Les matériaux diélectriques sont présents dans de nombreux dispositifs en microélectronique. Ces derniers peuvent être soumis à de fortes contraintes électriques impactant leur durée de vie. Le stress électrique peut en effet provoquer le claquage du diélectrique ou la modification des performances des composants par accumulation de charges. Dans ces travaux de thèse, différentes méthodes de caractérisation et d'analyse physique ont été utilisées pour étudier la structure des échantillons et identifier les mécanismes en jeu dans le processus d'accumulation de charges dans des couches minces de nitrure de silicium. Puis un code de simulation modélisant les phénomènes de transport de charges dans les isolants a été développé. Le modèle prend en compte des phénomènes de transport par effet tunnel et par effet thermique, dans le volume du diélectrique et aux interfaces isolant-métal. Il permet d'étudier l'évolution de grandeurs physiques (courants, charge, champ électrique) en fonction du temps et de la profondeur dans la couche mince diélectrique. Des résultats de mesures sur des composants capacitifs ont pu être reproduits grâce aux simulations. Cet outil permet d'estimer l'intérêt d'un matériau diélectrique relativement à la fiabilité de composants capacitifs. Il peut également être utilisé en amont afin de définir un matériau aux propriétés idéales pour l'application visée ou aider au dimensionnement de dispositifs en microélectronique. / Dielectric materials can be found in numerous devices in microelectronics. They can be subjected to significant electrical stress, which impacts their lifetime. Indeed, this electrical stress can lead to dielectric breakdown or modify the component performances by charge storage. In this work, several characterization methods and physical analysis have been used in order to study the samples and identify mechanisms involved in charge transport in silicon nitride thin films. Then a simulation code has been developed to model charge transport phenomena in insulators. This model takes into account tunnel and thermal effects in the dielectric and at the dielectric-metal interfaces. The temporal and spatial evolution of physical quantities (currents, charge, electric field) in the dielectric film are calculated. Measurement results on capacitive components can be obtained thanks to simulations. This simulation tool allows testing dielectric materials according to capacitive component reliability. It may be used to define optimal properties for materials depending on applications or to assist in device design in microelectronics.

Switched and adaptive parasitic monopole array radiating structures are investigated. Antenna design is orientated toward increasing practicability for implementation in terrestrial wireless communication systems. A number of antennas are designed with the aid of optimization and commercial simulation software. Simulation procedure was verified with the experimental manufacture and measurement of the arrays. The antennas presented in this thesis comprise an active monopole surrounded by a ring of parasitic monopoles. Parasitic radiators are constructed with static loading to enable simple experimental realization. Beam positions of an electrically steered equivalent antenna are thus simulated. Antenna symmetry ensures the beam can be reproduced throughout the azimuth. Complex antenna geometries require antenna design through optimization. A genetic algorithm is employed with HFSS and NEC for electromagnetic analysis. The robust optimization method couples with simulation software flexibility to provide an effective design tool for arbitrary structures. The genetic algorithm is employed strictly for design and not complete structural optimization. Dual band, five and six element switched parasitic antennas are presented. Lumped elemental loading along the radiators provide resonance and directed radiation at two GSM frequencies. Load value, radiator dimension and spacing are incorporated as design parameters. Experimentally built, 10dB return loss bandwidths of 17.2% and 9.6% and front to back ratios of 12.6dB and 8.4dB at 900MHz and 1900MHz respectively are measured. To reduce the ground requirements of monopole arrays, a skirted ground structure for switched parasitic antennas is analyzed. A six element switched parasitic monopole array with conductive ground skirt exhibits a front to back ratio of 10.7dB and main lobe gain of 6.4dBi at 1.575GHz. Radiation is not elevated despite lateral ground terminating at the parasitic elements. Skirt height is observed to linearly control radiation elevation, depressing the principal lobe through 40 degrees from 23 degrees above the horizontal. The Electronically Steerable Passive Array Radiator or ESPAR antenna is an adaptive parasitic monopole array. An ESPAR radiating structure incorporating a conductive ground skirt is designed for operation at 2.4GHz. Utility is confirmed with a frequency sensitivity analysis showing consistent electrical characteristics over an 8.1% bandwidth. The antenna design is improved with optimization to reduce average principal lobe elevation from 25 degrees to 9.7 degrees.

