Ce travail est relatif au développement de microcapteurs de gaz sélectifs. De façon générale, ces dispositifs sont composés d'un oxyde semi-conducteur, le dioxyde d'étain, associé à deux électrodes métalliques. L'objectif de l'étude est double, d'une part, améliorer la sélectivité par dépôt de filtre catalytique métallique, et d'autre part mieux appréhender les interactions entre l'oxygène, les métaux qu'ils soient utilisés sous forme d'électrode ou de membrane et le dioxyde d'étain.<br /><br />Le dépôt d'un film mince de platine sur une couche épaisse de 20 μm de dioxyde d'étain a permis d'améliorer la sélectivité du dispositif au CH4 en présence de C2H5OH et de CO. En revanche, lorsqu'il a été déposé à la surface d'une couche mince de 70 nm de dioxyde d'étain, le film mince de platine n'a pas rendu possible l'amélioration de la sélectivité du matériau sensible.<br /><br />Par la suite, notre démarche a consisté à évaluer les propriétés physico-chimiques de chaque constituant du dispositif à savoir le dioxyde d'étain, le métal ou l'association des deux. Pour cela, nous avons fait appel à différentes techniques couramment utilisées pour la caractérisation des interactions gaz – solide telles que la catalyse, la calorimétrie ou la mesure électrique. Des effets de synergie entre le métal et l'oxyde vis-à-vis de l'adsorption et des effets électriques de l'oxygène gazeux ont pu être mis en évidence. Ces résultats ont été exploités pour proposer un mécanisme permettant d'expliciter les phénomènes électriques qui interviennent lors de la chimisorption d'oxygène à la surface d'un système regroupant le dioxyde d'étain et un métal. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux relatifs à l'influence de l'épaisseur du dioxyde d'étain sur les réponses électriques sous gaz réducteur des capteurs de gaz.

Ce travail concerne la synthèse et la caractérisation de composés ferroélectriques élaborés sous formes de poudres, de céramiques et de couches minces. Dans une première partie, une solution solide limite S^-nCa^KNosO^ (0 < x < 0,5) a été mise en évidence et élaborée par deux voies de synthèse : la voie de réaction à l'état solide et la méthode de coprccipilation. D'autres composés de la même famiJle ont été obtenus par réaction à l'état solide et par mécanosyn thèse : il y a en particulier l'oxyde Ba2 ANbsOi 5 (A = Na, K et Li) ainsi que la nouvelle solution solide limite Baiî.^jNa^n-iiLi^NljsO]; (0 < x < 1,2). Tous ces composés ont été obtenus par méeanosynthèse à température ambiante. Des couches minces des oxydes Ba2NaNbsO|5 (BNN) de structure TTB et de BisjsLao^sTîjOn (BLT) appartenant aux phases d'Aurîvillius ont également été déposés sur différents types de substrats. Enfin, une étude préliminaire d'empilements multîcouches ferroéleclriques/catalytiques a été initiée et permet d'envisager de nouvelles applications dans le domaine des capteurs de gaz. Des couches minces de dioxyde de ruthénium ont été déposées sur des substrats de silicium et sur les couches ferroéleclriques de BNN. L'activité catalytique de l'oxyde RuO2 et son couplage avec la couche ferroélectrique vis-à-vis du méthane CfU ont été suivis par spectroscopie infrarouge à température variable.

Ce travail a permis d'établir des corrélations entre les défauts ponctuels et les propriétés électriques de SnO₂, matériau utilisé en tant que capteur de gaz. L'influence des paramètres expérimentaux (atmosphère gazeuse, dopage) est étudiée afin d'identifier les défauts du dioxyde d'étain. Le comportement des défauts intrinsèques dans le SnO₂ polycristallin dopé à l'aluminium ou au niobium est caractérisé par thermoluminescence (TL) et par conductivité électrique. La courbe de TL du dioxyde d'étain présente trois pics. La variation de leur intensité avec la concentration en aluminium(III) ou en niobium(V) permet de corréler les deux pics de TL à basse température aux lacunes d'oxygène ionisées. Le troisième pic est lié aux groupements hydroxyles, espèces responsables du manque de reproductibilité des mesures de TL et probablement du manque de stabilité des capteurs de gaz. L'ajustement des donnéees expérimentales de TL à un modèle semi-analytique permet de quantifier les paramètres de piégeage des défauts de SnO₂. Les lois de pression d'oxygène et de vapeur d'eau sont étudiées par la mesure de conductivité électrique en isotherme sous atmosphère contrôlée. Un modèle numérique basé sur les réactions quasi-chimiques est également développé. Il permet de prévoir le comportement des concentrations des défauts ponctuels en fonction de la pression partielle d'oxygène ou de vapeur de l'eau ou en fonction de la concentration en dopant. La corrélation des résultats de TL et de conductivité électrique à ce modèle permet de vérifier les hypothèses concernant l'identification des défauts ponctuels et leur rôle dans les mécanismes de détection de gaz.

