Ces travaux de thèse ont pour but de mettre en œuvre un capteur de plomb à base de nanostructures de silicium polycristallin. L'étude physique des structures de type nanorubans ou nanofils de silicium polycristallin a montré que ces derniers possèdent de faibles qualités cristallines mais des propriétés électriques suffisantes pour être utilisées comme éléments sensibles d'un capteur. Les nanorubans ont été fonctionnalisés par greffage spontané des sels de diazonium, capables de pré-concentrer des ions de plomb à la surface de la nanocouche. Cette fonctionnalisation a permis de détecter des traces de plomb, le capteur atteignant une limite de détection de 2.10-7 mol/L. Ces résultats montrent ainsi que la détection de plomb est possible avec des nanostructures de silicium polycristallin dont le procédé de fabrication est relativement bon marché. Le développement d'un transistor gate-all-around (GAA) à base de nanofils de silicium polycristallin est proposé dans cette thèse. Son utilisation avec deux grilles indépendantes a permis de caractériser électriquement et physiquement les nanofils de silicium polycristallin. Les caractéristiques électriques du transistor GAA sont par ailleurs encourageants pour une utilisation en tant que capteur pour diminuer la sensibilité et les limites de détection d'ions de plomb. / The aim of this research work is to implement a lead ions sensor based on polycrystalline silicon nanostructures. This material has been intensively studied by electrical and physical characterization. This study showed that structures such as polysilicon nanoribbons or nanowires have poor crystalline quality but satisfying enough electrical properties to be used as a sensor sensible elements. Nanoribbons have been functionnalized by spontaneous grafting of diazonium salts that enable lead ions trapping at the surface of these nanoribbons. Thanks to the functionnalization, sensor reached a limit detection as low as 2.10-7 mol/L. These results prove that sensing lead ions is possible thanks to low-cost polysilicon nanostructures. Development of a gate-all-around transistor based on polycrystalline silicon nanowires is proposed in this manuscript. It could lead to increase sensibility of that type of microsensors.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre dun contrat Européen « Nanosensoflex » au sein du laboratoire LAAS-CNRS de Toulouse, qui visait à améliorer la technologie capteur et à optimiser la sélectivité grâce notamment à un nouveau mode opératoire associé à une nouvelle technique de traitement des réponses. Pour cela, nous avons démontré expérimentalement que la forme de la réponse transitoire de ces capteurs, au cours de variations très rapides de température, était fonction du mélange gazeux environnant de manière très reproductible. Aussi, nous avons pu définir un profil thermique adapté à la détection du CO dans le mélange de NO2 et propane. Il comporte 6 paliers de température compris entre 100°C et 500°C et nexcède pas au total 12s. Par la prise en compte des formes et temps associés issus des réponses normalisées dun capteur et dune méthode multifactorielle, nous avons discriminé chaque mélange gazeux et quantifier le CO entre 1 et 200 ppm indépendamment du taux dhumidité.

Les travaux menés durant cette thèse ont abouti à la fabrication d'un microsystème fluidique de détection de gaz innovant portatif, bas coût et incluant un pompage thermique. Le microcapteur de gaz utilisé est inséré dans un microcanal. Un chauffage intégré permet au microcapteur de bien fonctionner. Il permet aussi la création du phénomène de thermal creep qui est à l'origine de l'écoulement du gaz à détecter le long du canal vers le microcapteur. Le gradient de température le long du canal et les dimensions sont des paramètres essentiels de l'étude.Des simulations microfluidiques et thermiques ont permis de définir les dimensions du microcanal ainsi que les matériaux les plus adéquats. Deux types de microsystèmes ont ensuite été réalisés. Le dispositif de chauffage intégré a été calibré afin d'étudier le gradient thermique réel. Une étude des performances du microcapteur sous ammoniac a été réalisée. Nous avons pu notamment déterminer la température optimale de détection. Puis des tests dans une cellule de détection ont été réalisés avec le microsystème complet. / My thesis work led to develop an innovative fluidic microsystem for gas detection. It is portable, cheap and has an integrated thermal pumping. The gas microsensor used is inserted into a microchannel. Its integrated heater allows the well detection. It also allows the creation of thermal creep phenomenon, which is at the origin of the gas flow along the channel which will be detected by the microsensor. The choices of both microchannel dimensions and the temperature gradient are the most important parameters. Thus, microfluidic and thermal simulations were performed to define the microchannel dimensions and the most suitable materials natures. Two microsystems were processed with clean room technologies. The integrated heater was calibrated to study the real thermal gradient. A study of the performance of the microsensor was performed under ammonia. We could include determining the optimal temperature sensing. Then the microsystem was studed using in a special detection cell.

Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts. / Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

La capacité à détecter des micro-défauts ou des défauts profonds dans les pièces métalliques constitue un enjeu important pour l'industrie de l'aéronautique ou du nucléaire. La technique de contrôle non destructif (CND) par courant de Foucault est souvent utilisée pour cette application. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d'une collaboration ayant pour but la réalisation et l'intégration de micro-capteurs de champ magnétique basés sur l’effet de magnéto-impédance (MI) à des systèmes de détection par CND. Ces micro-capteurs de structure multicouche (ferromagnétique/conducteur/ferromagnétique) ont été élaborés en salle blanche par dépôt de films minces. Un traitement thermique sous champ magnétique a ensuite permis d’optimiser les propriétés du matériau et d’induire des anisotropies dans le plan des couches ferromagnétiques. Une méthode basée sur la double démodulation d’amplitude du signal de mesure a été proposée pour la caractérisation dynamique des capteurs. Les paramètres importants tel que la géométrie, l’anisotropie et la fréquence d’excitation ont été étudiés afin d’optimiser les caractéristiques. Les résultats ont montré la nécessité de polariser les capteurs en champ. Nous avons donc étudié la possibilité de réaliser, grâce à une technique de micromoulage épais, un microsolénoïde 3D et des travaux préliminaires sur l’intégration d'un capteur dans le microsolénoïde par transfert de film ont été effectués. Enfin, une étude théorique a été réalisée en tenant compte des résultats obtenus expérimentalement. Pour cela, le modèle de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) a été implanté dans un code de calcul électromagnétique par éléments finis permettant de calculer l’impédance du capteur en fonction du champ magnétique appliqué. / The capability to detect micro-defects or buried flaws in the metallic parts is an important issue for the aerospace or nuclear industry. The technique of nondestructive testing (NDT) by eddy current is widely used for these applications. This thesis is part of collaboration project aimed at the realization and integration of magnetic field microsensors based on the magneto-impedance (MI) effect for the NDT detection systems. These multilayered structure microsensors (ferromagnetic/conductor/ferromagnetic) were realized in the clean room by thin film deposition method. A post-annealing step with magnetic field was then used to optimize the material properties and to induce magnetic anisotropy in the ferromagnetic layers. A method based on the double amplitude demodulation was proposed for the dynamic characterization of the sensors. The important parameters such as the geometry, the anisotropy and the driven frequency were studied in order to optimize the characteristics. The results showed that a bias field is necessary for the application. Therefore, we have investigated the possibility to realize, through thick micromoulding technique, a 3D microsolenoid and preliminary work on integrating a sensor in the microsolenoid by film transfer has been carried out. Finally, a theoretical study was investigated by taking into account the results obtained experimentally. For this purpose, the model of Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) has been implemented in an electromagnetic finite element calculation program in order to determine the impedance of the sensor as a function of the applied magnetic field.

