Depuis la révolution industrielle les niveaux des concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre ne cessent d’augmenter provocant ainsi une accélération du réchauffement climatique. Les composés organiques volatils (COVs) contribuent non seulement à cet effet de serre mais aussi à la pollution environnementale qui a un impact négatif sur toutes les espèces vivantes de la planète. Par exemple, au cours de l’année 2012, la pollution de l'air a été à l’origine 7 millions de décès, selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS) [1]. Très récemment, une étude médicale de la commission Lancet sur la pollution et la santé a révélé qu'en 2015 un décès sur six était lié à la pollution de l'air et de l'eau, 6,5 millions de décès dans le monde chaque année sont liés à la pollution de l'air intérieur et extérieur [2]. En effet, les COVs, très volatils et utilisés comme solvants par exemple, peuvent être indirectement à l’origine de toux, d’inconfort thoracique, de gêne douloureuse, d’essoufflement respiratoire, d’irritation nasale ou oculaire ou encore de la gorge. Ils peuvent aussi être directement toxiques ou explosifs ou encore perturbateurs de la réponse immunitaire. De plus certains d’entre eux sont classés CMR (cancérogène, mutagène et reprotoxique). Dans ces conditions une meilleure connaissance des effets liés à l’exposition aux COVs sur la santé et l’environnement est vraiment nécessaire. Cette connaissance passe également par la détection et la quantification des concentrations de COVs afin de proposer un meilleur aménagement des environnements et d'alerter les individus concernés en temps réel sur les dangers encourus. La plupart des plateformes déjà existantes ou commercialisées sont soient trop coûteuses, soient très consommatrices d'énergie, soient fonctionnelles à des températures élevées, soient instables pour la détection en temps réel ou à long terme ce qui limite la prolifération des sites de mesures. Ainsi, cette thèse s’inscrit dans le domaine des capteurs de gaz dédiés pour la détection de la pollution dans l’air. Elle porte sur le développement d’une plateforme de détection, de suivi et de quantification des composés organiques volatils (COVs) en temps réel, utilisant un capteur de gaz différentiel flexible et imprimé basé sur des transducteurs micro-ondes et des matériaux carbonés polymères composites comme couches sensibles. Le dispositif proposé vise à fournir des informations directement exploitables pour constituer à terme une plateforme de faible coût embarquée, dédiée à l’internet des objets pour faciliter la prolifération des sites de détection et de contrôle en réalisant des réseaux de capteurs communicants sans fil fonctionnant en environnements variés. / Since the Industrial Revolution, the levels of atmospheric concentrations of greenhouse gases have been increasing, causing an acceleration of global warming. Volatile organic compounds (VOCs) contribute not only to this greenhouse effect, but also to environmental pollution, which has a negative impact on all living species on the planet. For example, in the year 2012, air pollution caused 7 million deaths, according to the World Health Organization (WHO) [1]. In addition, a very recent medical study by the Lancet Commission on Pollution and Health found that one in six deaths in 2015 was related to air and water pollution [2]. Also, indoor and outdoor air pollution is linked to 6.5 million deaths worldwide each year. VOCs can indirectly cause cough, chest discomfort, painful discomfort, shortness of breath, as well as nasal, ocular or throat irritation. They can also be directly toxic or explosive or disruptive of the immune response. In addition, some of them are classified as CMR (carcinogenic, mutagenic and reprotoxic). They are very volatile and often used as solvents for example. In these conditions, a better understanding of the health and environmental effects of exposure to VOCs is necessary. Such knowledge also involves the detection and quantification of VOC concentrations in order to propose a better management of the environments and to alert people in real time of the dangers incurred. Most of the existing or commercially available platforms are either too expensive, energy intensive, high temperature functional, unstable for real-time or long-term detection, which limits the proliferation of measurement sites. This thesis is in the field of dedicated gas sensors for the detection of pollution in the air. It deals with the development of a platform for the detection, monitoring and quantification of volatile organic compounds (VOCs) in real time, using a flexible and printed differential gas sensor based on microwave transducers and composite polymeric carbon materials as sensitive layers. The proposed device aims at providing directly exploitable information such as a low-cost embedded platform dedicated to the Internet of things and which offers increasing possibilities for the proliferation of detection and control sites by realizing networks of wireless communicating sensors operating in various environments.

