Les systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) sont des dispositifs de tailles nanométriques composés de structure mécaniques mobiles et de circuits électroniques. Ils intègrent des fonctions électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Leurs but est de détecter une certaine quantité physique et de le convertir dans un signal électrique mesurable. Les structures mécaniques mobiles des NEMS sont principalement constituées par des nano-poutres en silicium, des nano-leviers, des nanotubes de carbone et des nano-fils. Un changement dans l'environnement entraîne un changement dans leurs propriétés mécaniques et électriques (amplitude de mouvement, la fréquence de résonance, facteur de qualité etc.). Cette variation est convertie par des transducteurs appropriés dans un signal électrique. Ces dispositifs permettent la collecte d'informations environnementales comme le changement de température, de pression, de masse et de force. Des capteurs plus performants sont réalisés grâce à leurs ultra-petites masses, hautes fréquences de résonance (10Mhz-1Ghz), grands facteurs de qualité et une faible consommation. Les NEMS permettent une large gamme d'applications potentielles. Ils sont envisagés pour être utilisé dans des applications de détection de force ou de masses ultra-petites, par exemple dans des capteurs chimiques ou biologiques. Malgré, les grands avantages offerts par les NEMS, il n'existe pas encore une technique bien établie pour détecter efficacement le signal électrique généré par le déplacement mécanique de ces nanostructures. Le défi technologique le plus important dans le fonctionnement de ces systèmes est la détection efficace du déplacement nanométrique à des fréquences élevées. L'efficacité de la transduction détermine les performances des dispositifs et fixe leurs limites. L'objectif de cette thèse est orienté sur la résolution de ce problème majeur. La recherche est spécialement conduite sur le développement d'une technique de détection à base de nano-fils pour la transduction du déplacement nano-mécanique dans un signal électrique. Les travaux présentés dans cette thèse ont été organisée autour de trois axes principaux: La première partie vise à évaluer et comparer théoriquement les différents systèmes d'actionnement et de détection de NEMS à base de nano-fils afin de choisir celle qui présente le plus grand gain de transduction et le rapport signal/fond (SBR). Cette approche est cruciale, car ces résultats vont décider la poursuite de nos recherches et les techniques à mettre en œuvre. Ce travail est la base de départ avant de passer au développement. La deuxième partie est dédiée à la fabrication de dispositifs NEMS et à la mise en œuvre d'un système d'actionnement et de détection du mouvement mécanique à des fréquences jusqu'à 100 MHz. Cette étape nous permet de continuer avec l'évaluation expérimentale de l'efficacité de transduction. La troisième partie est centrée sur la caractérisation expérimentale de l'efficacité de transduction. Les paramètres centraux qui vont être explorées sont : le gain de transduction, le rapport signal à fond, le rapport signal sur bruit (SNR), la fréquence de résonance des dispositifs, le facteur de qualité, le déplacement et la résolution ultime de masse. Ces résultats expérimentaux sont d'une grande importance car ils sont utilisés pour confirmer les attentes et valider les analyses théoriques. Enfin, ces résultats sont comparés avec ceux donnés par l'état d'art, afin de mettre en évidence le progrès et la contribution dans ce domaine.

Avec la miniaturisation des composants et l'ajout de nouveaux matériaux de grille, notamment les métaux et les oxydes high-k, il est de plus en plus difficile de développer des procédés de gravure plasma permettant de maintenir un bon contrôle dimensionnel. L'objectif de ce travail de thèse est de déterminer une stratégie de gravure qui permette de graver un empilement polysilicium/TiN/Mo/HfO2 tout en satisfaisant les exigences dimensionnelles des noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. Dans une première partie nous avons étudié la gravure du polysilicium par des plasmas de SF6/CH2F2(CHF3)/Ar et avons comparé les résultats à ceux obtenus avec des plasmas de HBr/Cl2/O2. Nous avons acquis une connaissance fine des mécanismes de gravure mis en jeu, notamment les mécanismes de passivation. Nous avons ainsi pu développer un procédé de gravure anisotrope et montrer que les plasmas fluorocarbonés présentent plusieurs avantages pour le contrôle dimensionnel. Dans une deuxième partie nous avons étudié la gravure du nitrure de titane et du molybdène en veillant à ne pas endommager les éléments de la grille déjà gravés ni la couche d'oxyde high-k sous jacente. Suite à ces études, deux stratégies de gravure se sont imposées : le TiN doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2 tandis que le Mo doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2/O2. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié les problèmes liés à la rugosité de bord de ligne dans un empilement résine 193nm/carbone amorphe/polysilicium. Nous avons montré que la rugosité présente initialement dans le motif de résine se transférait dans le motif de polysilicium final et que les étapes de gravure du masque dur et du polysilicium avaient une influence faible. Nous avons également examiné l'influence sur la rugosité de deux procédés plasmas appliqués à la résine : le procédé de « resist trimming » et le procédé de « cure ».

