Bien que développés depuis plus de 50 ans, les capteurs chimiques (au sens large) et les capteurs de gaz plus particulièrement, sont toujours aujourd'hui en plein développement. Côté industriel, le marché global des capteurs chimiques et biochimiques connait la plus forte progression (+9,6%/an) depuis la fin des années 2000 avec un volume de 15 milliards de dollars en 2010 (10% pour le seul marché des capteurs de gaz). Ces dispositifs de détection offrent potentiellement des applications dans les principaux domaines qui sont le transport, l'environnement, la santé, l'industrie et l'agroalimentaire. On conçoit dès lors, que le marché de capteurs de gaz bas coût soit florissant et plein d'avenir. Les défauts des détecteurs actuels performants et commercialisés tels que les systèmes basés sur la détection infrarouge, électrochimiques ou encore à photo-ionisation, sont leur consommation en puissance de l'ordre du Watt, leur prix de revient mais aussi la complexité de leur électronique associée. Avec l'émergence des micro/nanosystèmes, nous assistons de plus en plus au développement de dispositifs miniatures, portables, " intelligents ", intégrant le (ou les) capteurs, l'alimentation, l'électronique de traitement et bien d'autres éléments ; on parle alors de nez électroniques intégrés. Parmi les capteurs développés à ce jour, les capteurs de gaz semi-conducteurs répondent le mieux encore aujourd'hui à ces besoins avec un coût de fabrication modéré (d'autant plus faible que le nombre fabriqué sera grand) ; ils sont en effet non seulement très bien adaptés aux techniques de la microélectronique mais peuvent intégrer également une grande diversité de matériaux tels que les oxydes métalliques, les polymères semiconducteurs et autres composites. De très nombreux travaux de recherches ont été réalisés et le sont encore à ce jour pour améliorer leurs performances, toujours perfectibles notamment en termes de sensibilité, de sélectivité, de stabilité, de reproductibilité, de rév ersibilité, de temps de réponse et de recouvrement. Les trois principales voies de recherche explorées dans nos travaux sont au niveau : i) de la technologie du détecteur (optimisation des matériaux et des étapes de fabrication), ii) de son mode de fonctionnement et iii) du traitement du signal au travers de quatre thèses. Les performances de nos structures sont à ce jour très largement supérieures à celles des capteurs commerciaux de même type. Depuis 2007, une thèse a été menée en collaboration avec l'équipe MINC (Micro et Nano systèmes pour les Communications sans fil) du LAAS pour développer, en totale rupture technologique, un nouveau transducteur électromagnétique permettant la détection de gaz à distance sans fil, sans consommation d'énergie par conséquent voué au déploiement de réseau de capteurs communicants. Les prospectives de recherche à court, moyen et long termes sur les dix prochaines années sont abordées. Elles s'appuient sur trois grandes idées en totale complémentarité : i. l'intégration de nouveaux matériaux nanostructurés vers une ultra sensibilité. L'étude des phénomènes de surface et de différentes voies de transduction permettrait d'envisager de nouvelles générations capteurs pour l'environnement mais aussi pour la santé. ii. le développement de nouveaux microsystèmes multicellules de détection, permettant une grande sélectivité en jouant sur des modes de fonctionnement évolués. L'objectif est de réaliser des nez électroniques intégrés pour de multiples applications. iii. le développement de nouvelles générations de capteurs communicants sans fil pour une cartographie olfactive de l'environnement encore appelée " intelligence ambiante ".