Dans un monde de plus en plus pollué par l'activité industrielle, la détection des espèces gazeuses nocives dans l'atmosphère est d'une importance essentielle. Le marché des capteurs de gaz est déjà bien développé, avec la présence de diverses technologies et principes de détection, chacune présentant des avantages et des inconvénients intrinsèques. Dans le cadre de cette thèse, un alliage entre deux ou plusieurs technologies de détection typiquement utilisées de façon autonome a été visée, afin d'améliorer les performances globales des systèmes capteurs ainsi formées. A ce fin, nous avons conçu et étudié des dispositifs capteurs basées sur la transduction optique, couplée à un matériau sensible au gaz cible à détecter. Plus précisément, nous avons intégré pour la première fois un matériau catalyseur pouvant accélérer le taux d'oxydation des espèces chimiques (tel le monoxyde de carbone ou l'hydrogène) avec une architecture optique capable d'absorber la chaleur cédée lors de cette oxydation. L'augmentation de température occasionnée est traduite en une variation d'intensité lumineuse constituante le signal de sortie du capteur. Les travaux effectués sur les mesures de la dispersion thermique et chromatique de l'indice de réfraction des matériaux constituant le transducteur optique par des techniques d'optique guidé, ellipsométrie et des techniques photométriques sont présentés. Le sondage par moyen optique des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs a également été étudié, y compris les variations de ces propriétés en présence des gaz oxydants, réducteurs et combustibles. / In a world suffering from increasing air pollution due to spiraling industrial activity, the detection of toxic gasses in the atmosphere is of paramount importance. The gas detector market is already well developed, and features a wide variety of detection technologies and techniques, each presenting its own set of intrinsic advantages and drawbacks. In this thesis, a combination of two or more technologies typically used independently has been studied in order to improve the global performances of gas detection systems. To this length, we have conceived and studied detector architectures based upon optical transduction systems, coupled with a material presenting a specific sensitivity to the target gas. More precisely, we have for the first time integrated a catalyst designed to accelerate the oxidation rate of chemical species (such as carbon monoxide or hydrogen) with an optical component capable of absorbing the heat generated by the oxidation reaction. The associated increase in temperature is translated to a variation of the optical intensity comprising the exit signal of the detector. The work carried out measuring the chromatic and temperature dispersion of the refractive index of the materials comprising the optical transduction component by guided mode techniques, ellipsometry and photometric techniques is presented. The optical probing of the electrical properties of semiconductor materials has also been studied, including the variations of these properties following interactions with oxidizing, reducing, or combustible gasses.

Les travaux portent sur les multiplexeurs optiques fonctionnant à mi-IR pour la source à large bande dans l'application de détection de gaz. Deux configurations ont été étudiées: réseau de guides d'onde (AWG) et réseau concave planaire (PCG). Premièrement, le principe du fonctionnement a été compris afin de développer une solution analytique pour le champ de sortie en utilisant une approximation gaussienne du champ et de l'optique de Fourier. Ensuite, un outil de simulation semi-analytique de la réponse spectrale pour les deux configurations de multiplexeur a été développé dans MATLAB. La distribution normale des erreurs de phase a été introduite dans le modèle semi-analytique AWG, ce qui nous a permis d'étudier la corrélation entre l'écart-type des erreurs de phase et le niveau de diaphonie de la réponse spectrale AWG. AWG à 5,65 μm a été fabriqué à partir de la technologie SiGe / Si à l'aide de l'outil MATLAB pour le calcul des paramètres de conception et de l'outil P.Labeye pour le calcul de la géométrie AWG. Les dispositifs avec des paramètres légèrement variables ont été caractérisés: AWG1 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 9 μm; AWG2 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 11 μm; AWG3 avec guides d'ondes de 4,8 μm et MMI de 9 μm. Des mesures des dispositifs sur la puce 36 (centre de la plaquette) et sur la puce 32 (côté de la plaquette) ont été effectuées et analysées. Les mesures de température de AWG2 et AWG3 (puce 32 et puce 36) aux points cinq points de température ont montré une dépendance linéaire du déplacement spectral avec la température qui a une bonne corrélation avec les prédictions de simulation. / The work focuses on optical multiplexers operating in mid-IR for broadband source in gas sensing application. Two configurations were studies – arrayed waveguide grating (AWG) and planar concave grating (PCG). First, principle of operation was understood in order to develop analytical solution for output field using Gaussian approximation of the field and Fourier Optics. Then, semi-analytical simulation tool of the spectral response for both multiplexer configurations was developed in MATLAB. Normal distribution of phase errors was introduced to semi-analytical AWG model, which allowed us to study the correlation between standard deviation of phase errors and the level of crosstalk of AWG spectral response. AWG at 5.65 µm was fabricated based on SiGe/Si technology using the MATLAB tool for design parameters calculation and P.Labeye’s tool for AWG geometry calculation. Devices with slightly varying parameters were characterized: AWG1 with 4.6 µm waveguides and 9µm MMI; AWG2 with 4.6 µm waveguides and 11µm MMI; AWG3 with 4.8 µm waveguides and 9µm MMI. Measurements of devices on chip 36 (center of the wafer) and chip 32 (side of the wafer) were performed and analyzed. Temperature measurements of AWG2 and AWG3 (chip 32 and chip 36) at points five temperature points showed linear dependence of spectral shift with the temperature which has a good correlation with simulation predictions.