Les besoins en puissance de calcul des processeurs sont en constante augmentation en raison de l'importance croissante des applications multimédia dans la vie courante. Ces applications requièrent de nombreux calculs avec des données de faible précision généralement issues des pixels. Le moyen le plus efficace pour exploiter le parallélisme de données de ces applications est le parallélisme dit de sous-mots (SWP pour \textit{subword parallelism}). Les opérations sont effectuées en parallèle sur des données de faible précision regroupées ce qui permet d'utiliser au mieux les ressources disponibles dimensionnées pour traiter des mots. Dans cette thèse, la conception de différents opérateurs SWP pour les applications multimédia est proposée. Une bonne adéquation entre largeur des sous-mots et largeur des données manipulées permet une meilleure utilisation des ressources et conduit ainsi à améliorer l'efficacité de l'exécution de l'application sur le processeur. Les opérateurs arithmétiques de base développés sont ensuite utilisés dans un opérateur SWP reconfigurable. Ce dernier peut être configuré pour effectuer diverses opérations multimédia avec différentes largeurs de données. L'opérateur reconfigurable peut être utilisé comme unité spécialisée ou comme co-processeur dans un processeur multimédia afin d'en améliorer les performances. La vitesse interne des différentes unités de traitement est également améliorée en représentant les nombres en système redondant plutôt qu'en système binaire. Le système redondant permet entre autre d'augmenter la vitesse des opérations arithmétiques en évitant une propagation de retenue couteuse lors d'opérations d'addition. Les résultats obtenus montrent l'intérêt en terme de performances d'utiliser des opérateurs SWP lors de l'exécution d'applications multimédia.

A large part of the activities described in what follows circle around a small number of questions: what is downscaling bene cial to in sensing? What is the technical and scienti c price one has to pay for downscaling? From a general point of view and at a very di erent scale, those are considerations close to the ITRS roadmap for More Moore in the MOS eld, and the tremendous research e orts and scienti c challenges demanded by the continuity of the Moore's law. Although the sensing eld may be included in the so-called More-Than-Moore movement, its evolution has been much less formalized than its MOS counterpart. This document will try to show how my activities modestly contributed to this dispersed e ort. As an introduction, a rst study will be brie y described in this chapter, study which was seminal for those activities as well as which of the group. A number of scienti c issues appear along this study: device physics, device structure, transduction, noise modelling, non-linearities. It is a good way to introduce how the document is structured: this is the work of a team, and the at least partially chronological order is nothing but a logical way to describe how this work have been part of the evolution of a team's work.

Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylamide nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques.

Ce travail de recherche porte sur le développement d'une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d'agents pathogènes présents dans l'eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l'emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d'extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l'aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l'échelle de la centaine de micromètres permettent d'envisager le développement d'une plateforme microfluidique complète d'analyse du pouvoir infectieux d'agents pathogènes du genre Cryptosporidium.

Le domaine THz connaît un extraordinaire essor depuis la fin des années 1980. Néanmoins, la conception de sources puissantes (>10 mW) est difficile et celles-ci restent souvent massives et volumineuses. Aujourd'hui, les recherches portent donc sur le développement de sources compactes utilisant des techniques de l'électronique solide, de l'optique ou de l'électronique sous vide. Ce travail considère un tube électronique associé à une cathode froide pré-modulée. Celle-ci se compose d'un réseau de nanotubes de carbone verticaux permettant d'extraire les électrons sous faible champ. Ce réseau de nanotubes est intégré sur un réseau de surface métallique permettant de coupler le battement THz d'un laser bifréquence aux électrons par l'intermédiaire de plasmons de surface. L'étude porte sur le développement du réseau métallique et sur la compréhension des propriétés électroniques de cette nouvelle cathode. Ces axes de travail ont notamment mené à la fabrication de réseaux fonctionnels, à la quantification de la divergence du faisceau électronique et à la mise au point d'une technique de recuit des nanotubes par laser impulsionnel. Concernant la fabrication de cette nouvelle cathode, une solution technologique a été développée en compatibilité avec la croissance haute température des nanotubes (>500°C). La maîtrise des techniques développées durant ce travail devrait conduire à la modulation THz de faisceaux électroniques et plus généralement à l'amélioration des sources électroniques actuelles ou des appareils intégrant des réseaux de surface.

