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.

Des capteurs MEMS variés peuvent être fabriqués dans une technologie CMOS standard associée à une ou plusieurs étapes de gravure supplémentaires. Dans ce contexte, le micro-usinage du substrat par la face avant permet la fabrication de capteurs résistifs bas coût, basés sur des effets piezorésistifs ou thermiques, mais non optimaux en terme de bruit et de consommation. Cependant, au lieu d'envisager une optimisation technologique du procédé, ce travail s'est plutôt concentré sur le design du capteur et de son interface électronique afin d'améliorer les performances ci-dessus. L'objet de cette thèse est un accéléromètre convectif 3 axes basé sur une topologie initialement prévue pour des mesures suivant 2 axes, dans le plan de la puce, et utilisant une mesure de température différentielle. La mesure de l'accélération dans la direction perpendiculaire au plan de la puce, sans ajouter de structure supplémentaire, est donc étudiée ainsi que l'interface électronique associée. L'originalité de la mesure suivant ce 3ème axe réside dans la mesure de la température de mode commun de la structure existante. Cette étude est réalisée par l'intermédiaire de modélisations multi-physiques et électriques du capteur, de la conception et de la simulation de l'interface électronique et enfin de la caractérisation d'un prototype complet. / In the field of MEMS, various sensors can be manufactured using a standard CMOS technology and subsequent etching techniques. In this context, The Front-Side Bulk Micromachining (FSBM) approach allows the fabrication of low-cost resistive transducers based on either piezoresistive or thermal effects. Nevertheless, such fabrication method leads to non-optimized devices in terms of noise and power consumption. Instead of constraining fabrication technology, and in order to keep fabrication costs as low as possible, this work focuses on sensor design and electronic interfaces to address both issues. In this thesis, the device under study is a 3-axis CMOS thermal accelerometer. The sensor is based on a topology that was primarily introduced for 2-axis measurements only (in-plane acceleration, xy), using differential voltage across sensing thermistors. This work addresses the overall sensing performance by using dedicated front-end electronic and also investigates an opportunity to measure out-of-plane acceleration without the requirement of an additional device. The third axis (z) is provided by measuring a shift in the common-mode temperature, which is clearly an original approach. The study is carried out by means of both physical and electrical modeling of the transducer, electronic design and simulation, and prototype characterization.

De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS). / Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).