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la physico-chimie des structures électroniques et microélectroniques à base de phosphure d'indium (InP). Le contexte scientifique de cette étude est d'abord abordé dans une description de la pollution atmosphérique ainsi que de sa métrologie. Les propriétés physico-chimiques et électroniques de InP sont particulièrement détaillées. Les structures des capteurs de gaz en cours de développement pour cette application sont ensuite répertoriées. Les méthodes de caractérisation chimique (spectroscopie de surface XPS et Auger, microscopie à force atomique AFM) et électronique (Van der Pauw) ainsi que l'analyse théorique des propriétés électroniques des couches minces sont également présentées. Enfin, des mesures en laboratoire à température et concentration variables de NO2 proches de celles rencontrées dans une atmosphère urbaine sont présentées. Les résultats obtenus suite à l'analyse théorique et aux différentes expériences ont montré le rôle prédominant des oxydes natifs présents à la surface de InP sur les réponses des capteurs. Ces derniers interviennent également sur la stabilité de la réponse aux gaz, tout comme leurs propriétés physico-chimiques. Les résultats des caractérisations électroniques et chimiques corroborent les résultats des essais des capteurs et permettent une modélisation de l'action du gaz sur InP

Le présent travail porte sur l'étude de nanomatériaux et couches minces élaborés à base d'oxydes de ruthénium, à finalités catalytiques et électriques. Ces matériaux sont multifonctionnels et pourraient être destinés à des applications variées aussi bien dans le domaine de la microélectronique et des microcapteurs, que dans l'industrie chimique (catalyse, conversion du méthane). L'étude développe les relations entre élaborations, microstructures et propriétés catalytiques et électriques. Les nanopoudres de RuO2 élaborées par voie sol gel présentent des propriétés catalytiques intéressantes vis-à-vis de CH4 et CO. Des affinements structuraux (méthode Rietveld) ont montré une légère modification des mailles cristallines lorsque les tailles de cristallites étaient nanométriques (10 à 20 nm). La microscopie électronique en transmission a permis de préciser les résultats obtenus par diffraction de rayons X sur les tailles de cristallites. L'efficacité catalytique a été mesurée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en fonction de la température et du temps d'exposition au flux gazeux (air-méthane ou air-monoxyde de carbone). Les conversions de CH4 et de CO en CO2 ont été observées au-dessus de 200°C pour CH4, et à partir de la température ambiante (25°C) pour CO. Un modèle semi-empirique permettant de simuler le taux de conversion a été proposé et a permis de reproduire des comportements très différents pour la conversion de CH4 ou CO en fonction du temps. Des études de couches minces à base de RuO2 et de composites RuO2-CeO2 ont été entreprises, soit par spin-coating, soit par pulvérisation cathodique. Les couches obtenues par spin-coating manifestent une certaine activité catalytique liée à leur porosité. Les couches obtenues par pulvérisation cathodique sont des couches mixtes RuO2-CeO2. Elles n'ont aucune activité catalytique notable. Elles ont un comportement électrique non linéaire fortement lié à la microstructure et à la composition. Un modèle en loi de puissance a été appliqué avec succès pour décrire l'évolution de la conductivité en fonction de la composition en RuO2. Ces couches pourraient être utilisées dans des dispositifs piézorésistifs. En parallèle à ces études, un dispositif préfigurant un multicapteur de gaz a été mis au point.

Ce travail s'inscrit dans la continuité de deux thèses présentées par E. Fascetta en 1993 et C. Pupier en 1999 qui ont été consacrées à l'étude d'un capteur de gaz potentiométrique original. Contrairement aux capteurs potentiométriques classiques, celui-ci a la particularité de disposer de deux électrodes différentes disposées dans la même atmosphère gazeuse. Ces travaux ont donné lieu à d'importants développements technologiques et ont permis de jeter les bases d'un modèle électrochimique à même de mieux interpréter l'influence de certains gaz tels que l'oxygène sur la réponse du capteur. Notre démarche a donc consisté à approfondir la compréhension des phénomènes qui sont à l'origine de la réponse électrique de ce capteur afin d'en optimiser le fonctionnement pour les différentes applications visées. La première partie de ce travail concerne la caractérisation physico-chimique des espèces qui interviennent dans la création du signal électrique et en particulier l'étude du rôle exact de l'oxygène. Pour cela, nous avons fait appel à des techniques usuellement utilisées pour l'étude des interactions gaz-solide telles que la calorimétrie et les mesures de potentiel de surface. Ensuite, nous avons étudié l'importance du choix des matériaux utilisés ainsi que l'influence de paramètres caractéristiques tels que la nature et la taille des électrodes sur la réponse électrique du capteur. Tous ces résultats ont alors été exploités pour proposer un mécanisme complet permettant d'expliciter les phénomènes qui interviennent dans l'apparition du signal électrique. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux concernant l'influence de la pression d'oxygène et de la température, puis il a été étendu à l'action combinée de la température, la pression d'oxygène et d'un gaz réducteur, le monooxyde de carbone.