Au sein de l'équipe « Microsystèmes » du LIRMM, plusieurs capteurs ont été développés basés sur des structures mécaniques ou thermiques pour réaliser des fonctions de transduction, et ce dans un contexte d'intégration de capteurs à l'aide de technologies microélectroniques standards (MOS). Ces capteurs sont majoritairement résistifs car simples à concevoir et économiques à fabriquer. Néanmoins, parmi leurs inconvénients majeurs, la consommation et le bruit sont les plus notables. Dans une thèse précédente, un circuit de conditionnement nouveau appelé ‘pont Actif' a été proposé. Ce circuit, présenté comme une ‘alternative' au traditionnel pont de Wheatstone, permet de diminuer le courant consommé tout en offrant une amplification importante du signal. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'évaluer l'intérêt du pont Actif dans une application ‘capteur de température'. La mesure de la température est au cœur de très nombreuses applications. De nombreux instruments ont été mis au point, le plus connu restant le thermomètre à mercure. Aujourd'hui, les capteurs de température sont largement utilisés dans les systèmes de mesure, d'instrumentation ou les systèmes de contrôle. Compte tenu de l'étendu des domaines d'application, proposer, dans un contexte de systèmes embarqués, un capteur de température résistif très faible consommation, très performant et occupant une faible surface reste pertinent aujourd'hui. Après un tour d'horizon des solutions existantes concernant la mesure de la température, la première partie de la thèse introduit les principes de fonctionnement du pont Actif différentiel. Sur cette base, différentes déclinaisons de capteurs de température optimisés en termes de consommation sont proposées, modélisées et caractérisées. Ces études montrent que le point de polarisation du capteur est sensible aux variations du procédé de fabrication. Par conséquent, dans le but de contrôler le point de polarisation, nous avons mis en œuvre une conversion tension-courant. Finalement, le capteur a été intégré dans un modulateur Sigma Delta. Aussi, le principe de fonctionnement général du modulateur et l'implantation de la chaîne capteur à retour numérique sont présentés. Le manuscrit est clos par une synthèse des différents points abordés tout au long de ce travail. / Several sensors using standard microelectronic technologies (MOS) have been developed based on mechanical or thermal structures to perform transduction functions by the ‘Microsystems' Team of the LIRMM. These sensors are mainly resistive thanks to their design simplicity and low cost. However, one of their major problems, power consumption and noise are the most notable. In another thesis, a new conditioning circuit called 'Active Bridge' has been proposed. This circuit, presented as an 'alternative' to the traditional Wheatstone bridge, reduces considerably the power consumption while providing an important signal amplification. In this context, the objective of this thesis is to evaluate the usefulness of the Active Bridge in a temperature sensor application.The temperature measurement is at the heart of many applications. Many instruments have been developed, the best known remaining mercury thermometer. Today, the temperature sensors are widely used in measuring systems, instrumentation and control systems. Given the wide application areas, propose, in the context of embedded systems, a resistive temperature sensor ultra-low power, high performance and small remains relevant.After an overview of the existing solutions for this kind of application, the first part of the thesis introduces the principle of the differential Active Bridge. So, different architectures of temperature sensors optimized in terms of consumption are proposed, modeled and characterized. These studies show the dependency of the operating point of the sensor to the process and mismatch variations process. Therefore, in order to control the operating point, a voltage to current conversion has been implemented. Finally, the sensor has been integrated into a Sigma Delta modulator to implement a digital feedback. Finally, a conclusion of the issues and different results have been discussed as conclusion in this manuscript.