Cette thèse porte sur la conception et la réalisation de micros capteurs à électrodes interdigitées pour la caractérisation des milieux biologiques dans la gamme de fréquences : 100 kHz - 10 MHz. L'objectif principal de ce travail est l’optimisation géométrique de la structure d’un capteur à électrodes interdigitées afin d’élargir la plage fréquentielle de mesure en réduisant les effets de polarisation. Le premier chapitre synthétise les données fondamentales relatives au comportement électrique des tissus biologiques ainsi que leurs propriétés électriques notamment en basses fréquences. Le deuxième chapitre concerne une approche théorique pour l’optimisation du capteur pour élargir la bande de fréquence utile de mesure ; ce chapitre recommande également une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de la double couche à la surface en contact entre les électrodes et le milieu biologique. Dans le troisième chapitre nous proposons une modélisation tridimensionnelle du système d’électrodes chargé par un modèle du milieu biologique sous le logiciel ConventorWare®. Les résultats de simulation sont discutés. Les résultats obtenus nous permettent d’évaluer l'influence des paramètres géométriques de la structure interdigitée du capteur ainsi que les propriétés diélectriques du milieu sur l’impédance bioélectrique. Les facteurs d’influence en fonction de la fréquence sont ainsi maîtrisés lors de la conception d’u capteur interdigité destiné à la mesure de bioimpédance. Dans le quatrième chapitre, les dispositifs ainsi que la conception et la fabrication des composants développés au cours de cette thèse sont décrits. Dans le dernier chapitre, les mesures expérimentales effectuées avec de très faibles volumes de différentes solutions (solutions étalons, sang humain) par cinq micros capteurs à électrodes interdigitées. Les mesures sur les échantillons ainsi que la validation des théories d’optimisation ont été élaborées et discutées. Enfin nous avons comparé nos résultats à des valeurs publiées dans la littérature et nous avons justifié expérimentalement la théorie d’optimisation développée. / This thesis focuses on the design and realization of interdigitated sensors for the electrical characterization of the biological medium within the frequency range: 100 kHz - 10 MHz. The main objective of this thesis is to optimize the geometry of the sensor structure according to the specificities of the interdigitated electrodes structure. This optimization leads to widen the measurement frequency range by reducing the effects of polarization at low frequency. The first chapter synthesizes the basics and fundamentals relative to the electric behavior of biological tissues as well as to their electric properties. The second chapter concerns a theoretical approach for the optimization of the sensor to widen the useful frequency band of measurement; this chapter also presents a new method to determine the parameters of the double layer at the contact interface between the electrodes and the biological medium. A three-dimensional modelling of the system, the electrodes being loaded with a biological medium, is implemented using ConventorWare® software and the results discussed in the third chapter. The results obtained allow us to evaluate the influence of the geometrical parameters of the interdigitated structure of the sensor as well as the dielectric properties of the medium on the bioelectric impedance. In the fourth chapter, the devices developed during this thesis are described. The design and the manufacturing of components are presented. The last chapter deals with the experimental measurements obtained with very small volumes of the different solutions (standard solutions, human blood) using five micro sensors that we built in the laboratory. The measurements as well as the validation of the theoretical approach are discussed. Finally we have compared our results with published values in the literature and validated our experimental and theoretical approaches developed in this work.

La gestion durable des boues résiduaires est l'un des grands enjeux du 21ème siècle. Si toutes les eaux usées produites par la population urbaine mondiale étaient traitées, ce qui est l’objectif ultime de l’OMS, 83 millions de tonnes de matières sèches seraient produites annuellement à l’horizon 2017. Pour réduire les coûts du traitement et de la valorisation des boues qui représentent la moitié de la facture de l’assainissement collectif, l’optimisation des procédés est nécessaire. Les ingénieurs ont donc besoin d’outils permettant d’adapter le fonctionnement des technologies de traitement aux caractéristiques des matériaux. Concrètement, les technologues ont besoin de connaître ou d’estimer le comportement en écoulement des boues, c’est-à-dire leurs propriétés rhéologiques, à chaque étape du traitement. Celles-ci ne pouvant être déterminées en continu, l’objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d’utilisation des propriétés électriques pour prédire les écoulements des boues. Au cours de ce travail de thèse, les comportements rhéologique et électrique d’une boue type ont été établis : ainsi les propriétés d’écoulement d’une boue résiduaire peuvent être décrites par un modèle d’Herschel-Bulkley modifié (de façon à prendre en compte les cisaillements très élevés) tandis que sa signature électrique pourra être représentée par un circuit équivalent de Maxwell. L’impact de paramètres majeurs comme la température et la teneur en matières sèches sur les propriétés rhéologiques et électriques des boues et sur leur corrélation a été étudié. Les résultats obtenus nous ont également permis de montrer comment la structure du matériau est liée à ces caractéristiques. Enfin, des outils spécifiques ont été mis au point, pour la mesure simultanée des propriétés électriques et rhéologiques des fluides organiques complexes. L’ensemble des résultats obtenus ouvre de nombreuses perspectives, opérationnelles et fondamentales. / Sludge management is one of the 21st century’s main issues. If the whole wastewater produced by worldwide urban population was treated, which is the ultimate goal of WHO, 83 million tons of dry matter could be annually produced until 2017. In order to reduce the costs of sludge treatment and reuse, which represent half of the collective sanitation bill, process optimization is needed. Engineers are in need of tools allowing them to adapt treatment technologies to material characteristics. More specifically, technologists need to know or to estimate sludge flow behavior, i.e. their rheological properties, at each step of the process. However, these properties can’t be continuously acquired. The purpose of this thesis is then to demonstrate the feasibility of the usage of sludge electrical properties to predict their flow. During this work, rheological and electrical behavior of one sludge type had been established: so flow properties of sludge can be described by means of a modified Herschel-Bulkley model (so that high shear rates are taken into account), whereas electrical properties can be represented by Maxwell’s equivalent circuit. Major parameters impacts, as temperature and dry matter content on sludge rheological and electrical properties and their correlation have been studied. The results we obtained allowed us to highlight the way the structure of the material is related to these properties. Finally, specific tools have been developed for simultaneous measurement of rheological and electrical properties of complex organic fluids. All the obtained results open many operational and fundamental prospects.