Des capteurs MEMS variés peuvent être fabriqués dans une technologie CMOS standard associée à une ou plusieurs étapes de gravure supplémentaires. Dans ce contexte, le micro-usinage du substrat par la face avant permet la fabrication de capteurs résistifs bas coût, basés sur des effets piezorésistifs ou thermiques, mais non optimaux en terme de bruit et de consommation. Cependant, au lieu d'envisager une optimisation technologique du procédé, ce travail s'est plutôt concentré sur le design du capteur et de son interface électronique afin d'améliorer les performances ci-dessus. L'objet de cette thèse est un accéléromètre convectif 3 axes basé sur une topologie initialement prévue pour des mesures suivant 2 axes, dans le plan de la puce, et utilisant une mesure de température différentielle. La mesure de l'accélération dans la direction perpendiculaire au plan de la puce, sans ajouter de structure supplémentaire, est donc étudiée ainsi que l'interface électronique associée. L'originalité de la mesure suivant ce 3ème axe réside dans la mesure de la température de mode commun de la structure existante. Cette étude est réalisée par l'intermédiaire de modélisations multi-physiques et électriques du capteur, de la conception et de la simulation de l'interface électronique et enfin de la caractérisation d'un prototype complet. / In the field of MEMS, various sensors can be manufactured using a standard CMOS technology and subsequent etching techniques. In this context, The Front-Side Bulk Micromachining (FSBM) approach allows the fabrication of low-cost resistive transducers based on either piezoresistive or thermal effects. Nevertheless, such fabrication method leads to non-optimized devices in terms of noise and power consumption. Instead of constraining fabrication technology, and in order to keep fabrication costs as low as possible, this work focuses on sensor design and electronic interfaces to address both issues. In this thesis, the device under study is a 3-axis CMOS thermal accelerometer. The sensor is based on a topology that was primarily introduced for 2-axis measurements only (in-plane acceleration, xy), using differential voltage across sensing thermistors. This work addresses the overall sensing performance by using dedicated front-end electronic and also investigates an opportunity to measure out-of-plane acceleration without the requirement of an additional device. The third axis (z) is provided by measuring a shift in the common-mode temperature, which is clearly an original approach. The study is carried out by means of both physical and electrical modeling of the transducer, electronic design and simulation, and prototype characterization.

Une technologie d’élaboration de micro et nanosystèmes idéale devrait permettre l’intégration de différents matériaux (magnétiques, piézoélectriques, polymères, etc.) ou structures (composants optiques, mécaniques, optoélectroniques, etc.) de nature fortement hétérogène dans le but d’obtenir des systèmes multifonctionnels complexes éventuellement encapsulés. Un moyen de contourner les différents problèmes d’incompatibilité, liés aux mélanges des technologies de fabrication, est de transférer les différents films de matériaux ou composants d’un substrat donneur, sur lequel ils ont été préalablement élaborés, vers le substrat comportant le système visé Dans cette optique, un procédé de transfert de film à basse température a été développé. Ce procédé repose sur le contrôle de l’adhésion d’un film mince de nickel préformé, à partir d’un substrat dit « donneur », sur une couche à adhésion contrôlée de nature carbonée ou fluorocarbonée. La libération mécanique du film, sur un substrat dit « cible », est assurée par une soudure adhésive via des cordons de scellement en BCB. Grâce à sa facilité de mise en œuvre et aux faibles températures requises pour le scellement des substrats, ce procédé a permis de transférer des microstructures en nickel sur des substrats de silicium, de verre ainsi que sur des substrats Kapton souples. L’emploi d’une soudure BCB assure l’isolation thermique et électrique des microstructures sur le substrat cible. La versatilité du procédé a été prouvée par l’empilement de microstructures suspendues et par le transfert de divers matériaux. Ce procédé est très prometteur pour de nombreuses applications et apporte de nouvelles perspectives quant à l’intégration hétérogène 3D de micro et nanosystèmes. / Nowadays, micro and nano systems fabrication technologies should allow the integration of any passive or active materials (magnetic, piezoelectric, polymers, etc.) in various forms (films, micro/nanostructures, etc.) to build and/or package highly integrated multi-functional systems. A generic technology able to solve incompatibility issues related to the mixing of different technologies is pattern or device transfer by wafer bonding from a donor wafer to the target substrate. Ideally, such a process should be versatile, low cost, selective and over all should involve minimum interaction and processing steps on the target wafer. From this perspective, a low cost and low temperature MEMS transfer process has been developed. The process is based on adhesion control of molded electroplated Ni microstructures on the donor wafer by using plasma deposited fluorocarbon films and sputtered carbon films (for high temperature materials). Adhesive bonding of the microstructures on the target wafer using BCB sealing enables mechanical tearing off from the donor wafer. This proposed process has allowed us to realize various Ni patterns on Si, Pyrex glass wafers and Kapton foils. Furthermore, BCB sealing leads to freestanding microstructures which are thermally and electrically isolated from the target substrate. Thanks to multiple transfers, Ni stacked microstructures have been achieved. The transfer of various materials has been demonstrated for simple and complex structures. This transfer process is very promising for numerous applications and brings new perspectives towards 3D microfabrication and heterogeneous integration of MEMS/NEMS.