La détection de présence humaine est devenu un enjeu important dans de nombreux domaines comme la domotique ou l'automobile, par exemple. Les détecteurs infrarouges grand public, actuellement disponibles sur le marché ne sont pas aptes à faire la distinction entre une personne ou un animal domestique de façon absolument fiable. Pour répondre à ce problème, les matrices imageantes infrarouges classiques sont beaucoup trop onéreuses et trop performantes. C'est pourquoi nous avons choisi de développer des réseaux de microcapteurs de rayonnement infrarouge de quelques pixels avec le souci permanent de minimiser au maximum le coût de fabrication. Ces microcapteurs de type thermoélectrique, sont basés sur une structure originale permettant de les utiliser à l'air libre, sans encapsulation. Un modèle mathématique, prenant en compte les caractéristiques technologiques du microcapteur ainsi que son environnement thermique, a été mis au point et permet de définir la structure optimale à partir d'un cahier des charges. Une étude approfondie a été menée pour chaque étape technologique nécessaire à la réalisation de ces microcapteurs, depuis la membrane compensée en contrainte, jusqu'au dépôt de la couche de polyimide constituant l'absorbant infrarouge. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre le modèle mathématique et les valeurs expérimentales. Des microcapteurs destinés à optimiser la sensibilité à l'éclairement puis la détectivité spécifique ont été étudiés et fabriqués. L'objectif initial de réaliser une matrice imageante infrarouge basse résolution et faible coût a été atteint.

Les mutations profondes observées au cours des vingt-cinq dernières années dans le monde de l'électronique ont actuellement cours en biologie, en partie grâce aux biotechnologies. Le concept communément appelé "laboratoire sur puce" (Lab-On-Chips, LOC) doit son essor à l'effort considérable qui a été mené en matière de développement des technologies de micro-fabrication. Le nombre d'outils technologiques disponibles actuellement pour la fabrication de réseaux microfluidiques est important mais la réalisation de systèmes complexes tridimensionnels reste encore un challenge. Le développement des micro- et nanotechnologies à de nouveaux matériaux comme les polymères, et en particulier la SU-8, a permis d'ouvrir la voie à une intégration plus élaborée telle que nous la présentons dans ce travail de thèse. Nous y exposons la démarche et les détails d'une approche consistant en la conception, la modélisation et la fabrication de dispositifs d'actionnement magnétique intégrés au sein de réseaux microfluidique en SU-8 pour la manipulation de billes magnétiques ; le tout étant élaboré sur un substrat souple de type PET. Le développement des outils de caractérisations des systèmes réalisés a également été présenté. Ils ont permis la mise en place d'un protocole expérimental visant à évaluer et quantifier les différents paramètres électriques, thermiques, fluidiques et magnétiques concourant à obtenir un dispositif LOC efficient dans la circulation de fluides, le piégeage de billes magnétiques, leur transfert d'une zone à un autre et leur orientation guidée vers des canaux privilégiés.

Les techniques de structuration et de fonctionnalisation de surfaces aux échelles micro- et nanométriques connaissent un intérêt croissant lié aux possibilités qu'elles offrent pour l'étude des phénomènes fondamentaux à faible échelles et aux avancées technologiques qu'elles permettent dans les domaines de l'électronique, de la photonique et de la bio-ingénierie. Parmi les nombreuses techniques qui ont été développées durant les dernières décennies, les méthodes reposant sur l'utilisation de microleviers pour le dépôt de faibles volumes de liquide offrent, entre autre, l'avantage d'être directes et parallélisées, et sont particulièrement adaptées aux applications biologiques. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception et la réalisation d'un système de dépôt de gouttes micrométriques à l'aide de matrices de leviers en silicium. L'originalité de ce système, nommé Bioplume, repose sur l'intégration de capteurs de forces et sur l'utilisation de méthodes de dépôt assistées par champ ou par auto-assemblage pour contrôler in-situ la taille, l'uniformité et la composition des motifs réalisés. Le système fonctionne en boucle fermée afin d'automatiser la fabrication de micromatrices de spots tout en garantissant la correction des erreurs d'alignement et le contrôle de la force exercée et du temps de dépôt. Après avoir validé le chargement assisté par électromouillage et le dépôt de solutions biologiques, nous utilisons les phénomènes d'auto-organisation afin de créer directement, à partir de solutions de nanoparticules, des microspots cristallins. Enfin, à l'aide d'électrodes incorporées aux leviers, des réactions électrochimiques sont induites dans les volumes de liquides déposés (de l'ordre du picolitre), permettant l'électrodéposition de cuivre et l'éléctropolymérisation de pyrroles. Les nombreuses fonctionnalités apportées à ce système pendant cette thèse permettent d'étendre ses capacités, faisant de Bioplume une solution fiable et complémentaire au x techniques de jet d'encre et de dip-pen en terme de taille de motifs.

