligne coplanaire. Dans le système réalisé, l’impulsion électrique est échantillonnée par un train d’impulsions laser ultracourtes par effet électro-optique. Le faisceau du laser est séparé en deux parties. Une partie du laser excite la photodiode qui génère les impulsions électriques se propageant sur une ligne coplanaire fabriquée sur un substrat en verre. L’autre partie du laser subit un délai optique variable et traverse un matériau électro-optique placé sur la ligne coplanaire. Le champ électrique entre les conducteurs de la ligne coplanaire, modifie la polarisation du laser par l’effet électro-optique. Le changement de polarisation peut être converti en une variation d’amplitude qui peut être mesurée. Pour un retard fixe, les impulsions d’échantillonnage interceptent de manière répétitive une petite portion de la forme d’onde de l’impulsion électrique. Une variation du retard est effectuée pour enregistrer l’évolution temporelle de la forme d’onde de l’impulsion électrique. Un logiciel de simulation électromagnétique 3D a été utilisé pour optimiser la structure électro-optique constituée d’une ligne coplanaire sur laquelle est posée une lame électro-optique. 144 lignes coplanaires ont été fabriquées sur un substrat de verre et un kit d’étalonnage a été réalisé pour étalonner l’analyseur de réseau vectoriel utilisé pour trouver la structure optimale en conditions réelles. Cette structure a été ensuite utilisée pour reconstruire la forme d’onde de l’impulsion électrique générée par la photodiode.

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Résumé de la thèse

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la redéfinition des unités du système international d'unités à partir de constantes fondamentales. L’ampère serait ainsi redéfini à partir de la charge de l'électron et de la seconde. Pour mettre en pratique cette définition, les métrologues travaillent à la mise au point d’un étalon quantique de courant à partir d'un dispositif monoélectronique pouvant délivrer un courant d’une centaine de picoampère mesuré avec une incertitude de 10–7. Les dispositifs étudiés au cours de cette thèse sont des pompes à électrons fabriquées au CEA-LETI à partir de nanofils de silicium et qui fonctionnent sur le principe du blocage de Coulomb et de l'effet tunnel à un électron. Ils sont constitués de deux barrières tunnel dont la hauteur peut être contrôlée par l'effet de champ de deux grilles. L'application de signaux alternatifs sur ces grilles à une fréquence f permet de générer un courant quantifié : I = e·f, mesuré à l’aide d’un comparateur cryogénique de courant (CCC), instrument métrologique permettant d'amplifier et de mesurer avec une grande exactitude les faibles courants. Les meilleurs résultats obtenus durant ces trois années sur des pompes à électrons silicium ont permis d'aboutir à la mesure, pour f = 50 MHz, d'un courant stable sur une durée de 14 heures avec une incertitude relative de type A de quelques 10–6. Ces mesures ont été réalisées avec un CCC dans un mode de contre-réaction simplifié ne permettant que des mesures relatives du courant généré. À la fin de cette thèse, la modification du système de mesure a commencé dans le but de réaliser des mesures absolues du courant généré par une pompe à électrons.

Résumé de la thèse

Les travaux de thèse ont été menés dans le cadre d’un projet de recherche européen « Electromagnetic Characterization of new Materials for Industrial Applications up to microwave frequencies » (EMINDA). Il avait pour objectif principal de développer une traçabilité électromagnétique de matériaux fonctionnels afin de permettre l’usage de ces matériaux dans les industries européennes plus particulièrement dans le domaine de l’électronique et des technologies de l’information et de la communication.

Le projet visait, dans un premier temps, à développer des techniques de caractérisation électromagnétiques des matériaux à l’échelle submicrométrique aux fréquences micro-ondes (jusqu’à 110 GHz), puis à élargir la traçabilité métrologique de ces matériaux avec l’évaluation des incertitudes de mesure.

Durant cette thèse, une technique de caractérisation électromagnétique a été développée pour des matériaux ferroélectriques en couches minces (BST et PZT) à partir d’une topologie CPW (CoPlanar Waveguide) pour en déterminer leurs propriétés électromagnétiques (conductivité, permittivité, perméabilité…). La topologie CPW a été privilégiée dans la réalisation des mesures hyperfréquences car elle est compatible avec les exigences métrologiques de traçabilité des mesures aux unités du SI. Des mesures comparatives ont été réalisées entre les laboratoires nationaux de métrologie en utilisant des techniques expérimentales différentes. Ces travaux constituent au final, au niveau européen, une base de mesures des propriétés électromagnétiques de matériaux émergents dans l’industrie (matériaux, capteurs, électronique, télécommunications, énergies renouvelables, automobile, aérospatiale, etc.), avec une grande précision sur les incertitudes pour des mesures allant jusqu’à 110 GHz.

