Nous avons abordé dans le cadre de ce travail de thèse diverses problématiques fondamentales qui touchent tout d’abord à l’élaboration de nouveaux polymères à propriétés viscoélastiques contrôlées (exemple : variation du module de Young pour de basses fréquences) et ensuite aborder l’intégration de ces matériaux dans des capteurs ou actionneurs de petites dimensions. Les études amont abordées dans ce travail de thèse nous ont permis de constituer un socle solide de connaissances pour le développement de nouveaux dispositifs mettant en jeu par exemple des matrices de micro-actionneurs ou micro-capteurs sur des substrats souples en polymère. Ces aspects applicatifs sont développés dans le cadre de projets collaboratifs menés avec des partenaires académiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des matériaux polymères micro-structurés. Nous avons chargé ces matériaux micro-structurés pour obtenir des matériaux avec un comportement piézoélectrique. Ces matériaux sont caractérisés en piézoélectricité indirecte par la spectroscopie d’impédance pour étudier la stabilité thermique de la piézoélectricité dans ces structures. Nos matériaux ont montré une réponse piézoélectrique importante avec un coefficient piézoélectrique longitudinal de 350pC/N. La piézoélectricité est maintenue sur une large gamme de température allant de -25°C à 85°C. Des améliorations ont été réalisées en chargeant les structures à hautes températures comparées aux structures chargées à la température ambiante. Par la suite, Nous avons testé électro-mécaniquement ces structures, ces dernières ont montré des coefficients piézoélectriques importants dans la gamme de fréquence de 1Hz à 100Hz pouvant ainsi couvrir toutes les fréquences de résonance des vibrations existant dans notre vie quotidienne. Des études ont été menées pour les caractérisations diélectriques par la spectroscopie d’impédance des structures non-chargées. De plus des caractérisations des polymères viscoélastiques par DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) afin d’obtenir le comportement fréquentiel de leur module de Young. Les résultats expérimentaux sont analysés en lien avec les propriétés structurales des matériaux. Un prototype a été réalisé afin d’étudier la faisabilité d’un accéléromètre ou un récupérateur d’énergie avec les matériaux ainsi obtenus. / We studied within this working thesis various fundamental issues that affect the development of new controlled viscoelastic polymer properties (eg variation of Young's modulus at low frequencies) and then the integration of these materials in sensors.Preliminary studies discussed in this thesis allowed us to build a solid knowledge for the development of new devices involving such micro-actuator arrays or micro-sensors on flexible substrates in polymer. These applications areas are developed through collaborative projects with academic partners.As part of this thesis, we have designed, fabricated and characterized micro-structured polymer materials. We charged these micro-structured materials for a piezoelectric material with behavior. These materials are characterized in inverse piezoelectric mode by the dielectric resonance spectroscopy to study the thermal stability of piezoelectricity in these structures. Our materials showed a significant response with a longitudinal piezoelectric coefficient of 350pC/N. Piezoelectricity is maintained over a wide temperature range from -25 ° C to 85 ° C. Improvements were carried out by charging the structures to high temperatures compared to structures responsible at room temperature.Subsequently, we tested electro-mechanically these structures, the latter showed significant piezoelectric coefficients in the frequency range of 1Hz to 100Hz and can cover all the resonance frequencies of the vibrations existing in our daily life.Studies were realized on the dielectric characterization by impedance spectroscopy of the uncharged structures. In addition, characterizations of the viscoelastic polymers by DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) to obtain the frequency behavior of their Young's modulus. The experimental results are analyzed in relation to the structural properties of the materials.A prototype was realized to study the feasibility of an accelerometer or an energy harvester with the obtained materials.