Conception, réalisation et mise en Suvre d'une plateforme d'instrumentation thermique pour des applications microfluidiques. Le concept de laboratoire sur puce ou lab-on-chip est basé sur le fait que l'on peut remplacer plusieurs appareils d'analyse nécessitant de l'entretien et des opérateurs par un système portable et autonome qui contient toutes les fonctions nécessaires afin de réaliser les opérations de laboratoire. Ce concept peut aussi bien s'appliquer à des taches pour l'industrie chimique, biologique ou encore médicale. Dans notre cas il s'agit de contrôler la température dans une canalisation microfluidique, et s'il y a besoin, de pouvoir influer sur cette température grâce à des actionneurs thermiques. La thèse a donc consisté à réaliser une plateforme d'instrumentation thermique pour ces applications. Nous avons développé un procédé de fabrication de capteurs thermiques simple et robuste : l'élément sensible de base est une diode PN de type zener, réalisée dans un film de polysilicium, qui présente la particularité d'être un composant dual (fonctionnement en capteur ou actionneur thermique selon la polarisation). La caractérisation électrique a permis de mettre en avant des sensibilités thermiques de.-22 mV/°C à -220 mV/°C pour les éléments les plus performants. La capacité de ces dispositifs à mesurer la température dans un environnement microfluidique a été démontrée. La dernière phase a concerné le développement d'une carte électronique dédiée permettant une mesure multiplexée de la température pour l'ensemble des capteurs (16 capteurs par plateforme) et le transfert des données sur PC pour effectuer le post traitement.

Notre sujet de recherche vient d'une demande de cliniciens pour obtenir en grande quantité des hybridomes issus de la fusion entre cellules cancéreuses et cellules dendritiques. Ces travaux s'insèrent dans la recherche contre le cancer par un procédé proche de la vaccination, appelé immunothérapie du cancer. Il existe actuellement des dispositifs commercialisés, mais ceux-ci ne parviennent pas à produire de façon importante des hybridomes de qualités. L'idée était donc de se placer à l'échelle des cellules, pour interagir sur elles de façon précise, tout en bénéficiant de la miniaturisation pour contrôler un grand nombre de cellules en parallélisant le dispositif. Restait à choisir quelles forces utiliser pour agir sur les cellules pour les déplacer, les placer et les fusionner, car à l'échelle microscopique le rapport des forces sont différents de ceux à notre échelle. Nous avons opté pour l'emploi de la microfluidique pour le transport des cellules, de la diélectrophorèse pour les positionner et de l'électrofusion pour les fusionner. Ce projet est à la conjonction de savoir-faire dans les domaines de la microtechnologie, de l'interaction champs électriques-cellules et de la biologie cellulaire.