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Résumé de la thèse

Dans un contexte de besoin grandissant en précision dans la mesure des faibles courants pour les instituts nationaux de métrologie, l’industrie, les fabricants d’instruments et la physique fondamentale, l’étude des dispositifs à un électron (SET) capables de générer un courant continu directement proportionnel à une fréquence et la charge élémentaire, couplés à un amplificateur de courant très performant, le comparateur cryogénique de courant (CCC), devient pertinente pour réaliser un étalon quantique de courant. Dans ce contexte, les travaux ont été poursuivis au LNE sur l’étude de nouveaux dispositifs SET et le développement de nouveaux CCC. Durant cette thèse, un montage expérimental a été mis en place afin d’évaluer les performances d’un nouveau CCC, constitué d’une conception originale et de 30 000 tours. Les résultats expérimentaux obtenus sont satisfaisant par rapport aux objectifs fixés, que ce soit en termes de résolution en courant, d’erreurs, de stabilité des mesures et de reproductibilité. Le CCC développé durant la thèse peut donc être utilisé pour quantifier de manière métrologique les dispositifs à un électron. De plus, une modélisation réalisée à partir d’un schéma électrique équivalent a été mis en place afin de simuler le comportement réel du CCC en prenant en compte les aspects magnétiques et électriques mis en jeu. Cette simulation a permis la quantification de l’erreur due aux fuites de courant au travers des capacités parasites entourant les enroulements. Les résultats de la simulation indiquent que cette erreur atteint 10–10 à la fréquence de travail, ce qui est inférieur de deux ordres de grandeurs à l’erreur maximale tolérable : 10–8. Les résultats expérimentaux et ceux issus de modélisation fournissent de nouveaux éléments d’amélioration de la conception de CCC de grand gain. Enfin, la modélisation développée, une fois insérée dans une routine d’optimisation, pourra aussi être un outil de conception des CCC très utile.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261434/document

Résumé de la thèse

Les travaux ont été effectués sur l’étude de l’effet Hall quantique dans le graphène dans le cadre d’un projet de recherche en métrologie sur la réalisation d’étalons quantiques de résistance électrique.

L’effet Hall quantique (EHQ) apparaissant dans des gaz bi-dimensionnels d’électrons placés à basse température et sous fort champ magnétique a révolutionné la métrologie des résistances depuis sa découverte en 1980 par Klaus von Klitzing. Cet effet apporte une représentation de l’ohm uniquement fondé sur la constante de Planck et la charge de l’électron. Néanmoins sa mise en pratique dans des hétérostructures semi-conductrices requiert des conditions d’utilisation contraignantes, telles que le champ magnétique, la température et le courant électrique (B = 10 T, = 1,4 K et = 40 µA), nécessitant l’utilisation de systèmes cryomagnétiques couteux et d’une instrumentation de mesure particulière. Le graphène, par les phénomènes physiques particuliers apparaissant dans ce matériau, peut théoriquement mener à un étalon de résistance fonctionnant dans des conditions moins contraignantes, ouvrant la porte à une dissémination accrue de l’ohm.

Les travaux ont permis de traiter tout d’abord de l’impact particulier sur la quantification de la résistance de Hall des défauts linéaires, omniprésents dans le graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur métal. Puis l’étude a été dédiée au graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur carbure de silicium. L’équipe de recherche a pu montrer que la résistance de Hall dans ce matériau était quantifiée avec une incertitude relative de l’ordre de 10–9 dans des conditions de température et de champ magnétique bien plus avantageuses que celles d’un étalon semi-conducteur. Une étude des processus de dissipation apparaissant dans le graphène permet également de soulever des questions intéressantes sur le lien entre le type de désordre et la quantification de la résistance de Hall dans ce matériau.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01176183/document

Résumé

La valeur efficace d’un signal se mesure en moyennant son carré sur une durée infinie, et de même une puissance se mesure en moyennant le produit de deux signaux (tension et courant). Ces calculs de carrés, produits et moyennes sont très aisés lorsque le ou les signaux ont été numérisés, mais cette numérisation apporte trois sources d’erreurs distinctes : troncature, échantillonnage et quantification. Ces trois sources d’erreur sont étudiées indépendamment les unes des autres, ainsi que les méthodes pour les réduire et notamment l’usage d’une fenêtre de pondération. Avec ce « fenêtrage », une étude statistique de l’effet simultané de ces trois sources d’erreur a été conduite en simulation sur un très grand nombre de valeurs des paramètres, et des formules sont présentées qui relient l’écart type à la résolution et au nombre d’échantillon.