La thermoélectricité est un phénomène physique permettant la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique, ou inversement. Cependant l’augmentation du rendement des modules thermoélectriques passe par un défi de taille : optimiser les propriétés électroniques du matériau pour obtenir un coefficient Seebeck élevé et une résistivité électrique faible, tout en minimisant la conductivité thermique. Une des voies d'optimisation consiste à réduire la dimensionnalité des matériaux afin de diminuer la contribution des phonons dans le transport thermique. Les matériaux siliciures sont prometteurs en raison de leur faible toxicité et coût. Parmi eux, le disiliciure de chrome, CrSi2, possède des propriétés de transport électronique intéressantes, mais ses performances sont limitées par une conductivité thermique trop élevée. L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés thermoélectriques de ce composé sous différentes formes, monocristal, couche mince et nanofil. Dans ce but, le disiliciure de chrome a été élaboré sous formes de monocristal par la méthode Bridgman, de couche mince par pulvérisation cathodique, et de nanofil par dépôt chimique en phase vapeur. Ces différentes techniques d'élaboration ont été associées à des techniques de caractérisation spécifiques à chacune de ces formes afin d'étudier la relation entre les propriétés physiques et la microstructure du matériau. En couplant des modèles théoriques aux mesures thermoélectriques, les mécanismes de transport électronique et thermique ont été mis en évidence. L’étude de dynamique du réseau a été complétée par la première mesure de diffusion inélastique des neutrons sur monocristal et sur poudre nanométrique de CrSi2. Dans le cas des couches minces, l'effet de l'état de cristallinité et de l'épaisseur a été étudié. Enfin, dans le cas des nanofils, un microdispositif de mesure des propriétés thermoélectriques sur nanofil isolé a été conçu. L’ensemble des résultats présentés ouvre des perspectives intéressantes pour aborder l’amélioration des propriétés thermoélectriques de CrSi2. / Thermoelectricity is a physical effect related to the direct conversion between thermal and electrical energy. To improve the thermoelectric efficiency, the electronic properties of the materials must be optimized to get a large Seebeck coefficient and a low electrical resistivity while lowering the thermal conductivity. One of the optimization ways is to reduce the dimensionality of the materials to decrease the phonon contribution to the thermal conductivity. Silicides are promising materials because of their low toxicity and cost. Among them, chromium disilicide, CrSi2, shows interesting electronic transport properties, but a too high thermal conductivity, limiting its performance. The objective of this thesis is to study the thermoelectric properties of this compound with various forms, single crystal, thin film and nanowire.For this purpose, the chromium disilicide was elaborated in the forms of single crystal by the Bridgman method, thin film by sputtering, and nanowires by chemical vapor deposition. These elaboration routes have been associated with characterization techniques specific to each form in order to study the relationship between the physical properties and the microstructure of the material. By coupling theoretical models with thermoelectric measurements, the mechanisms of electronic and thermal transports have been determined. The vibrational study was completed by the first inelastic neutron scattering measurement on CrSi2 single crystal and nano-powder. In the case of thin films, the effect of the crystallinity state and the thickness has been studied. Finally, in the case of nanowires, a micro-device has been designed to measure the properties of a single nanowire. The presented results open interesting perspectives to improve the thermoelectric properties of CrSi2.