Les objectifs de cette thèse se situent dans les domaines de l'élaboration et de la caractérisation du diamant dopé au bore ainsi que la réalisation par synthèse des différents éléments, de composants adaptés pour l'électronique de puissance. L'identification des défauts dans les couches homo-épitaxiées de diamant a été réalisée, et il à été en particulier montré que le pré-traitement plasma des substrats employés pour la croissance, peut se révéler comme une étape nécessaire dans le cadre de leurs éliminations. L'optimisation de la croissance de couches de diamant dopées au bore sur des substrats de type HPHT ou CVD a permis la synthèse de couches faiblement dopées dont les caractéristiques cristallines et électroniques étudiées par cathodoluminescence, et les propriétés de dopage et de transport analysées par C(V) et effet Hall, sont comparables à celles prédites par la théorie dans le cas de couches de grande pureté. La mise en oeuvre de diverses techniques permettant de définir l'architecture des composants a permis la fabrication de diverses diodes Schottky planaires ou mesa dont les propriétés électriques ont été étudiées pour mettre en évidence leurs caractéristiques, en particulier en termes de courant de fuite et tension de claquage supérieure à 1kV.

La dégradation par électromigration des interconnexions en cuivre damascène est une des principales limitations de la fiabilité des circuits intégrés. Des méthodes de caractérisation complémentaires aux tests de durée de vie, habituellement utilisés, sont nécessaires pour approfondir nos connaissances sur ce phénomène de dégradation. Dans cette étude nous proposons de suivre la croissance par électromigration de la cavité en analysant l'évolution de la résistance de l'interconnexion en fonction du temps. Nous avons, dans un premier temps, étudié les effets de la section de ligne et de la température et, dans un second temps, ceux de la densité de courant et de la longueur de ligne. Nous avons ainsi montré que l'analyse de l'évolution de résistance est une méthode pertinente pour étudier la cinétique de dégradation et en extraire les paramètres caractéristiques tels que l'énergie d'activation du phénomène d'électromigration. Nous avons par ailleurs mis en évidence l'influence de la forme et de la taille de la cavité sur le temps à la défaillance, effet d'autant plus important que la ligne est courte.

Depuis 1954, où leffet piézorésistif a été découvert dans Silicium, la démarche pour mesurer la pression a changé et de nouveaux dispositifs avec des performances remarquables sont apparus sur le marché. Grâce au développement des microtechnologies, une nouvelle famille de capteurs de pression piézorésistifs miniatures sest ainsi progressivement imposée pour de nombreuses applications. Même si le principe de fonctionnement des capteurs de pression piézorésistif en silicium reste le même depuis de nombreuses années, loptimisation des capteurs pour une application donnée reste toujours une étape couteuse. Cest pourquoi de nombreux travaux ont été effectués pour développer des outils de conception les plus performants possibles afin de limiter les phases de validation expérimentales. Il existe ainsi sur le marché des logiciels de simulation 3D multiphysiques qui permettent de prendre en compte aussi bien les phénomènes thermomécaniques quélectriques qui sont nécessaires pour ce type de capteurs. Malgré les progrès constants dans la puissance de calcul des ordinateurs, loptimisation de ces capteurs par des méthodes de simulation élément fini peut savérer couteuse en temps si on veut prendre en compte lensemble des caractéristiques du capteur. Cest notamment le cas pour les jauges de contraintes en silicium dont le profil de dopage nest pas constant dans lépaisseur car les caractéristiques électriques et piézoélectriques dépendent du niveau de dopage. Les travaux de cette thèse portent donc sur le développement dun outil de simulation analytique qui permet dune part une optimisation rapide du capteur par une technique multi-objectif semi-automatique et dautre part une analyse statistique des performances pour estimer le rendement de fabrication potentiel. Le premier chapitre décrit le contexte de ces travaux de thèse. Le second chapitre présente le principe de fonctionnement du capteur ainsi que tous les modèles analytiques mis en oeuvre pour modéliser le c apteur. Ces modèles analytiques sont validés par des simulations élément finis. Le troisième chapitre porte sur loutil doptimisation et danalyse statistique développé dans un environnement MATLAB. Le quatrième chapitre décrit la fabrication et la caractérisation des cellules de tests dont le comportement est ensuite comparé aux modèles analytiques. Ces caractérisations ont permis de montrer notamment que les modèles utilisés généralement pour décrire la dérive thermique des piézorésistances présentaient des erreurs notables. Des structures de tests spécifiques ont ainsi été mise en oeuvre pour avoir des données plus fiables. Finalement la dernière partie du manuscrit donne les conclusions générales ainsi que les perspectives de ce travail.