Nous avons étudié l'influence de certains paramètres sur la conductance électrique du dioxyde d'étain polycristallin, propriété utilisée pour la détection des gaz. Une première partie est consacrée a l'étude de l'influence du traitement thermique sur les caractéristiques morphologiques du matériau (taille des grains, porosité...) Et sur ses performances électriques en présence de gaz varies (air, méthane, dioxyde de carbone...). Les résultats obtenus montrent l'influence des conditions de préparation du matériau sur ses performances électriques (sélectivité, stabilité...) Et toute l'importance du contrôle de ces traitements préalables (mise en forme, traitement thermique...). Une seconde partie est consacrée à la compréhension des mécanismes physico-chimiques a l'origine des performances électriques. Les résultats expérimentaux obtenus (chromatographie, thermogravimétrie, calorimétrie, conductance électrique), couples a une modélisation cinétique mathématique des phénomènes nous permettent d'envisager certaines hypothèses préférentiellement a d'autres au sujet des mécanismes qui provoquent les variations de conductance électrique.

Afin de contrôler l'émission totale des NOx dans l'échappement automobile, un capteur potentiométrique à base de zircone stabilisée à l'yttrium a été développé par la technique de sérigraphie. Il est montré que l'utilisation d'un filtre catalytique, déposé directement sur l'élément sensible, permet d'éliminer les interférences venant d'autres gaz réducteurs dans l'échappement, en particulier monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2), hydrocarbures (CxHy) et ammoniac (NH3). En plus, il est possible de fixer avec le filtre catalytique le rapport NO/NO2 correspondant à l'équilibre thermodynamique. Par conséquent la réponse du capteur n'est plus dépendante du rapport NO/NO2, mais seulement de la température. De plus, la sensibilité et la sélectivité du capteur à NO2 peut considérablement être améliorée en appliquant un courant de polarisation.

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz. / In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.

Depuis quelques années, les explosifs artisanaux à base de peroxyde sont fréquemment utilisés dans les actes de terrorisme. Leur simplicité de conception ne les rend pas moins inoffensifs car ils sont tout aussi puissants que ceux à base de TNT (trinitrotoluène). Au regard des enjeux majeurs de la sécurité globale et en particulier de la protection du citoyen, il devient nécessaire de bénéficier d'instruments de détection fiables. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail de thèse qui vise à développer un capteur intégré, sensible et sélectif aux traces d'explosifs, notamment ceux à base de peroxyde. Ce nez électronique est constitué d'une matrice de transistors à nanotubes de carbone (CNTFET) et d'une électronique et traitement des données. Après une brève introduction relative aux CNTFET pour la détection gazeuse, nous présentons les bases de l'élaboration d'une modélisation électrique du capteur. Cette modélisation a pour but, à terme, de permettre aux concepteurs decircuits intégrés de bénéficier d'un support de simulation des CNTFET, nécessaire à la mise en oeuvre de l'électronique de contrôle et de conditionnement des signaux. Nous détaillerons également ce qui constitue selon nous l'étape fondamentale précédant l'élaboration d'un modèle compact prédictif basé sur la physique, c'est à dire la compréhension topologique du réseau de nanotubes. Nous détaillerons alors différentes probabilités de contacts entre nanotubes. Nous présentons ensuite,l'élaboration de l'électronique permettant le contrôle des potentiels appliqués aux CNTFET et le conditionnement des signaux électriques. Ce conditionnement a pour objectif d'acheminer les réponses électriques du capteur vers des architectures de traitement de données utilisées pour la détection des différents gaz cibles. L'électronique intégrée en technologie CMOS HV (haute tension) est alimentée par pile basse tension. Des pompes de charge, élévateurs de tension, générant ces hautes tensions ont été étudiées, modélisées et réalisées. Nous proposons également dans ce manuscrit une nouvelle architecture de pompe de charge qui constitue, dans certaines plages d'utilisation, une alternative intéressante aux pompes de charge les plus performantes utilisées jusqu'à présent. / For the last few years, improvised peroxide based explosives are frequently used in acts of terrorism. Their simple design does not make them less threatening than those based on TNT because they are equally as powerful as those based on TNT (trinitrotoluene). In view of the major issues of the overall safety and, in particular, the citizens' protection, it becomes necessary to enjoy reliable detection instruments. Such is the background of this PhD work which aims to develop a built-in sensor,sensitive and selective to traces of explosives, especially those based on peroxide. This electronic nose is made up of a network of carbon nanotube field-effect transistors (CNTFET), and data processing hardware. After a brief introduction relating to CNTFETs for gaseous detection, we will provide the basis for the elaboration of an electronic modeling of the sensor. This modeling aims, at the end, to allow designers of integrated circuits to benefit from a simulation support of CNTFETs, required to the implementation of control and signal conditioning electronics. We will also detail what are the fundamental steps mandatory before the development of a predictive compact model based on physics, which means the topological understanding of the nanotubes network. Then, we will describe different probabilities of contacts between nanotubes. Later, we will introduce the elaboration of the electronics allowing the control of the voltages applied to the CNTFETs and the electrical signals conditioning. The objective of this conditioning is to carry electrical responses from the sensor to data processing architectures used for the detection of the different target gasses. High Voltage CMOS integrated electronics are powered by low-voltage batteries. Charge pumps and voltage boosters which generate these high voltages, have been investigated, modeled and carried out. We also provide in this dissertation a new charge pump architecture which offers, in some ranges of application, an interesting alternative to the most efficient charge pumps used until now.