Le travail de la thèse présente une série de (bio)capteurs conductimétriques, à base de la clinoptilolite, pour la détermination de l’ammonium, de l’urée et de la L-arginine. La clinoptilolite, le matériau nanométrique, possédant des propriétés de la sorption intrinsèque et une capacité d’échange cationique vis-à-vis des espèces ammonium, a été d’abord utilisée pour la réalisation d’un microcapteur conductimétrique sélectif à NH4+. Ci-après, une application de ce nanomatériau dans les biocapteurs est favorable pour le fonctionnement dans les solutions tampons multicomposants. Parmi plusieurs variantes de biocapteurs à l’urée à base de la zéolite, la plus intéressante est le biocapteur, dans lequel la couche de la clinoptilolite, déposée sur le transducteur, a été recouverte par le dépôt de la couche de l’uréase et de la zéolite. Pour l’élaboration d’un biocapteur conductimétrique hautement sensible pour la détermination de la L-arginine, l’arginase et l’uréase ont été co-réticulées sur le transducteur. Une détermination quantitative de la L-arginine dans une solution buvable « Arginine Veyron » a montré un fort accord avec les données fournies par le producteur. Une procédure détaillée de l’optimisation du biocapteur conductimétrique pour la détection de la L-arginine dans le sérum bovin a été proposée. La clinoptilolite a été également appliquée comme un modificateur dans la co-immobilisation de l’arginase et l’uréase pour améliorer les caractéristiques analytiques de biocapteur conductimétriques pour la détermination de la L-arginine / Currentwork presents a serie of conductometric (bio)sensors based on clinoptilolite, for ammonium, urea and L-arginine determination. Clinoptilolite, a nanoscale material possessing exceptional sorption and cation-exchange properties toward ammonium species, was initially used for the development of NH4+-selective conductometric microsensor. The clinoptilolite-based microsensor was selective toward ammonium in the presence of interferences that are commonly found along with ammonium in natural waters. Hereafter, an application of this nanomaterial in biosensors is favorable for operation in multicomponent buffer solutions. Among the several variants of the urea biosensors based on zeolite, considerably better characteristics were obtained for the biosensor comprising a clinoptilolite adlayer and an upper layer of immobilized urease and zeolite. In the work, for first time was developed a highly sensitive conductometric biosensor for L-arginine determination based on arginase and urease co-immobilized in a single membrane. The results of a quantitative determination of L-arginine in a drinkable solution “Arginine Veyron”, obtained by the biosensor, were in high correlation with the data provided by the producer. The L-arginine conductometric biosensor was optimized for the serum analysis. Clinoptilolite was also applied as a modifier in co-immobilization of arginase and urease for the improvement of analytical characteristics of the conductometric biosensor for L-arginine determination

La protection de nombreux capteurs de pression en milieux hostiles se résume souvent en un boitier métallique hermétique rempli d’huile enveloppant la puce. La pression agit alors sur une membrane métallique qui agit sur la puce par l’intermédiaire de l’huile jugée incompressible. Cette encapsulation présente des difficultés de réalisation non négligeables et surtout une limitation des capteurs en température. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent une encapsulation au niveau wafer du capteur de pression. L’idée principale est d’intégrer la protection de la puce dans le processus de fabrication sur wafer. L’intérêt est alors d’obtenir une protection réalisée de manière collective, réduisant ainsi drastiquement les coûts de production. De plus, une encapsulation au niveau wafer offre la possibilité de réduire considérablement les dimensions du capteur tout en le gardant résistant. La suppression d’éléments intermédiaires telle que l’huile entre la pression et la puce en elle même permet enfin d’espérer des applications possibles à température plus élevée. Une fois l’encapsulation réalisée au niveau wafer, il est nécessaire de réaliser le packaging de premier niveau. Le packaging de premier niveau offre un support à la puce, ce qui la rend manipulable et testable, tant par ses dimensions que par la présence de connexions électriques. L’assemblage au niveau wafer et de premier niveau constituent donc les deux niveaux de packaging qui peuvent avoir une influence directe sur le comportement de la puce.Au niveau de l’encapsulation de niveau wafer, trois techniques d’assemblage (wafer bonding) ont été analysées : le scellement anodique, le scellement eutectique et le scellement direct. Le scellement anodique est la technique la plus éprouvée pour assembler un wafer de verre sur un wafer de silicium. Le scellement eutectique représente une technique moins commune mais offrant l’intérêt d’utiliser deux wafers silicium, limitant la différence de dilatation thermique entre les deux wafers et permettant d’usiner plus facilement le wafer d’encapsulation. Enfin la technique du direct bonding donne l’opportunité d’éviter d’utiliser une couche intermédiaire métallique entre les deux wafers, à condition d’avoir deux surfaces à assembler très propres et de très bonne qualité. La technique de soudure anodique a permis de livrer les capteurs qui ont pu confirmer l’intérêt des capteurs WLP pour des applications hautes températures. Les techniques silicium-silicium ont été évaluées mais n’ont pas donné lieu à des capteurs WLP testables.Au niveau de l’encapsulation de niveau un, la technique de Flip-Chip à été utilisée pour reporter la puce sur son support. Cette technique consiste à retourner la puce et l’assembler par thermocompression. Les plots de connexions de la puce pour cet assemblage ont pu être réalisés par ball bumping. Des cycles en température (-55°C à +125°C ou 150°C) ont pu être réalisés sur les puces scellées par scellement anodique. L’erreur totale en précision de ces capteurs WLP est du même ordre que les capteurs Auxitrol actuels avec une compensation numérique. Le principal atout des capteurs WLP est une non-linéarité de l’offset en température divisée par deux. Cette caractéristique est importante dans le cas où l’on utilise une compensation analogique qui peut résister à des températures plus élevées que la compensation numérique. Les capteurs WLP offre donc l’opportunité d’avoir des applications au-delà de 200°C, chose alors jusqu’alors prohibée par l’utilisation de l’huile / Protection of most of the pressure sensors working in harsh environment consist in oil filled metallic unit including the sensor die. In that case, pressure is applied on a metallic membrane moving the silicon membrane of the die across an incompressible fluid. The main drawbacks of the standard encapsulation are a complex fabrication process and most of all a sensor limitation in high temperatures. The topic of this PhD thesis is about wafer-level packaging (WLP) of the pressure sensor. The main idea is to integrate the die protection in the fabrication process at wafer level. Advantage is to obtain a collective protection fabrication reducing production costs. Moreover, a wafer-level encapsulation allows a possible reduction of sensor dimensions keeping it reliable. Removing intermediary elements allows also high temperature applications. Once encapsulation realised on the wafer, it is necessary to build the first-level packaging. First-level packaging makes the die usable in terms of electrical connection and dimensions. Wafer and first-levels are both packaging levels with important impact on the die behaviour.At wafer-level packaging, three wafer bonding technologies have been investigated: anodic bonding, Au-Si eutectic bonding and direct bonding. Anodic bonding is the most known technology to assemble a glass wafer with a silicon wafer. Eutectic bonding represents a promising technique to bond two silicon wafers allowing less CTE mismatch between wafers material and an easier micromachining of silicon instead of glass material. Direct bonding is also interesting to bond two silicon wafers, without using intermediary metallic layer but needing really clean surfaces to assemble. Anodic bonding process gave us the opportunity to deliver WLP sensors showing interest for high temperature applications. Silicon-Silicon technologies have been evaluated but did not give representative WLP sensors.At first-level packaging, the Flip-chip technology have been used for die attach. This technique consists in flipping the die and making the die attach by thermocompression with stud bumps on the die connection pads.Temperature cycling (-55°C to +125°C or more) have been realised on anodic WLP sensors. Accuracy total error of these WLP sensors is in the same order than standard Auxitrol sensors with digital compensation. the main advantage of the WLP sensors is a offset non-linearity in temperature divided by two. This characteristic is important in the case of analogical compensation that can resist to higher temperatures than digital compensation elements. In definitive, WLP sensors offer a good opportunity to have application over 200°C, prohibited at present with the presence of oil for standard Auxitrol sensor