En passant près de 90% de son temps dans les espaces clos, l'Homme est exposé à des polluants particulaires de diverses natures d'origines exogène et endogène au bâtiment, pour lesquels aucune valeur guide n'est disponible. Parmi ces polluants figurent les particules biologiques et notamment les spores fongiques, particules vivantes les plus nombreuses et les plus diversifiées de l'air que nous respirons (Nolard, 1997). Ubiquitaire et délétère, la pollution particulaire fongique est mise en cause dans la survenue de nombreuses pathologies parmi lesquelles se trouvent les maladies immuno-allergiques. Dans le cadre de la surveillance de la qualité micro-biologique de l'air des espaces clos, cette thèse vise à fournir les premiers éléments de conception d'un outil individuel de diagnostic dédié à l'évaluation de l'exposition des occupants aux aérobiocontaminants allergéniques en s'intéressant plus particulièrement à la pollution fongique aéroportée. Cette recherche repose sur les expertises techniques et scientifiques du CSTB, de l'ESIEE et de l'Université Paris-Est en matière de détection fongique, de miniaturisation d'instruments de mesure via les micro technologies et de physique des aérosols. Se faisant, ces travaux cristallisent autour d'une architecture système reposant sur trois axes : la capture et sélection des particules selon leurs propriétés physico-chimiques de surface, la quantification de la masse des particules et l'identification de la nature des particules à l'aide d'une analyse chimique. Ces axes correspondent à autant de thématiques abordées au cours de ces travaux de thèse. Ainsi, la première a consisté à étudier l'adhérence des conidies aux surfaces afin de mieux cerner les déterminants de ce phénomène physique et évaluer les énergies mises en jeu. Les résultats subséquents ont permis, lors d'une deuxième phase de travail, de dimensionner une microbalance en silicium de type MEMS en replaçant les problématiques liées aux interactions particules-résonateurs au cœur du débat. Par ce biais, l'enjeu a été de lever certains verrous scientifiques constatés dans la littérature, telles des sensibilités non-uniformes sur toute la surface des dispositifs de mesure ou encore des réponses en fréquence non linéaires avec la masse déposée. Une telle approche a en outre permis d'évaluer les performances attendues pour de tels capteurs. Enfin, le dernier aspect de cette recherche a porté sur l'identification des particules aéroportées biologiques par voie chimique en combinant pyrolyse des entités biologiques d'intérêt, chromatographie en phase gazeuse et spectroscopie de masse (Py-CPG/MS). A cette occasion, un travail collaboratif engagé avec le Réseau National de Surveillance Aérobiologique a permis d'éprouver la solution technologique et la méthodologie employées puisqu'une seconde catégorie de particules modèles a alors été considérée : les pollens. L'analyse des composés organiques volatiles issus de l'analyse Py-CPG/MS des micromycètes et des pollens a permis de démontrer l'existence d'une signature chimique spécifique de l'origine biologique des particules. Suite à cela, il a été possible d'établir diverses listes de traceurs chimiques caractéristiques des phyla voire des espèces des différents contaminants étudiés. La pertinence de ces marqueurs a alors été éprouvée lors d'un essai in situ / Nowadays people pass 90% of their time in closed spaces, and in consequence are exposed to indoor and outdoor particulate matter for which no reference value is available. These pollutants include biological particles and in particular fungal spores, the most numerous living particles and most diverse on the air we breathe (Nolard, 1997). Ubiquitous and harmful, fungal particulate pollution is implicated in the occurrence of many diseases including immuno-allergic diseases. In the context of the monitoring of the microbiological quality of air in indoor spaces, this thesis aims to provide first design elements of an individual diagnostic device dedicated to the exposure assessment of allergenic bio-contaminants focusing in particular on airborne fungal pollution. This research relies on the technical and scientific expertise of CSTB, ESIEE Paris and Université Paris-Est for fungal detection, miniaturization of measurement instrumentation and aerosol physics. Thus, this work is built around a system architecture based on three main elements: the capture and selection of particles according to their surface physical and chemical properties, the particles mass quantification and the identification of the nature of the particle using chemical analysis. These elements relate to many topics covered during the thesis work. In this way, the first topic consists in studying the adhesion of conidia to surfaces to better understand the determinants of this physical phenomenon and evaluate the energies involved. Subsequent results were used during a second stage of this work, to design a MEMS-type silicon microbalance considering the particle-resonator interaction. By this mean the issue was to solve some scientific challenges identified in the literature, such non-uniform sensitivity over the entire device surface or nonlinear frequency responses due to the added mass. Such an