Mots clés

numérisation
troncature
échantillonnage
quantification
fenêtrage

Résumé

Ce travail explore les potentialités des microsystèmes électromécaniques (MEMS) pour fabriquer des références de tension en courant alternatif (AC) au moyen du couplage électromécanique pour des applications en métrologie et en instrumentation miniaturisée. Des structures de test de référence de tension AC de 2 V à 100 V ont été conçues et fabriquées en utilisant un procédé de micro-usinage de surface de couche épitaxiale de silicium d’un substrat silicium sur isolant (SOI). Ce procédé permet un contrôle précis à la fois des dimensions du système et des propriétés du matériau. Les valeurs mesurées des références de tension MEMS sont en bon accord avec les simulations effectuées avec le logiciel Coventor. Ces structures de test ont également servi à développer l’électronique de commande et d’actionnement des MEMS et les bancs de mesure et de caractérisation. Une deuxième génération de microsystèmes avec des caractéristiques améliorées a ensuite été fabriquée. Les fréquences de résonance mécanique de ces nouveaux MEMS mesurées par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) sont de quelques kilohertz. Cela permet d’envisager le développement de références de tension AC fonctionnant à partir de quelques dizaines de kilohertz. Enfin, la stabilité de la tension de référence MEMS, évaluée à 100 kHz, est très prometteuse puisque pour les meilleurs échantillons, l’écart relatif par rapport à la valeur moyenne présente un écart type de 6,3 × 10-6 sur près de 12 h.

Mots clés

MÉTROLOGIE ÉLECTRIQUE
MEMS
référence de tension
SOI

Résumé

Nous présentons les principaux résultats obtenus dans le cadre du projet ANR-TRIMET dont l’objectif était la fermeture du triangle métrologique quantique (TMQ) à un niveau d’incertitude relative de 10-6. L’expérience du TMQ consiste à réaliser une loi d’Ohm en utilisant les trois effets quantiques impliqués en métrologie électrique : l’effet Josephson (EJ), l’effet Hall quantique (EHQ) et l’effet tunnel à un électron (SET). Le but est de vérifier la cohérence des constantes phénoménologiques KJ, RK, QX, associées respectivement à ces trois effets et théoriquement exprimées en fonctions des deux constantes fondamentales, h et e (constante de Planck et charge élémentaire). Cette expérience est une contribution importante à une redéfinition du Système international d’unités (SI). Nous montrons aussi que la fermeture du TMQ permettra la mise en oeuvre d’une nouvelle détermination de la charge élémentaire, e.

Mots clés

métrologie électrique quantique
constante fondamentale
effet tunnel
dispositif monoélectronique

Résumé

Pour combler le domaine des fréquences intermédiaires 100 kHz–100 MHz, dans lequel subsiste actuellement un manque de traçabilité des mesures d’impédance pour les appareils commerciaux récents, le LNE a établi la traçabilité d’un analyseur de réseaux vectoriel (VNA) 4 ports et appliqué la méthode de Suzuki pour mesurer des impédances quatre paires de bornes (Z4TP). Afin d’établir la traçabilité du VNA 4 ports, utilisé pour mesurer Z4TP, le LNE a étudié successivement deux solutions. Nous avons développé des résistances calculables à couches minces quatre paires de bornes (4TP), puis nous avons établi la traçabilité de la méthode de calibrage Unknown Thru (ou SOLR). Nous présentons les deux solutions et les résultats de mesure obtenus jusqu’à 10 MHz pour une capacité de 1 000 pF avec les incertitudes associées.

Mots clés

Impédance
Analyseur De Réseau Vectoriel
Résistance Calculable
traçabilité
étalon

Liste des références des publications et communications du RNMF parues en 2006 pour le projet « Balance de Kibble »

Publications

BIRABEN F., CADORET M., CLADE P., GENEVES G., GOURNAY P., GUELLATI-KHELIFA S., JULIEN L., JUNCAR P., DE MIRANDES E. et NEZ F., “Proposal for new experimental schemes to determine the Avogadro constant”, Metrologia, 46, 2006, L47-L50.

HADDAD D., CHASSAGNE L., JUNCAR P., TOPÇU S., WAKIM M. et ALAYLI Y., « Contrôle de position et de vitesse à l’échelle nanométrique dans la balance du watt du LNE », Revue française de métrologie, 6, 2006, 25-31.

