Nous présentons ici un nouveau type de capteurs chimiques dont le principe repose sur la modification des propriétés mécaniques d'une micropoutre recouverte d'une couche sensible. L'adsorption d'espèces chimiques par cette couche modifie sa fréquence de résonance mais également sa courbure. La modélisation analytique des phénomènes physiques mis en jeu a permis l'optimisation de la géométrie des structures. Pour réaliser la mesure de la fréquence de résonance des micropoutres, celles-ci ont été insérées dans un oscillateur à contre-réaction. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence la diminution de la fréquence de résonance en fonction de la masse additionnelle lors des dépôts de la couche sensible. Enfin, des détections de vapeur d'éthanol ont été réalisées. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux modèles analytiques validant ainsi les mises en équation effectuées

Dans le but d'améliorer la limite de détection des capteurs chimiques à base de micropoutres, ces travaux ont permis de mettre en évidence différents moyens d'optimisation de ces capteurs.En ne se limitant pas à l'étude de la sensibilité et en incluant les notions de bruit de mesure, des règles de conception ont été établies. Ainsi, l'étude des pertes dans les micropoutres et l'étude de l'influence des propriétés viscoélastiques de la couche sensible sur ces micropoutres ont permis d'avoir une meilleure connaissance du bruit de mesure. Les modèles développés ont été confrontés à des essais de caractérisation et à des détections d'éthanol et de toluène. Les résultats obtenus ont permis de valider ces modèles et ouvrent donc la voie à une conception plus éclairée de ces capteurs chimiques.

Cette thèse concerne la construction d'un micro-rhéomètre. Il assure la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires des fluides complexes sur une large gamme de fréquence (de 1 Hz à 100 kHz). Afin de répondre à la problématique de mesure des propriétés rhéologiques de petites quantités de fluide pour des gammes de fréquence étendues, la dynamique en milieu liquide des microstructures résonantes en silicium a été analysée. A cette échelle micrométrique, les vibrations de micropoutres dépendent non seulement des propriétés de la microstructure (géométrie, matériaux) mais aussi des propriétés du fluide environnant (densité, viscoélasticité). En effet, de façon schématique, la présence du fluide se traduit par deux phénomènes : un phénomène d'inertie (‘effet de masse') et un phénomène dissipatif (‘effet de pertes visqueuses').<br />Ainsi l'analyse de la réponse fréquentielle des microstructures mobiles permet de remonter aux<br />propriétés des fluides en fonction de la fréquence.

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents : l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible ; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant.

Cette thèse traite de l'étude de microstructures (microsystèmes) pour la réalisation de microrelais électromagnétiques et magnétostrictifs. Ce travail se divise en trois parties. Dans un premier temps, une analyse bibliographique nous permettra d'introduire les microtechnologies et les microsystèmes. Ensuite, cette analyse se focalisera plus spécifiquement sur la problématique du microrelais. Dans une deuxième partie, nous aborderons la première solution étudiée : le microrelais magnétostrictif. Nous montrerons ici le fort potentiel des applications couches minces dans ce domaine, avec le dimensionnement d'un premier prototype. Cette étape passe par le développement d'un premier modèle analytique qui y est présenté. Enfin dans une troisième partie, nous traiterons de l'élaboration de microrelais électromagnétiques à application RF (fonction émission/réception des commutateurs de téléphones cellulaires). Ce travail se décompose en trois parties. Nous traiterons d'abord le dimensionnement mécanique des structures retenues, puis le dimensionnement magnétique (commande, circuit magnétique, etc.). Enfin nous présenterons les réalisations technologiques ainsi que la caractérisation mécanique des structures.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse. La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L’étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite « molle » (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L’approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d’une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l’extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d’un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l’interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu’au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en « U » ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l’applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité. / The study of viscoelastic properties has many industrial and academic applications related to "soft matter" like polymers, colloids, surfactants or proteins. The present approach measures these properties in a frequency range from 1 to 100 kHz. The method uses the measurement of the vibration of a microstructure actuated electromagnetically and immersed in the fluid that has to be characterized. The frequency response of the mechanical system, which is measured optically or electrically, is characteristic of the environment in which the structure is immersed in. An analytical method dedicated to microcantilevers for the extraction of the rheological properties has been improved during this PhD thesis.The analytical method developed requires the accuracy of a complex optical system for measuring without artifact the mechanical properties of microcantilever-liquid interaction. Thus opaque liquids cannot be characterized with this sytem. In addition, the measurement cannot easily be integrated. To overcome these difficulties and provide the measurement of viscoelasticity into opaque medium, some strategy was reassessed: (1) “U” shaped microstructures were fabricated; (2) an integrated measurement method was developed and (3) a single frequency method was used to calculate the viscoelasticity.Finally, a viscoelastic and opaque liquid, such as yogurt, has been characterized in situ during the lactic fermentation to demonstrate the validity and the applicability of the method for the real-time monitoring of viscoelasticity.

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents: l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant. / In order to optimize the use of microcantilever in the way of chemical sensing, microporous sensitive coatings have been tried to detect ethanol, toluene and humidity. The use of microcantilever without sensitive coating have been performed and simple models has been made and permit to predict the response of microcantilever in different environments. These studies rely on the use of microcantilever within two different detection mode: the detection of mass variation of the sensor because of the sorption of species in sensitive coating; and the detection of the change of physical properties of the fluid.

: Cette étude concerne la faisabilité de composants piézoélectriques partiellement libérés du substrat sur lequel ils sont fabriqués pour la réalisation de microsystèmes (MEMS). A base de PZT, ils sont microstructurés en forme de pont ou de poutres à l'aide de la technologie couche épaisse associée à la méthode de la couche sacrificielle. A la différence des structures directement sérigraphiées sur le substrat qui ne comportent que des modes de résonances en épaisseur à qq.MHz, les échantillons libérés présentent également des modes de vibrations radiales dans le plan à qq. dizaines de kHz. De plus, nous avons réalisé des poutres de forme rectangulaire révélant des résonances atypiques 31-longitudinales dans le plan à qq. dizaines de kHz. Une modélisation analytique associée aux données expérimentales a permis de déterminer les modules de Young du PZT et celui de l'or, plus faibles que ceux des matériaux massifs. Une modélisation numérique (COMSOL multiphysics) vérifie l'exactitude des lois établies et confirment la validité de notre démarche consistant à combiner les différentes lois mécaniques appliquées à nos micropoutres. Nous avons montré la faible influence de la pression et de la température mais aussi la sensibilité au toluène (qq ppm) des micropoutres comportant un dépôt de polymère (PEUT). En milieu liquide, les premiers résultats démontrent l'utilisation potentielle de ces micropoutres dans le domaine de la caractérisation viscoélastique de fluides.