approach has also allowed evaluating the performance expected for such sensors. The last aspect of this research focused on the identification of biological airborne particles chemically combining pyrolysis of biological entities of interest, and gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS). On this occasion, a collaborative work engaged with the "Réseau National de Surveillance Aérobiologique" allowed to experience the technological solution and our methodology since another class of particles was considered: pollens. The analysis of volatile organic compounds obtained from Py-GC/MS characterization of micro-fungi and pollens demonstrated the existence of a specific chemical signature for each biological particle class. Thereafter, it was then possible to establish a variety of chemical markers lists for phyla and different species of the contaminants studied. The relevance of these markers has been further tested in an in-situ assay

L’assemblage des satellites dans des salles propres est actuellement surveillé, afin de garantir leur fiabilité, via des compteurs optiques de particules qui indiquent la quantité de particules par volume d’air prélevé dans la salle. Cependant, pourquoi mesurer la quantité de particules qu’il y a dans l’air alors que c’est la propreté des surfaces qui est importante ? La complexité des phénomènes de transport et de sédimentation des particules rend la simulation, la prédiction ou la prévention de ces phénomènes particulièrement difficile. L’objectif de cette thèse, qui s’est déroulée au Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), est de proposer une méthode de mesure de la contamination particulaire locale et surfacique. Deux axes sont privilégiés dans ce but. En premier lieu, une évaluation des phénomènes de contamination et des moyens de mesure existants est proposée en abordant les spécificités du domaine du spatial. Les études théoriques et expérimentales rassemblées dans ce mémoire et le bilan des interrogations restantes tracent un portrait clair de l’état des connaissances actuelles dans ce domaine. Cet état de l’art amène à la définition d’un besoin pour la première fois clairement exprimé. Un tour d’horizon des moyens métrologiques s’appuyant sur cette évaluation préalable permet d’étudier avec précision les possibilités de développement d’un capteur. Finalement, cette thèse démontre que l’objectif de mesure de particules de 1 µm avec un moyen actif et en temps-réel est atteint avec une méthode de détection optique par transmission du signal lumineux. En second lieu, cette thèse s’attache donc aux caractéristiques du capteur dont les spécifications ont été étudiées et précisées en première partie. Si le développement du capteur est encore au stade initial, les perspectives de valorisation industrielle sont clairement établies. Ce mémoire s’appuie donc sur une recherche de fond sur la théorie de la contamination particulaire et les phénomènes physiques d’interaction entre les particules et leur environnement pour définir une méthode de mesure optique fiable, validée par la simulation, et faisant l’objet d’un dépôt de brevet. / The assembly of the satellites in clean rooms is currently monitored, in order to guarantee their reliability, via optical counters of particles which indicate the quantity of particles per volume of air in the room. However, why measure the quantity of particles in the air whereas it is the cleanliness of surfaces which is important? The complexity of the phenomena of transport and sedimentation of the particles makes the simulation, the prediction or the prevention of these phenomena particularly difficult. The objective of this thesis, which proceeded at the Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), is to propose a method of measurement of the local and surface particulate contamination. Two axes are privileged to this end. Initially, an evaluation of the phenomena of contamination and existing methods of measurement are proposed by approaching space field specificities. The theoretical and experimental studies gathered in this memory and the assessment of the remaining interrogations trace a clear portrait of the state of current knowledge in this field. This state of the art brings to the definition of a need for the first time clearly expressed. A review of the metrological methods being based on this preliminary evaluation makes it possible to study with precision the possibilities of development of a sensor. Finally, this thesis shows that the goal of active and real-time measurement of particles of 1 µm is achieved with a method of optical detection by transmission of the light signal. In the second place, this thesis attempts to describe the characteristics of the sensor whose specifications were studied and specified in first part. If the development of the sensor is still at the initial stage, the prospects for industrial valorization are clearly established. This memory is thus based on a background research on the theory of the particulate contamination and the physical phenomena of interaction between the particles and their environment to define a method of optical measurement reliable, validated by simulation, and being the object of a patent filling.