L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la dynamique de progrès liés au développement de la microélectronique, des télécommunications à courtes portées et de la fusion de données multicapteurs. Ils portent sur l'étude de microsystèmes autonomes communicants interconnectés pour des fonctions de surveillance. Ces nouveaux dispositifs ont pour objectif d'offrir des capacités de traitement-communication inexistant initialement dans des objets physiques de types senseurs/actionneurs. Leur développement sera considérable dès lors qu'ils pourront constituer un réseau local communicant et s'insérer de manière simple dans un système plus global. De nouvelles fonctionnalités de supervision sont alors envisageables. Ces travaux contribuent par une approche globale et méthodologique à cet objectif en étudiant les principaux constituants de tels microsystèmes depuis la conception jusqu'à la réalisation : capteurs de présence, dispositifs de communication intégrés sans fil et algorithmes de diagnostic. La démarche scientifique s'appuie sur quelques exemples d'application dans le domaine de la domotique qui ont permis d'une part, d'élaborer et de valider expérimentalement les concepts technologiques proposés, et d'autre part, d'élaborer des solutions techniques pour des architectures de communication adaptées. Deux systèmes d'intelligence ambiante reposant sur le concept original d'apprentissage automatisé des habitudes de présence servent de support aux différents développements : PROSAFE pour la surveillance de personnes âgées et ERGDOM pour la gestion du confort thermique ressenti. Ces démonstrateurs réalisés et évalués sur sites réels contribuent à l'avancée des travaux effectués pour l'habitat intelligent

L'analyse chimique est indispensable à de nombreuses étapes de la mise au point et dusuivi des procédés de retraitement des combustibles nucléaires usés, de la gestion des déchetsnucléaires, ou encore de l'optimisation des combustibles du futur. Le cycle global d'analysecomprend généralement plusieurs étapes de séparations chimiques longues, manuelles etdifficiles à mettre en oeuvre en raison de leur confinement en boite à gants. Il apparaîtaujourd'hui nécessaire de proposer des solutions innovantes et viables dans le butd'automatiser ces étapes mais aussi de réduire le volume de déchets radioactifs en fin de cycleanalytique. Une solution est alors la conception de plateformes analytiques miniaturiséesautomatisées et jetables.L'objectif de cette thèse est de concevoir un système miniaturisé alternatif à lapremière étape actuelle d'analyse des combustibles usés séparant, par chromatographied'échange d'ions, l'Uranium et le Plutonium des autres éléments constituant l'échantillon. Cesystème doit permettre à la fois de conserver les performances analytiques du processusactuel, de réduire drastiquement l'exposition des expérimentateurs par l'automatisation, ainsique le volume de déchets produits en fin de cycle analytique. Ainsi, la séparation a étéimplantée sur un microsystème jetable en plastique (COC), au design spécialement adapté àl'automatisation : un lab-on-CD.Le prototype développé intègre une micro-colonne séparative d'échange d'anionsremplie d'un polymère monolithique dont la synthèse in-situ ainsi que la fonctionnalisation desurface ont été optimisées spécifiquement pour la séparation voulue. Le développement duprotocole de séparation adapté à ces micro-colonnes a été réalisé à l'aide d'un outil desimulation de l'élution des différents éléments d'intérêts. Cet outil permet de prévoir lagéométrie de la colonne (section et longueur) afin d'obtenir, en fonction de l'échantillon, desfractions de collecte de l'Uranium et du Plutonium pures.Finalement, le prototype actuel est capable de conduire simultanément 4 séparationsde façon automatisée et permet de réduire à la fois le nombre de manipulations, le tempsd'analyse mais aussi de diviser approximativement par 1000 le volume des déchets liquidesgénérés.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz / This PhD thesis context is about energy harvesting in order to have autonomous sensors. The problematic of the coupling of piezoelectric mechanical energy harvesters with the mechanical vibration source has been studied. To be efficient, the harvesters have to work at lower frequencies and on larger frequency ranges. To work at lower frequencies, we designed, fabricated and characterized AlN piezoelectric clamped free beams. We proved that it was possible to harvest 0.6µW for a volume of less than 3mm3. Our devices have very good figures of merit compared to literature. To work on wider frequency ranges, we propose an innovative nonlinear hardening method. It has been proven experimentally, with an adaptability of the resonance frequency of more than 50% under 500Hz.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des contaminants de notre environnement et de notre alimentation. En raison de leur toxicité, la Commission européenne a réglementé leur teneur dans les denrées alimentaires et notamment dans les huiles. Les industriels des corps gras ont donc pour obligation de vérifier la conformité de leurs produits. Dans ce contexte, le groupe Lesieur souhaiterait développer un nouvel outil analytique rapide et portable. Ainsi, ce vaste projet de recherche vise à concevoir un microsystème électrophorétique capable d'analyser les HAP dans les huiles alimentaires. Première étude à s'inscrire dans ce projet, ce travail de thèse a donc consisté à développer de nouveaux protocoles analytiques. Dans une première partie, des méthodes de séparation des HAP ont été développées en électrophorèse capillaire (CE) modifiée par des cyclodextrines couplée à un détecteur de fluorescence induite par laser. En suivant des stratégies multivariées basées sur les plans d'expériences, deux méthodes de séparation ont été optimisées. Les huit HAP communs aux listes établies par