Ces travaux de thèse tentent de répondre à un besoin de surveillance fiable et durable de la concentration d’hydrogène dans un environnement radioactif. Dans ces travaux, nous proposons l’étude et le développement d’un capteur physique d’hydrogène à base de micropoutres résonantes en silicium. La particularité de ce type de capteur vient du fait qu’il ne contient pas de couche sensible et est donc moins sujet au vieillissement que les capteurs chimiques à base de couche sensibles. Compte tenu de la faible masse volumique de l’hydrogène par rapport à celle de l’air et de la bonne sensibilité des micropoutres résonantes aux propriétés physiques du gaz environnant (masse volumique et viscosité), l’utilisation de micropoutres résonantes pour le suivi de la concentration de l’hydrogène dans l’air est tout à fait possible. L’objectif de ces travaux de recherche est l’amélioration de la sensibilité et de la limite de détection de ce type de capteur. Tout d’abord, une étude des méthodes de suivi de faibles variations de la fréquence de résonance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer la méthode ayant le meilleur rapport signal sur bruit, permettant ainsi d’améliorer la limite de détection en termes de variation de fréquence de résonance. Dans une seconde partie, une étude de l’influence de la géométrie et des dimensions sur la sensibilité vis-à-vis des variations de la masse volumique du gaz environnant a été réalisée. A l’issu de cette étude, des critères géométriques et dimensionnels permettant l’optimisation de la sensibilité ont été dégagés. D’autres aspects visant à améliorer les performances (sensibilité et limite de détection) de ces capteurs ont été étudiés, comme l’influence du courant d’actionnement et des tensions de polarisation (actionnement électromagnétique et détection piézorésistive) et l’utilisation des modes supérieurs de résonance. Par ailleurs, l’étude de l’influence des paramètres environnementaux (température et pression) sur le comportement des micropoutres résonantes a été établie. / These PhD research tries to meet a need for a reliable and a sustainable hydrogen concentration monitoring in a radioactive environment. In this work, we propose the study and development of resonant silicon microcantilever-based physical hydrogen sensors. The special feature of this sensor is that it does not contain any sensitive and consequently the reliability is improved, compared to devices with sensitive coating. In view of the low density of hydrogen compared to that of air, and the good sensitivity of a resonant microcantilever to the physical properties of the surrounding gas (density and viscosity), the use of vibrating uncoated microcantilever for monitoring hydrogen concentration in air is therefore possible. The objective of this research is to improve the sensitivity and the limit of detection of such sensors. First of all, a study of methods for monitoring small changes in resonant frequency has been conducted in order to determine the method having the best signal to noise ratio, thus, allowing improvement of its resolution in terms of resonant frequency variation measurement. In a second part, a study of the influence of microcantilever geometries and dimensions on their sensitivity to the gas density variation has been performed. As a result, geometrical and dimensional criteria for optimizing the sensitivity to the gas density have been identified. Other factors in a view of improving performance (sensitivity and detection limit) of vibrating microbeams have been studied, such as the influence of the actuating current and bias voltages (electromagnetic actuation and piezoresistive detection) and using high resonant modes. Furthermore, the study of the influence of environmental parameters (temperature and pressure) on the sensors behavior has been established.

Recently, remarkable advances have been made in the understanding of micro/nanoscale energy transport, opening new opportunities in various areas such as thermal management, data storage, and energy conversion. This dissertation focuses on thermally-sensed nanotopography using a heated silicon microcantilever and near-field thermophotovoltaic (TPV) energy conversion system. A heated microcantilever is a functionalized atomic force microscope (AFM) cantilever that has a small resistive heater integrated at the free end. Besides its capability of increasing the heater temperature over 1,000 K, the resistance of a heated cantilever is a very sensitive function of temperature, suggesting that the heated cantilever can be used as a highly sensitive thermal metrology tool. The first part of the dissertation discusses the thermal characterization of the heated microcantilever for its usage as a thermal sensor in various conditions. Particularly, the use of heated cantilevers for tapping-mode topography imaging will be presented, along with the recent experimental results on the thermal interaction between the cantilever and substrate. In the second part of the dissertation, the so-called near-field TPV device is introduced. This new type of energy conversion system utilizes the significant enhancement of radiative energy transport due to photon tunneling and surface polaritons. Investigation of surface and bulk polaritons in a multilayered structure reveals that radiative properties are significantly affected by polariton excitations. The dissertation then addresses the rigorous performance analysis of the near-field TPV system and a novel design of a near-field TPV device.