La numérisation de plus en plus rapide de signaux à très large bande-passante permet aujourd'hui d'envisager de nombreuses applications pour les systèmes de télécommunication, les mesures expérimentales ou les systèmes radar. Les signaux issus des capteurs peuvent être analysés directement, en évitant la conversion en fréquences intermédiaires. Dans ce travail, nous nous intéressons plus particulièrement au système d'échantillonnage pour des applications radar, qui nécessitent une amélioration significative de la résolution des systèmes existants. L'objectif que nous visons inclus les spécifications suivantes : une fréquence d'échantillonnage de 40 GEch/s, une bande-passante supérieure à 15 GHz et une résolution de 10 bits effectifs à 8 GHz. Partant des excellents résultats obtenus sur les architectures mono-coup à entrelacement temporel, nous avons choisi d'adapter leur principe à un fonctionnement répétitif. Nous avons aussi choisi de baser cette étude sur la technologie TBH sur InP car elle présente les meilleures potentialités pour notre application. Deux éléments de base de ces systèmes ont fait l'objet d'une optimisation particulière pour améliorer la résolution du système : l'inverseur pour minimiser le jitter et l'échantillonneur-bloqueur, principalement pour améliorer la linéarité. Partant de ces résultats, trois architectures innovantes ont été proposées. Pour chacune nous avons conçu un système dont nous avons simulé les performances

Les capteurs de gaz à oxydes semi-conducteurs actuels reposent souvent sur des structures peu stables dans le temps et présentent toujours une faible sélectivité aux gaz. Ainsi ce travail détaille le développement de microcapteurs de gaz dits de "nouvelle génération". Les différents éléments qui composent ce type de dispositif ont été étudiés et améliorés. En particulier, une nouvelle plateforme chauffante à résistance en platine a été développée en s'appuyant sur une simulation numérique basée sur la méthode des éléments finis. Le bon contrôle des procédés technologiques a permis la mise au point d'une filière technologique multi-capteur associant quatre cellules sur une puce. Une couche sensible de WO3 a pu être intégrée à ce dispositif et les caractérisations électriques et thermographiques ont permis de valider le fonctionnement et la très bonne stabilité de ces structures. Des tests préliminaires en ambiance gazeuse contrôlée ont permis de montrer de bonnes performances globales en termes de sensibilité et de sélectivité. Ce travail constitue une première étape encourageante pour la réalisation d'un nez électronique intégré.

Le but principal de ce travail de thèse est de proposer un matériau précurseur d'oxydes métalliques (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible avec la technique de photolithographie interférentielle DUV. Des oxoclusters de métaux (MOC) de transitions obtenus par complexation d'un ligand organique et hydrolysé partiellement ont été proposé comme briques élémentaires pour construire ces nanostructures. Le recours à des longueurs d'onde DUV (193 nm) permet d'exciter directement les MOC, ce qui conduit à une réticulation photoinduite, et confère à la résine un caractère de photoresist négatif. Une étude spectroscopique détaillée a permis de proposer un mécanisme de photoréticulation. Cette étude s'est appuyée essentiellement sur des techniques de suivi in situ de la réaction photochimique, par ellipsométrie spectroscopique et RT-FTIR. La nanostructuration a été effectuée essentiellement par lithographie interférométrique DUV (DUV-IL) à 193 nm et étendue à la stéréolithographie biphotonique. La DUV-IL a été choisie pour son potentiel d'écriture de nanostructures sur des surfaces relativement importantes, dans des conditions standard d'atmosphère et température. De plus, dans le cas des TiOC, les nanostructures peuvent être rendues inorganiques à température ambiante par un traitement photochimique supplémentaire. Dans le cas de ZrOC et HfOC, une étape supplémentaire de recuit thermique permet d'obtenir une structure de type MO2 cristallisée.