l'agence de protection de l'environnement des Etats-Unis et l'agence européenne de sécurité sanitaire des aliments ont été séparés en moins de 7 min et dix-neuf HAP, également classés par ces deux organismes, ont été analysés en moins de 18 min. Ces méthodes de séparation ont été appliquées avec succès à des extraits d'huile dopés. Dans une deuxième partie, il a été question de transférer la méthode d'analyse des huit HAP au format microsystèmes. La principale difficulté rencontrée a été le manque de sensibilité du système de détection couplé aux puces. Le premier objectif a donc été d'optimiser les quantités d'échantillon injectées et les paramètres de la détection avec un composé modèle dans un tampon borate. Cependant, seulement quatre HAP sur les dix-neuf étudiés précédemment en CE ont pu être détectés. Toutefois, dans les conditions optimisées par le plan d'expériences, ils étaient séparés en moins de 4 min. Enfin, différents polymères à empreintes moléculaires (MIP) ont été synthétisés en vue d'extraire sélectivement les HAP des huiles. Après un criblage des conditions de synthèse, la sélectivité de chaque MIP a été évaluée en milieu pur en comparant sa capacité de rétention avec celle d'un polymère non-imprimé. Les huit HAP communs aux deux listes ont finalement pu être extraits sélectivement à partir d'huiles de tournesol, mais avec des rendements d'extraction encore insuffisants et qui nécessitent une amélioration de la procédure d'extraction. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are widespread contaminants in the environment and food products. Given their toxicity, their concentrations are regulated by the European Commission in food products and especially in edible oils. Consequently, manufacturers of fat products have to verify the conformity of their products. In this context, Lesieur wants to develop a rapid and portable new analytical tool. Hence, this ambitious research project aims at developing a capillary electrophoresis microchip for PAH analysis in edible oils. This PhD study, first one involved in this project, consisted in developing new analytical protocols.In a first part, PAH separation methods were developed by cyclodextrin-modified capillary electrophoresis (CE) with laser-induced fluorescence detection. Using experimental design-based strategies, two separation methods were optimized. The 8 PAHs in common between the United States Environmental Protection Agency and the European Food Safety Authority lists of priority pollutants were separated in less than 7 min, while 19 PAHs, also targeted by these institutions, were separated in less than 18 min. These CE separation methods were successfully applied to the analysis of spiked edible oil extracts.The second part aimed at transferring the electrophoretic separation method of the 8 PAHs from the capillary to the microsystem format. The lack of sensitivity of the detection system hyphenated with chips was the main difficulty encountered. Thus, injected sample amounts and detection parameters were first optimized with a model compound in a borate buffer. However, only 4 out of the 19 PAHs, previously studied in CE, could be detected. Nevertheless, under conditions predicted by the design of experiments, they were baseline resolved in less than 4 min.Finally, several molecularly imprinted polymers (MIPs) were synthesized for the selective extraction of PAHs from oils. After a screening of synthesis conditions, the selectivity of each MIP was evaluated in pure media by comparing the extraction recoveries obtained on MIP with those obtained on a non-imprinted polymer. Finally, the 8 PAHs in common between the two lists were selectively extracted from sunflower oils, but with low recoveries. Improvements in extraction procedures are still required.

Le développement de méthodes in vitro fiables et prédictives représente à l’heure actuelle un véritable défi. En effet, la demande en méthodes alternatives à l’expérimentation animale n’a cessé de croître ces dernières années du fait de la mise en place de législations limitant par considérations éthiques l’utilisation de ces modèles in vivo. De plus, ce besoin a été renforcé par le règlement européen REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) imposant aux industriels de valider l’innocuité de nombreuses substances déjà commercialisées. Toutefois, les modèles in vitro classiques consistant en la culture simple de cellules en monocouche dans des boîtes de Petri ne permettent pas de conserver les propriétés initiales de ces cellules et de retranscrire les conditions et l’environnement cellulaire des organes in vivo. Le développement de méthodes alternatives in vitro prédictives s’avèrent donc crucial en particulier pour mimer le fonctionnement de deux organes : l’intestin et le foie. En effet, ces deux organes sont largement impliqués dans les processus d’Absorption, Distribution, Métabolisme et Excrétion (ADME) de la plupart des xénobiotiques ingérés. C’est pour ces raisons que nous avons testé la faisabilité de l’une de ces méthodes in vitro alternative permettant d’associer une barrière intestinale à la culture dynamique de cellules hépatiques au sein de microsystèmes dans le cadre de ce doctorat. Cette coculture est effectuée au sein du dispositif appelé IIDMP (Integrated Insert in a Dynamic Microfluidic Platform). Nous avons décidé de tester d’une part l’influence de la culture dynamique et d’autre part d’éventuelles interactions entre les cellules intestinales et hépatiques sur la fonctionnalité et l’activité métabolique de ces deux types cellulaires. Les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis d’atteindre 4 objectifs :- Développer un dispositif fiable en termes de fonctionnalité (fluidique, robustesse…).- Mettre en évidence l’innocuité du dispositif lorsque des cellules de lignée et primaires y étaient cultivées.