LE GOUËT J., CHEINET P., THERKILDSEN K., PEREIRA DOS SANTOS F.., LANDRAGIN A. et CLAIRON A., « Premiers résultats d’un gravimètre atomique au LNE-SYRTE », Journal de Physique IV, 135, 2006, 213-214.

VILLAR F. et GENEVES G., « Balance du watt française, conception et réalisation d’un système de guidage par éléments flexibles (partie 1) », Contrôles essais mesures, avril 2006, 75-77.

VILLAR F. et GENEVES G., « Balance du watt française, conception et réalisation d’un système de guidage par éléments flexibles (partie 1) », Contrôles essais mesures, octobre 2006, 82-86.

WAKIM M., TOPÇU S., CHASSAGNE L., NASSER J., ALAYLI J. et JUNCAR P., “Highly accurate laser wavelength meter based on Doppler effect”, Optics Communications, 262, 2006, 97-102.

Communications

LE GOUËT J., KIM J., CHEINET P., PEREIRA DOS SANTOS F., CLAIRON A. et LANDRAGIN A, “Atom interferometry for accurate measurement of gravity”, Young Atom Opticians (YAO), Palaiseau, France, 14-18 février 2006.

VILLAR F., DAVID J., GENEVÈS G., JUNCAR P. et PINOT P., “Long stroke flexure stage for a watt balance experiment”, 6th Euspen international conference, Baden bei Wien, Autriche, 28 mai - 1er juin 2006.

LE GOÜET J., KIM J., HOLLEVILLE D., CLAIRON A., LANDRAGIN A. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Investigation of the sensitivity limits of an atomic gravimeter”, 38th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS), Ischia, Italie, 7-10 juin 2006.

LE GOUËT J., KIM J., HOLLEVILLE D., CLAIRON A., LANDRAGIN A. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Recent improvements in the accuracy and sensitivity of the LNE-SYRTE atomic gravimeter”, 38th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS), Ischia, Italie, 7-10 Juin 2006.

LE GOUËT J., KIM J., HOLLEVILLE D., CLAIRON A., LANDRAGIN A. et PEREIRA DOS SANTOS F., « Etude des limites de la sensibilité d'un gravimètre atomique », 4e Colloque de la Division Physique Atomique, Moléculaire et Optique de la Société française de physique, Dijon, France, 5-7 juillet 2006.

GENEVÈS G., GOURNAY P., HAUCK C., DJORDJEVIC S. et BEHR R., “Characterization of a programmable voltage standard based on a SINIS Josephson junctions array for the French watt balance experiment”, 2006 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2006), Turin, Italie, 9-14 juillet 2006.

MALETRAS F., GOURNAY P., ROBINSON I. et GENEVÈS G., “A bias source for dynamic voltage measurements with a programmable Josephson junction array”, 2006 Conference on Precision ElectromagneticMmeasurements (CPEM 2006), Turin, Italie, 9-14 juillet 2006.

PEREIRA DOS SANTOS F., LE GOUET J., KIM J., HOLLEVILLE D., CLAIRON A. et LANDRAGIN A., “A 87Rb cold atom gravimeter”, 20th International Conference on Atomic Physics, Innsbruck, Autriche, 16-21 juillet 2006.

CHASSAGNE L., « Mesure et contrôle subnanométrique d’un déplacement de grande course », Micronora, Besançon, France, septembre 2006.

JIANG Z. et al., “Relative campaign during the International Comparison of Absolute Gravimeters ICAG-2005 and the strategy of data treatment combined with the absolute results”, 1st International symposium of the International Gravity Field Service, Gravity field of Earth, Istanbul, Turquie, 28 août – 1er septembre 2006.

JUNCAR P., HADDAD D., CHASSAGNE L., TOPÇU S., WAKIM M. et ALAYLI Y., “Accurate velocity control and nano-displacement by laser heterodyne interferometry: A speed of light divider”, ODIMAT V, Madrid, Espagne, 3-6 octobre 2006.

GENEVES G., “The French watt balance project”, Simposio de metrologia 2006, Queretaro, Mexique, 24-27 octobre 2006.

OUEDRAOGO K., TOPÇU S., CHASSAGNE L. et ALAYLI Y., « Lambdamètre polarimétrique », 7e Colloque de Contrôle et Mesures Optiques pour l’Industrie, Mulhouse, France, novembre 2006.

WAKIM M., CHASSAGNE L., TOPÇU S. et ALAYLI Y., « Système de déplacement deux axes dédié aux applications de nano-déplacements », 7e Colloque de Contrôle et Mesures Optiques pour l’Industrie, Mulhouse, France, novembre 2006.