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution pour progresser vers des mesures thermiques plus quantitatives. Il s'agit de mesurer la température par la technique RIF de l'émission verte. Les travaux réalisés dans ce mémoire s'articulent en trois étapes. Au départ nous avons mesuré la température d'échauffement d'un cristal massif Sr0.3Cd0.7F2 codopés Er3+/Yb3+ d'épaisseur 0.3 mm. L'échauffement induit par l'excitation des ions Yb3+ à 974.4 nm a été mesurée à une distance (d) au bord de cristal, par l'émission verte des ions Er3+ excité par le laser rouge (652 nm) au bord du cristal. La seconde étape a eu pour but la mesure de la température d'échauffement du même cristal précédent, mais en dimension microscopique. Ces microparticules fluorescentes ont été fixées à l'extrémité d'une sonde thermique de Wollaston. L'échauffement des microparticules se fait par une excitation laser rouge à 652 nm ou par effet Joule en parcourant un courant électrique dans la sonde thermorésistive. La troisième étape a eu pour principal objectif la mesure de la température à l'échelle micrométrique en utilisant un microscope à force atomique (AFM) sur lequel est montée une sonde thermorésistive munie à son extrémité d'une microparticule fluorescente de Sr0.3Cd0.7F2 codopée Er3+/Yb3+ de 15 µm utilisée comme capteur de température. La technique est basée sur la variation de l'intensité de la fluorescence de la microparticule en contact avec une surface chaude. Cette nouvelle technique nous a permis d'obtenir une image cartographique de la température d'un microsystème, composé de lignes chauffantes submicroniques, chauffé par effet Joule. / The work presented in this thesis is a contribution to progress towards more quantitative thermal measurements. This is to measure the temperature by RIF technique green emission. The work in this thesis is divided into three stages. Initially we measured the temperature rise of a massive crystal Sr0.3Cd0.7F2 codoped Er3 + / Yb3 + 0.3 mm thick. The heat induced by the excitation of Yb3 + ions to 974.4 nm was measured at a distance (d) at the edge of crystal, the green emission of the Er3 + ions excited by red laser (652 nm) at the edge of the crystal.The second step was designed to measure the temperature of the heating of the same previous crystal, but in microscopic dimensions. These fluorescent microparticles were attached to the end of a thermal probe Wollaston. The temperature rise of the microparticles is by a red laser excitation at 652 nm or by Joule effect through an electric current in the probe thermorésistive.The third step was the main aim of measuring the temperature using a micrometric scale atomic force microscope (AFM) on which is mounted at its end provided with one of a fluorescent microparticle thermorésistive probe Sr0.3Cd0.7F2 codoped Er 3 + / Yb 3 + 15 microns used as a temperature sensor. The technique is based on the change in fluorescence intensity of the microparticle in contact with a hot surface. This new technique allowed us to obtain a map image of the temperature of a microsystem consisting of submicron heating lines, heated by Joule effect.

La détermination des propriétés physiques de l'eau pure, notamment la pression de vapeur saturante en fonction de la température, est un enjeu majeur en humidité et identifié comme tel par le Comité Consultatif de Thermométrie (CCT-WG6) sous-groupe Humidité du Comité Technique de Température (TC-T) afin d'améliorer les incertitudes des références nationales en humidité. A cette fin, le LNE-CETIAT et le LNE-Cnam ont développé conjointement un dispositif expérimental permettant d'accéder au couple température / pression de vapeur saturante de l'eau pure. Le principe est basé sur une mesure statique de la pression et de la température dans une cellule d'équilibre associée à un calorimètre quasi-adiabatique. La gamme de température d'équilibre couverte s'étend de 193,15 K à 373,15 K, correspondant à une pression de vapeur saturante allant de 0,06 Pa à 105 Pa.Ce travail présente la description, la réalisation et la caractérisation métrologique de ce nouveau dispositif expérimentale. Les résultats des mesures expérimentales sont comparés avec les travaux théoriques et expérimentaux les plus récents. Le budget d'incertitude finale prend en compte la contribution de la mesure de pression, de la mesure de température et des effets parasites telles que la transpiration thermique et la pression aérostatique. Grace aux différentes solutions mises en œuvre, la contribution des mesures de température dans le bilan d'incertitude globale est réduite. La part prépondérante reste essentiellement associée à la mesure de pression.