- Démontrer les avantages de l’utilisation de ce dispositif comparativement à l’utilisation de modèles classiques in vitro, en particulier avec des cellules de lignée.- Démontrer que l’utilisation de ce dispositif permettait de mettre en évidence des phénomènes d’interactions entre cellules intestinales et hépatiques notamment sur l’activité du CYP1A2 des hépatocytes qu’ils soient issus d’une lignée ou de cultures primaires. / The development of reliable and predictive in vitro methods is a real challenge. Indeed, the demand for alternative methods to animal experimentation has been growing in recent years due to the introduction of legislation limiting the use of these models in vivo by ethical considerations. Moreover, this need was amplified by regulations such as the European REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) requiring the safety validation of many substances. However, the conventional in vitro model consisting in a simple cell culture monolayer in Petri dishes does not preserve the initial properties of these cells and does not mimic the conditions of the cellular environment and organs in vivo. The development of alternative in vitro predictive methods is crucial especially to mimic the working of two organs: the intestine and liver. Indeed, these two organs are involved in the process of Absorption, Distribution, Metabolism and Excretion (ADME) of most xenobiotics ingested.We propose in this thesis to test the feasibility of one of these in vitro alternative methods allowing the association between an intestinal barrier and the dynamic culture of hepatic cells in microsystems in a device called IIDMP (Integrated Dynamic Insert in a Microfluidic Platform). We tested the influence of the flow of culture and possible interactions between intestinal and liver cells on the function and metabolic activity of these two cell types.Then, we demonstrated that : - This device is reliable in terms of global functionality (fluid, robustness ...).- This device did not injury the integrity of the cell line and primary cells.- The use of this device has many advantages when compared with the use of conventional in vitro models, especially with cells line.- The use of this device highlights phenomena of interaction between hepatic and intestinal cells as an increase of the CYP1A2 activity of HepG2 C3A and human primary hepatocytes.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse concernent le développement d’une méthode de caractérisation électrique de cellules biologiques, sans marquage, basée sur la diélectrophorèse Ultra Haute Fréquence (DEP-UHF). Sous l’action d’un champ électrique alternatif non uniforme, les cellules biologiques sont soumises à des forces de déplacement essentiellement liées à leurs propriétés diélectriques. En particulier, aux hautes fréquences, le champ électrique pénètre à l’intérieur de la cellule et interagit donc avec son contenu intracellulaire. Il est donc possible d’accéder à une «signature diélectrophorétique» de la cellule représentative de ses propriétés biologiques internes mais aussi de mécanismes physiologiques tels que l’apoptose ou encore la différenciation. Ce manuscrit présente le développement d’un microsystème innovant, implémenté à partir des couches passives d’une puce BiCMOS et couplé à un réseau microfluidique, pour la caractérisation, à l’échelle cellulaire, par DEP-UHF. Le microsystème développé permet une analyse fine et précise du comportement DEP haute fréquence d’une cellule. Un banc expérimental dédié aux caractérisations cellulaires, capable de générer des signaux hautes fréquences dans la gamme 10 MHz – 1 GHz pour des amplitudes allant jusqu’à 18 Vpp, a été développé. Ces travaux exploratoires ont pour but de démontrer le potentiel de discrimination de cette méthode entre différentes lignées cellulaires cancéreuses humaines à des stades tumoraux différents, dans l’objectif de développer de nouveaux outils d’aide au diagnostic. L’existence de différences significatives entre les signatures de certains types cellulaires ouvre des perspectives très intéressantes notamment pour le développement d’outils de tri cellulaire originaux basés uniquement sur les propriétés diélectriques intracellulaires. / The work presented in this dissertation concerns the development of an original label-free electrical characterization method dedicated to biological cells based on Ultra High Frequency dielectrophoresis (DEP-UHF). Under the action of a non-uniform alternative electric field, the biological cells are subjected to displacement forces related to their own dielectric properties. In particular, at high frequencies, the electric field penetrates inside the cell and thus interacts with its intracellular content. Therefore, it is possible to access to a «dielectrophoretic signature» of the cell that it is representative of its internal biological properties but also of physiological mechanisms such as apoptosis or differentiation. This dissertation presents the development of an innovative microsystem, implemented in the passive layer stack of a BiCMOS chip and associated with microfluidic, dedicated to biological characterization, at the cellular level. The developed microsystem allows an accurate analysis of a single cell DEP-UHF behaviour. An experimental bench, dedicated to cell characterization, and able to generate high frequency signals from 10 MHz to 1 GHz up to 18 Vpp magnitude, has been also developed accordingly. Actually, the led exploratory work achieved was focused on evaluating the discrimination potential of this method between different human cancer cells at different tumor stages with the objective to envision new kind of diagnostic tools. Finally, the existence of significant differences between the signatures of different cell types leads to very interesting perspectives, particularly for the development of new cell sorting tools based especially on the intracellular dielectric properties.