Ce mémoire présente les recherches effectuées sur une nouvelle méthode de transduction, exploitant la propagation des ondes à haute fréquence, pour la détection de polluants atmosphériques. Dans un premier temps, les principaux modes de transduction exploités dans les capteurs existants sont présentés. Ils fonctionnent dans des gammes de fréquences différentes des microondes, afin de comprendre ce que peut apporter cette nouvelle transduction. La permittivité diélectrique est le principal paramètre physique responsable de la détection microonde. Cependant, la variation de la conductivité du matériau sensible modifie également la transmission de l'onde à travers le dispositif microonde. Les propriétés de propagation d'une onde sont formulées afin de comprendre comment l'onde est influencée par la propagation dans le matériau sensible et comment sa mesure est effectuée. Le traitement des données joue un rôle important dans la détermination de la réponse des capteurs. Les matériaux inorganiques (oxydes d'étain et de titane) ont permis de valider les modes de transduction. Différentes géométries de capteurs ont été modélisées et utilisées avec des poudres compressées et des films minces, en particulier avec un matériau moléculaire (phtalocyanine de cobalt). Ces études nous ont permis d'améliorer la transduction, grâce à l'évolution du format de la structure microonde. Cette évolution a permis d'obtenir une discrimination meilleure que 100 ppm pour l'ammoniac dans l'argon ou dans l'air, et ce à température ambiante. / In this work, we have developed a new gas-sensing transduction based on the propagation of microwave inside a sensitive material to detect atmospheric pollutants at room temperature. First, we present a short overview of the main gas-sensing transduction in the litterature. These techniques operate in frequency ranges different from microwaves. The dielectric permittivity is the main physical parameter in the microwave transduction. The principle is based on the excitation of a sensitive material by a microwave electromagnetic field in a propagative structure. The reflected wave is specific to the excitation's frequency. It depends on the interaction between the sensitive material and the pollutant gas and also on the geometry of the sensor. However, the variation of the conductivity of the sensitive material also changes the transmission of the wave through the microwave device. Inorganic materials (tin and titanium oxides) are used to validate the methods of transduction. Different geometries of sensor are studied with electromagnetic modeling and experimental testing. The sensitive material is used in compressed powders and thin films, in particular with a molecular material (cobalt phthalocyanine). This work improves the microwave transduction knowledge by the sensor geometries. The experimental tests in argon flux conduct to obtain a resolution better than 100 ppm. Few results are presented in air flux.