La détermination des propriétés physiques de l’eau pure, notamment la pression de vapeur saturante en fonction de la température, est un enjeu majeur en humidité et identifié comme tel par le Comité Consultatif de Thermométrie (CCT-WG6) sous-groupe Humidité du Comité Technique de Température (TC-T) afin d’améliorer les incertitudes des références nationales en humidité. A cette fin, le LNE-CETIAT et le LNE-Cnam ont développé conjointement un dispositif expérimental permettant d’accéder au couple température / pression de vapeur saturante de l’eau pure. Le principe est basé sur une mesure statique de la pression et de la température dans une cellule d’équilibre associée à un calorimètre quasi-adiabatique. La gamme de température d’équilibre couverte s’étend de 193,15 K à 373,15 K, correspondant à une pression de vapeur saturante allant de 0,06 Pa à 105 Pa.Ce travail présente la description, la réalisation et la caractérisation métrologique de ce nouveau dispositif expérimentale. Les résultats des mesures expérimentales sont comparés avec les travaux théoriques et expérimentaux les plus récents. Le budget d'incertitude finale prend en compte la contribution de la mesure de pression, de la mesure de température et des effets parasites telles que la transpiration thermique et la pression aérostatique. Grace aux différentes solutions mises en œuvre, la contribution des mesures de température dans le bilan d’incertitude globale est réduite. La part prépondérante reste essentiellement associée à la mesure de pression. / The determination of the physical properties of pure water, especially the vapor-pressure curve, is one of the major issues identified by the Consultative Committee for Thermometry (CCT) of the technical committee in thermometry sub-field hygrometry to improve the accuracy of the national references in humidity.In order to achieve this objective, the LNE-CETIAT and the LNE-Cnam have jointly built a facility dedicated to the measurement of the saturation vapor pressure and temperature of pure water. The principle is based on a static measurement of the pressure and the temperature of pure water in a closed, temperature-controlled thermostat, conceived like a quasi-adiabatic calorimeter. The explored temperature range lies between 193,15 K and 373,15 K, and the pressure range between 0,06 Pa and 105 Pa.This work presents a full description of this facility and the preliminary results obtained for its characterization. The obtained results have been compared with available literature data. The final uncertainty budget took into account several components: pressure measurements, temperature measurements and environmental error sources such as thermal transpiration and hydrostatic pressure correction. Thanks to the employment of several technical solutions, the thermal contribution to the overall uncertainty budget is reduced, and the remaining major part is mainly due to pressure measurements.

Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des nœuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes. / During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters.Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction.To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.

Aujourd’hui, trois technologies distinctes et complémentaires sont disponibles pour réaliser des mesures réparties de température, de déformation ou de vibration grâce à l’analyses des rétrodiffusion Raman, Brillouin et Rayleigh. Les besoins industriels actuels se portent sur la mesure répartie de déformation pour des infrastructures avec de longs linéaires, comme les canalisations, pour lesquelles une cartographie linéaire et en temps réel de leur état est demandée. Nous nous focalisons alors sur la conception d’un système de mesure Brillouin capable de mesurer de manière répartie et dynamique les déformations subies par une fibre optique. La méthode employée sera celle du flanc de frange ; elle a déjà été développée et expérimentée sur une architecture opto-électronique de type analyseur Brillouin (Brillouin-OTDA), nécessitant l’accès aux deux extrémités de la fibre optique. Dans notre cas, elle est implémentée sur une architecture fonctionnant en réflectométrie. Les résultats expérimentaux obtenus seront caractérisés et validés par la simulation des mesures de la déformation et du déplacement d’une canalisation supportée entre deux appuis simples ; un modèle mécanique, adapté à cette configuration et transposable sur des projets réels, est développé. Par le biais de partenaire industriels de Cementys, ce modèle est utilisé dans deux projets de surveillance de canalisation d’hydrocarbures dont les moyens d’installation et la finalité sont différents. / Today, three distinct and complementary technologies are available for distributed temperature, strain or vibration measurements with the analysis of Raman, Brillouin and Rayleigh backscattered light. Current industrial needs are distributed strain measurements for linear infrastructures, such as pipelines, for which linear and real-time strain distribution is required. The research work aims to design a new distributed and dynamic strain measurement system based on the analysis of spontaneous Brillouin backscatter by reflectometry. Slope assisted technique is used to accelerate the measurement acquisition, currently limited to static events because of their actual principle of sweep frequency acquisition of the Brillouin backscattering spectrum. The experimental results are characterized and validated by the simulation of the measurements of the deformation and displacement of a pipe supported between two simple supports. A mechanical model, adapted to this configuration and transposable on real projects, is developed. Through Cementys industrial partner, this model is then used for two monitoring project of pipelines with different installation facilities and purpose.