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées. / This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'améliorer la sensibilité d'un micro-récepteur RMN implantable, utilisé dans le cadre de la micro-spectroscopie localisée in vivo. Dans la première partie de cette thèse, nous avons réexaminé la fabrication et modélisation de ce micro-récepteur par rapport à sa sensibilité. Parmi les deux procédés de fabrication proposés (électrodéposition du micro-récepteur avec un underpass sur un substrat de silicium et de verre), nous avons retenu celui-qui nous a permis d'obtenir les meilleures performances en termes de facteur de qualité. Les prototypes fabriqués avec ce procédé ont été caractérisés à l'aide d'un modèle que nous avons développé, basé sur une équation à coefficients polynomiaux. Ceux-ci ont été établis à partir de la simulation du layout du capteur et ont été réajustés en fonction des mesures. Ce modèle polynomial nous a conduits à un circuit équivalent du micro-récepteur, permettant d'approfondir l'étude de son comportement électrique en radio fréquences. La deuxième partie de ce travail est développée autour de l'association d'un amplificateur faible bruit (LNA) au plus près du micro-récepteur, afin d'améliorer sa sensibilité. Nous avons analysé l'état de l'art de l'amplification de micro-bobines RMN ainsi que l'interaction électromagnétique entre un circuit intégré et l'environnement RMN. En partant de cette analyse et des contraintes à remplir par le circuit d'adaptation (en termes de transmission de puissance, gain en tension et adaptation faible bruit), nous avons proposé un circuit d'amplification locale permettant d'améliorer la sensibilité du capteur. Nous avons validée notre démarche par simulation (avec notre micro-récepteur) et nous avons vérifié l'intérêt de celle-ci en RMN (avec une bobine de surface). Les résultats de ce travail nous ont permis d'établir des solutions concrètes pour atteindre la sensibilité nécessaire à nos applications / The aim of this thesis is to improve the sensitivity of an implantable micro NMR sensor, dedicated to the in vivo local micro-spectroscopy. In the first part of this thesis, we re-examined the design and modeling of this micro-sensor according to its sensitivity. We proposed two micromachining processes (electrodeposition of the micro-sensor with an underpass on a silicon and glass substrate) and we kept the one allowing the higher quality factor. The prototypes made with the chosen process were characterized thanks to a model that we developed, based in an equation with polynomial coefficients. These coefficients were determined from the layout of the sensor and were adapted to match the measurements. From this polynomial model, we proposed an equivalent circuit of the micro-sensor to have a better knowledge of its electrical behavior at high frequencies. The second part of this work is about the closer association of a low noise amplifier (LNA) with the micro-sensor to improve its sensitivity. We analyzed the state of art on the amplification of NMR micro-coils and the electromagnetic interaction between the integrated circuits ant the NMR environment. From this analysis and the conditions of the matching network (power transmission, voltage gain and low noise matching), we proposed a local amplification circuit achieving the sensitivity improvement of the sensor. This approach was validated by simulation (with our micro-sensor) and verified in an NMR system (with a surface coil). The results of this work allow us to set practical solutions to reach the required sensitivity of our applications

Dans un contexte où les besoins en capteurs de gaz sont de plus en plus importants, en particulier pour la métrologie de l'environnement, il est proposé dans ce travail la réalisation de guides d'onde droits, de guides spirales, de jonctions Y,…, éléments indispensables pour la fabrication de micro-capteurs optiques infrarouges. La réalisation de ces différents éléments, par empilement et gravure de couches amorphes du système ternaire Ge-Se-Te, a nécessité en premier lieu l'étude du dit système. Des couches minces Ge-Se-Te de compositions très différentes ont été déposées par co-évaporation thermique, puis caractérisées en termes d'homogénéité, stabilité thermique, gap optique et indice de réfraction. L'évolution des propriétés en fonction de la composition a ensuite permis de mettre en évidence un domaine de compositions du système Ge-Se-Te particulièrement attractif : dans ce domaine, correspondant aux compositions riches en sélénium (plus de 55 % atomique) et contenant entre 20 et 30 % de germanium, les couches sont en effet monophasées, caractérisées par des températures de transition vitreuse élevées, une grande stabilité thermique, et un domaine de transparence s'étendant de 1 à 16 µm environ. Dans ce domaine de compositions, deux d'entre elles ont été choisies, Ge25Te10Se65 et Ge25Te20Se55, et utilisées pour fabriquer différents circuits d'optique intégrée. Les éléments les plus simples, à savoir des guides d'onde canaux, ont été réalisés en déposant successivement deux couches (Ge25Te10Se65 puis Ge25Te20Se55) sur un substrat silicium, puis en modifiant la géométrie de la couche supérieure d'indice de réfraction plus élevé par usinage ionique, de sorte à obtenir un confinement bidimensionnel de la lumière. Les pertes de propagation de ces guides ont été estimées à 1 dB.cm-1 à la longueur d'onde 1,55 µm. D'autres éléments plus complexes ont