Ce travail a pour objectif de développer de nouveaux microcapteurs à onde acoustique de surface (SAW) capables de détecter le dioxyde de souffre (SO₂) à l’échelle de traces par l’intermédiaire d’une couche sensible à base d’un polymère fonctionnel. Une famille originale de cinq polyuréthaneimides (PUIs) à blocs contenant un nombre contrôlé de sites amines tertiaires de structures différentes a été synthétisée et caractérisée. Ces matériaux présentent des propriétés originales, en solution et à l’état solide, qui sont dues essentiellement à la présence des sites basiques et à la structure à blocs associant des blocs souples polyéthers et des blocs rigides en partie fluorés. Leur excellent caractère filmogène a permis leur application en tant que couche sensible au SO₂ sur des microcapteurs SAW. Deux structures de microcapteurs à onde de Love, bicouche et tri-couche, ont été développées en respectant les conditions de génération de l’onde. La structure bicouche comporte le Quartz-ST 90° comme substrat et l’un des PUIs joue le double rôle de couche guidante et sensible. Cette structure génère bien l’onde de Love mais elle présente une forte sensibilité à la température, inconvénient majeur pour les capteurs de gaz. L’ajout d’une couche guidante à base de ZnO, dans une structure tri-couche, a permis de rendre le dispositif peu sensible à la température et donc compatible avec l’application visée. Les résultats des tests de détection du SO₂ montrent que tous les PUIs étudiés contribuent à une amélioration de la sensibilité comparativement au dispositif sans couche polymère. La présence des sites amines tertiaires conduit à une amélioration importante de la sensibilité qui n’est pas seulement gouvernée par leur basicité mais également par leur encombrement stérique dont le rôle apparaît déterminant / This work aimed at developing new surface acoustic wave (SAW) microsensors capable of detecting traces of sulfur dioxide (SO₂) through a sensitive layer based on a functional polymer. An original family of five polyurethaneimide (PUI) block copolymers containing a controlled number of tertiary amine sites with different chemical structures was synthesized and characterized. These materials exhibited original properties in solution and solid state, which were mainly due to the presence of the basic sites and the block structure combining polyether soft blocks and partially fluorinated hard blocks. Their excellent film-forming character allowed their application as SO₂ sensitive layers on SAW microsensors. Two bi-layer and three-layer structures of Love wave microsensors were developed by respecting the conditions of the Love wave generation. The bi-layer structure included the Quartz ST-90° as the piezoelectric substrate and one of the PUIs acting as both guiding and sensitive layer. This structure generated the Love wave but its high sensitivity to temperature was a major drawback for gas sensors. The addition of a ZnO guiding layer in a three-layer structure led to a microsensor almost insensitive to temperature and thus compatible with the targeted application. The experimental results for SO₂ detection showed that all the PUIs contributed to improve the sensitivity compared to the device without polymer layer. The presence of tertiary amine sites led to a significant improvement in gas sensitivity which was not only governed by their basicity but also by their steric hindrance which played a determining role

L'émergence des nouvelles applications dans le domaine de la micro et nanotechnologie requière de faibles coûts de fabrication et la caractérisation de dispositifs électroniques ayant des propriétés telles que la flexibilité, la portabilité, la légèreté, et des matériaux de faibles coûts. Les méthodes traditionnelles de fabrication impliquent de longues étapes de production, et des procédés de fabrication impliquant des étapes avec des produits chimiques. Le but de cette thèse est d'étudier la conception et la caractérisation de capteurs d'ammoniac et d'ozone sur support souple fabriqués par des processus de photolithographie et de gravure laser. Le support flexible est composé de Kapton avec des électrodes interdigitées de Ti/Pt pour la détection de gaz et un microchauffage. Les motifs du circuit ont été réalisés par photolithographie et gravure laser. L'utilisation de gravure laser sur support souple permet de réduire les coûts liés au temps de fabrication, aussi représente une excellente alternative aux processus chimiques. Des nanoparticles de ZnO déposées par gouttes ont été utilisées comme matériaux sensibles en raison de leurs excellentes propriétés dans la détection de gaz. Les conditions de détection de gaz ont été étudiées pour différentes concentrations d'ozone et d'ammoniac. Afin de tester une méthode de dépôt utilisée dans la production industrielle à grande échelle, un dépôt par spray ultrasonique a été effectué. Les capteurs réalisés montrent une large gamme de détection de 5 ppb à 500 ppb à 200 °C pour l'ozone et de 5 ppm à 100 ppm à 300 °C pour l'ammoniac avec une bonne reproductibilité, stabilité et de rapides temps de réponse et de retourn. / Nowadays the emerging of new applications in the micro and nanotechnology field required to reduce fabrication costand to improve electronic devices with properties such as flexibility, portability, lightweight, and low cost. Traditional methods involve expensive and long production steps, and chemical vapor deposition. The purpose of this work is to present the conception and characterization of flexible ammonia and ozone sensors fabricated by photolithography and laser ablation processes. The flexible platform is composed of Kapton substrate with interdigitated Ti/Pt electrodes for gas detection and a micro-heater device. The circuit patterns were realized by photolithography and laser ablation. Photolithography is a well-known and reliable patterning process used on rigid substrate. The application of laser ablation process not only reduces fabrication time, but also represents an excellent viable alternative instead of chemical processes. ZnO thin films deposited by drop coating have been used as sensitive materials due to their excellent properties in the gas detection. The gas sensing condition and the performances of the devices are investigated for ozone and ammonia at different gas concentrations and different thin film thicknesses. In order to test a deposit methodology used in large scale industrial production, an ultrasonic spray deposition was done. The sensor provides a wide range of detection from 5 ppb to 500 ppb for ozone and from 5 ppm to 100 ppm for ammonia. Their best sensibilities were obtained at 200°C for ozone and 300 °C for ammoniac with good repeatability, stability and fast response/recovery time.