Cette étude a pour but la conception de microrésonateurs basses fréquences réalisés par une technique de microfabrication collective : la LIGA-UV. Il est donc nécessaire dans un premier temps de connaître les propriétés mécaniques du matériau choisi pour la réalisation, à savoir le nickel obtenu par électroformage. On détermine donc le module de Young ainsi que l'amortissement interne du matériau grâce au plus simple des microrésonateurs à savoir une micropoutre encastrée-libre. La démarche suivie lors de la phase de conception de ces microrésonateurs est la suivante : tout d'abord développer un modèle analytique qui permet de déterminer le maximum de paramètres géométriques. Ensuite, l'utilisation d'un modèle éléments finis, qui prend en compte plus de paramètres, permet d'affiner la géométrie grâce à des conditions aux limites proches de la réalité et de simuler le fonctionnement du microsystème. Ainsi, cette démarche a été suivie par la réalisation et la caractérisation de microrésonateurs en nickel à mode de flexion dans le plan qui vibrent à 70 kHz. L'excitation et la détection se font par le biais de peignes interdigités. Les fréquences expérimentales sont confrontées aux résultats des simulations avec une corrélation très satisfaisante. Enfin, un prototype de microrésonateur qui vibre à 6 MHz et dont l'originalité réside dans son mode de contour ou mode de Lamé a été réalisé. La vibration qui a lieu dans le plan a ses nœuds aux quatre coins et au centre de la plaque. L'excitation du microrésonateur se fait de manière électrostatique, quant à la détection elle se fait par l'intermédiaire d'un interféromètre laser hétérodyne. Les résultats ont montré un coefficient de qualité Q d'environ 1200 à l'air. Ce type de microrésonateur est le candidat idéal pour la réalisation d'un oscillateur intégré sous vide qui entraînerait une nette amélioration de ses performances mécaniques.

La caractérisation juste et reproductible en isotopie et en concentration des radioéléments est l'une des thématiques essentielles des laboratoires d'analyse dans le domaine du nucléaire. Afin de minimiser les temps de manipulation en boite à gants des personnels et la production de déchets radioactifs liés à l'analyse de combustibles nucléaires, il est nécessaire de proposer des solutions efficaces et innovantes. Depuis quelques années, la miniaturisation des systèmes séparatifs constitue l'un des axes de développement majeurs de la chimie analytique et ces microsystèmes constituent certainement une des solutions pour répondre aux exigences de l'analyse nucléaire. Ce travail a pour objectif la conception d'une plateforme analytique miniaturisée et à usage unique, dédiée a la séparation des lanthanides, issus des combustibles usés, en amont de leur analyse par spectrométrie de masse. Destiné à remplacer une étape de séparation chromatographique au centre d'un processus analytique de trois étapes, le nouveau protocole basé sur l'isotachophorèse (ITP) doit satisfaire un cahier des charges précis. Les propriétés de complexation des lanthanides ont d'abord été exploitées afin d'obtenir avec un agent chélatant unique et rigoureusement sélectionné, l'acide 2-hydroxy-2-methylbutyrique (HMBA), la sélectivité intra période nécessaire à leur séparation complète par ITP. Basées sur des modèles théoriques existants, des études complémentaires, notamment des paramètres influençant la résolution, ont permis l'amélioration des performances globales du système ainsi que son dimensionnement. Pour réduire drastiquement le volume de déchets liquides secondaires (solutions de rinçage) et la manipulation de matériaux et de matériels radioactifs, le protocole a été implanté sur un microsystème polymérique jetable en COC, spécialement développé pour cette application. Ce microsystème a ensuite été couplé à un spectromètre de masse a multi collection et source à plasma à couplage inductif pour mesurer les rapports isotopiques