ensuite été fabriqués : des guides d'onde courbes pour lesquels les propriétés de guidage ont été obtenues quel que soit le rayon de courbure, des guides spirales ayant donné lieu à un bon guidage de la lumière, des jonctions Y caractérisées par une division satisfaisante de l'intensité lumineuse, ainsi que des interféromètres de type Mach-Zehnder en sortie desquels la lumière a été correctement recombinée. / In a context where the needs for gas sensors are increasingly important, especially for environmental metrology, it is proposed in this work to achieve straight waveguides, spirals, Y-junctions, ..., elements essential for the fabrication of infrared optical micro-sensors. The realization of these elements, by stacking and etching of amorphous thin films from the Ge-Se-Te ternary system, first required the study of this system. Ge-Se-Te thin films of very different compositions were deposited by thermal co-evaporation and characterized in terms of uniformity, thermal stability, optical band gap and refractive index. The evolution of the film properties with the composition was then used to highlight a particularly attractive area of compositions in the Ge-Se-Te system: in this domain, corresponding to compositions rich in Se (more than 55 atomic %) and containing between 20 and 30 atomic % in Ge, the layers are indeed single-phase, characterized by high glass transition temperatures, high thermal stability, and a transparency window extending from 1 to about 16 microns. In this composition region, two of them were selected, Ge25Te10Se65 and Ge25Te20Se55, and used to realize different integrated optics circuits. The simplest elements, which are channel waveguides, were made by depositing successively two layers (Ge25Te10Se65 then Ge25Te20Se55) on a silicon substrate, and then by modifying the geometry of the higher refractive index top layer by ion beam etching, so as to obtain a two-dimensional confinement of light. Propagation losses of these straight waveguides were estimated at 1 dB.cm-1 at the 1.55 µm wavelength. Other more complex elements were then fabricated: S-bent waveguides for which the guiding properties were obtained whatever the curvature radius, operational spiral waveguides, Y-junctions able of a satisfactory division of the light intensity, and Mach-Zehnder interferometers at the output of which the light was successfully recombined.

Parmi les nombreuses problématiques liées à la PEMFC, l'eau est un point crucial car elle est à la fois indispensable et indésirable dans le coeur de pile. En effet, les flux gazeux qui alimentent le système en réactifs sont humidifiés pour que la membrane soit convenablement hydratée afin de faciliter le transport des protons de l'anode vers la cathode. Mais à cet apport initial vient s'ajouter l'eau produite par la réaction électrochimique. Des gouttes d'eau liquide peuvent alors se former dans les pores des couches actives et peuvent grossir jusqu'à boucher les canaux des plaques d'alimentation en gaz. Ce travail de thèse est centré sur l'étude des écoulements gaz-liquide dans ces canaux, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre du millimètre. Dans un premier temps, des micro-capteurs ont été mis au point pour détecter la présence d'eau liquide. Après une phase de tests en maquette froide, ces micro-capteurs ont été insérés dans une cellule de 25 cm2 de surface active, identique à celles étudiées au LRGP. Ceci a permis de montrer que dans une pile en fonctionnement, les fluctuations de tension sont liées à la présence d'eau liquide. Par ailleurs, des corrélations existantes ont été utilisées pour prédire les pertes de charge engendrées par la présence de deux phases dans les mini-canaux. Ces calculs ont été comparés aux mesures expérimentales, mettant en évidence l'influence de la couche de diffusion des gaz, située entre les canaux et la membrane, et l'importance des conditions opératoires.Ces méthodes originales viennent compléter les outils de diagnostic existants sans demander d'appareillage complexe et coûteux, ni nécessiter le développement de matériel spécifique, non optimisé pour une utilisation commerciale / Water management is a critical issue in the operation of proton exchange fuel cells (PEMFC). On one hand, the membrane must be sufficiently hydrated to allow the transport of protons from the anode side to the cathode side. But on the other hand, supersaturation of water vapour in the gas phase results in liquid water formation, which can be detrimental to the fuel cell operation. Liquid water can clog up the porous structure of the gas diffusion layer (GDL) and hinder the transport of gases in the catalyst layer. Liquid accumulation can also lead to the formation of water columns inside the gas flow channels, thus preventing the fuel gas from flowing into the reaction area.Micro-sensors have been designed to detect the presence of liquid water. Three of them were inserted inside the gas distribution channels of a 25 cm2 cell. The tests run with this equipped cell highlighted the link between the presence of liquid water and the variations of the cell voltage. Besides, existing correlations were used to calculate the pressure drop between the inlet and the outlet of the cathode channel due to two-phase flow during the cell operation. The results of this calculation were compared with experimental results. This part of the study highlighted the influence of the GDL and of the operating conditions on the flows inside the channels