Depuis le premier concept proposé par K.Iga il y a 30 ans jusqu'aux recherches actuelles sur l'intégration photonique des VCSELs (pour Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface), une forte activité de recherches a été déployée sur ces composants optoélectroniques emblématiques, du matériau au composant jusqu'au système, leur permettant d'acquérir leur position stratégique actuelle. C'est dans cette dynamique que s'est inscrit mon parcours scientifique. Les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 1992 sur la technologie des VCSELs et leur intégration dans des systèmes photoniques sont décrites dans ce mémoire. Je rappelle tout d'abord brièvement les avantages des dispositifs III-V à cavité verticale pour l'optoélectronique et plus particulièrement les propriétés des VCSELs, composants au centre de mes travaux. Ce contexte général étant posé, je décris les contraintes imposées lors de l'élaboration de ces dispositifs à cavité verticale sur GaAs ainsi que la technique de contrôle optique en temps réel qui m'a permis de répondre à ce défi. Je détaille ensuite mes travaux sur la photo-détection en cavité verticale, qui ont porté sur la conception, la réalisation et la caractérisation de photo-détecteurs simples à cavité massive, de VCSELs à double fonction pour la détection d'un faisceau externe, ainsi que de VCSELs avec monitoring intégré exploitant la détection latérale de l'émission spontanée dans le plan de la cavité. La thématique du contrôle de l'injection électrique dans les VCSELs de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité ou la génération de puissance est également exposée, ainsi que les études menées sur l'intégration des VCSELs dans les microsystèmes qui m'ont conduite à mettre en place une nouvelle filière sur la micro-optique intégrée à base de polymères pour ces composants. Enfin, les prospectives de recherche qu'ouvrent l'ensemble de ces travaux sont présentées ainsi que le contexte dans lequel elles s'inscrivent.

Le développement des technologies microsystèmes a permis l'apparition de composants capables de manipuler et d'effectuer des mesures sur des microobjets, en utilisant des techniques variées. Ces travaux présentent une contribution aux outils de manipulation de microobjets, en s'appuyant sur des actionneurs en résine SU8 et des microcanaux gravés dans le silicium.<br />Le premier système proposé est une microsonde en silicium polycristallin et en résine SU8 dotée d'une pointe, dont la fonction est de descendre dans un microcanal et effectuer des mesures électriques sur des microobjets. Après une phase de conception, un compterendu de la fabrication et des tests sont proposés.<br />Cette première étape permet de poursuivre sur un système d'extraction de microobjets d'un milieu liquide vers un milieu sec. Celuici comporte un système de convoyage diélectrophorétique et un actionneur en résine SU8 et or. La conception, la fabrication, et les tests ont permis finalement de démontrer le potentiel en terme d'automatisation d'un tel microsystème.

Disposer au sein dun système miniature, de micro actionneurs puissants intégrables, compatibles MEMS, bas coût et dont lénergie est disponible facilement est un challenge permanent depuis la naissance des microsystèmes dans les années 90 et qui saccentue avec la miniaturisation croissante. Dans les années 95, les matériaux énergétiques ont suscité lintérêt de la communauté scientifique car ils sont une source très intéressante dénergie embarquable. Typiquement, la combustion de composés hydrocarbonés produit 50MJ/kg, celle de matériaux énergétiques solides produit entre 3-6MJ/kg alors quune batterie Lithium moderne stocke à peine 0.9MJ/kg. Si les matériaux énergétiques peuvent être intégrés facilement dans des microsystèmes fonctionnels à partir des techno MEMS, la micro pyrotechnie peut représenter une avancée importante pour le micro actionnement de puissance. Le LAAS a initié la micropyrotechnie en 1995 pour des applications médicales et de micro micropropulsion, micro amorçage. Depuis dautres équipes en Europe, aux USA et en Asie ont initié des travaux dans le domaine en intégrant divers matériaux énergétiques dans des microsystèmes pour générer des micro poussées, des gaz, réaliser des micro amorçages ou tout simplement servir de sources dénergie pour chauffer, altérer des surfaces, souder. A partir dune idée innovante, est née une nouvelle discipline technologique que lon a appelée micropyrotechnie mais que dautres nomment « explosives technology », « micro detonic », « micro energetic ». Lexposé donnera les points clés et les travaux majeurs réalisés au LAAS en micropyrotechnie pour le micro actionnement de puissance embarqué. Parmi eux on peut citer les travaux sur la micro initiation, la micro combustion, lintégration technologique& Aujourdhui la tendance à la miniaturisation extrême et à la complexification soulève de nouveaux verrous technologiques et scientifiques et place le matériau énergétique au centre des préoccupations fondamental es. Nous discuterons en perspective, de lévolution de la micropyrotechnie avec notamment, la recherche et lélaboration de nouveaux matériaux énergétiques nano structurés ainsi que le développement doutils de modélisation multi physiques nécessaires pour la conception de systèmes de plus en plus complexes où cohabitent des fonctions chimiques, thermiques, fluidiques, mécaniques, électroniques& null null

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs liés aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyse de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. <br />Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tel que la dose énergétique appliquée et le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes.<br />Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux/m) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès.<br />Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.

Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un état de l'art dans le domaine des micro et nanosystèmes électromécaniques en mettant en exergue les problématiques afférentes à leur réduction en taille en termes de technologies de fabrication, d'électronique associée, de sources de bruit extrinsèques et intrinsèques, de rapport signal sur bruit... Plus spécifiquement, nous évaluons la pertinence d'une miniaturisation des dispositifs électromécaniques pour des applications dans le domaine de la chimie ou de la biologie en soulignant le rôle prépondérant des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume: pertes énergétiques, équilibres thermodynamiques, cinétiques de réaction& Le cas particulier des biopuces et des biocapteurs est ensuite abordé : dynamique de mesure, domaine de linéarité, sensibilité, résolution ultime. Cet état de l'art nous permet de positionner, sur le plan national et international, nos activités de recherche, dont le bilan est dressé dans la deuxième partie. Il a également pour objectif de justifier le choix de nos orientations thématiques à plus long terme vers le domaine des nanobiotechnologies, ces orientations faisant l'objet d'une dernière partie.

Les microsystèmes ou MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) entrent dans une phase industrielle. Habituellement conçus à partir de procédés utilisés classiquement en microélectronique, ils peuvent aussi inclurent des parties non électroniques : mécaniques, optiques, etc. Leur complexité technologique et la difficulté à modéliser ces applications multi-physiques ont retardé leur industrialisation, mais cette phase est aujourd'hui atteinte. En parallèle se développent donc des contraintes de coût de fabrication et de rendement dans le milieu très concurrentiel du semiconducteur. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à développer un logiciel implémentant un algorithme original d'optimisation statistique du rendement paramétrique qui tente de s'affranchir des principales limites associées aux méthodes courantes. Il se présente comme un module aisément insérable dans un flot de conception de circuit intégré ou de MEMS. Il s'agit d'optimiser les dimensions des structures réalisées afin de limiter les variations et dégradations des performances des microsystèmes qui sont dues aux fluctuations inéluctables des paramètres technologiques lors de leur fabrication, et sont causes de mauvais rendement.

L'intégration de composants optiques actifs dans des microsystèmes est étudiée à partir d'approches génériques, fondées sur les procédés de fabrication collective de la microélectronique. La première approche étudiée exploite la technologie CMOS pour démontrer la faisabilité de nouvelles fonctions de détection associant un détecteur silicium et une fonction optique passive, l'ensemble permettant l'intégration de circuits de traitement de signal. Nous montrons dans ce contexte un nouveau principe de détecteur de déphasage reposant sur l'intégration d'un réseau de diffraction à la surface d'une photodiode. Une seconde approche vise à étudier les potentialités des cristaux photoniques pour le développement de diodes laser compatibles avec une intégration planaire de fonctions optiques actives ou passives. L'étude réalisée dans le cadre de ce mémoire porte sur une diode laser à ruban comportant un miroir à cristal photonique unidimensionnel. Les performances du miroir en fonction des paramètres technologiques sont modélisées et un procédé de fabrication est proposé.