L'objectif de cette thèse est la conception d'un capteur de pression à ondes de surface utilisant le nitrure d'aluminium (AlN). Les études théoriques, la réalisation et la caractérisation du capteur de pression sur différentes structures à ondes de surface sont présentées. La modélisation du capteur est effectuée en utilisant un circuit équivalent basé sur le modèle de Mason et la méthode des modes couplés. Les paramètres des ondes de surfaces sont obtenus par calcul et analysés pour différentes structures telles que AlN/SiO2/Si, AlN/Si et AlN/Mo/Si. A partir de ces analyses, nous avons montré que la vitesse des ondes ainsi que le facteur de couplage peuvent dépendre du milieu de propagation. Pour chaque type de structure utilisant l'AlN, nous déterminons la plage d'épaisseur de la couche d'AlN pour laquelle la vitesse des ondes et le facteur de couplage présentent une faible dépendance au regard de l'épaisseur d'AlN. Les dispositifs à ondes de surface doivent être conçus, en particulier pour le choix des épaisseurs de différentes couches, en tenant compte de la précision du procédé de fabrication, afin de réduire les dispersions de caractéristiques des capteurs. En outre, nous avons analysé le comportement mécanique de la membrane en présence d'une pression et nous en avons déduit la sensibilité du capteur. Les effets des variations de température sur une structure à ondes de surface (SAW) sont étudiés. Pour des applications dans le domaine de la mesure de pressions, nous proposons une méthode de réduction des effets des variations de température. Pour le précédé de fabrication, nous proposons d'utiliser le micro-usinage de surface. Ce type de procédé de fabrication permet d'obtenir exactement les dimensions des membranes utilisées dans les capteurs de pression et il permet aussi de réaliser tout type de géométrie grâce au procédé d'arrêt de gravure du silicium. Les films de nitrure d'aluminium sont caractérisés au cours de la fabrication. Nous avons trouvé que pour améliorer le comportement piézoélectrique de l'AlN, trois voies sont possibles : utiliser une couche de molybdène sous l'AlN, réduire la rugosité de la couche se trouvant sous l'AlN jusqu'à 0,2 nm et augmenter l'épaisseur de l'AlN. Les pertes acoustiques de propagation, le facteur de couplage, l'effet d'une couche de Mo et l'effet du film mince de polyimide sur la fréquence centrale sont analysés expérimentalement. En conclusion, la sensibilité de pression mesurée de notre dispositif est présentée. Ce dernier résultat est très prometteur.

Depuis quelques années on assiste à la prolifération de capteurs (pression, accélération, température) autonomes sans fil qui s'appuient sur la disponibilité d'une part d'éléments sensibles petits et performants et d'autre part sur de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût entre 300MHz et 3GHz. Ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d'analyse ou encore de diagnostic. Cependant, le développement de ces réseaux de capteurs communicants sans fil a mis en évidence une limitation intrinsèque de l'utilisation de la plupart des cellules de mesures existantes liée à l'autonomie énergétique du système. La majorité des recherches visant à augmenter l'autonomie des capteurs se focalisent d'une part sur la réduction de la consommation des cellules sensibles et des circuits électroniques et d'autre part sur la disponibilité de l'énergie embarquée. Bien que séduisantes, toutes ces solutions potentielles présentent des inconvénients majeurs tels que la complexité des dispositifs à mettre en Suvre, des faibles courants disponibles ou encore une quantité d'énergie stockée peu importante. Dans le cadre de cette thèse, on s'est intéressé au cas particulier des capteurs de pression et on a adopté une toute autre approche. En effet, l'objectif de ce travail consiste à repenser complètement le principe de fonctionnement du capteur en développant un nouveau mode de transduction complètement passif qui ne nécessite pas d'énergie embarquée et qui peut être interrogé à grande distance (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres) par radar. Ce mode baptisé 'transduction électromagnétique' est basé sur la modification de la fréquence de résonance d'une fonction hyperfréquence par la grandeur à mesurer. Cette méthode originale de transduction convertit l'effet d'un gradient de pression en un décalage en fréquence. Dans une première étape, une vali dation théorique, par modélisation électromagnétique, du principe de fonctionnement est présentée. Ensuite, le dimensionnement de la cellule de mesure est réalisé en tenant compte, d'une part de l'aspect électromagnétique lié au circuit résonant, et d'autre part de l'aspect mécanique relatif aux contraintes technologiques pour les structures avec membrane silicium. Par la suite, des simulations électromagnétiques simplifiées ainsi que des simulations tenant compte de la déformation réelle de la membrane ont été réalisées pour valider, par simulation, le décalage en fréquence et ainsi valider le principe de fonctionnement du capteur. L'étape suivante a permis d'identifier les procédés technologiques en salle blanche qui ont permis de réaliser les premiers prototypes du capteur. Une fois les cellules de mesures fabriquées, des mesures RF ont été réalisées et viennent confirmer les résultats de simulations. Ensuite, en utilisant un banc de mesure spécialement dédié à ce type de capteurs, des mesures RF combinées avec des mesures en pression ont été menées pour la caractérisation en pression des prototypes et pour en extraire la sensibilité. Enfin, des perspectives sont ouvertes sur les aspects sans-fil et interrogation Radar du capteur.

A ce jour, le développement de textiles intelligents, de peaux artificielles, de capteurs de paramètres environnementaux et de composés optoélectroniques souples ; qui nécessite des innovations à la fois dans la synthèse des matériaux, leur conception mécanique mais aussi, à l’échelle industrielle, en stratégie de production ; présente un intérêt majeur dans le domaine du prêt-à-porter connecté. D’un point de vue mécanique, l’obtention des propriétés de flexibilité et d’étirabilité à faible coût, via un procédé simple, au sein d’un matériau léger et capable de s’expandre sur de grandes surfaces est un prérequis essentiel pour incorporer des dispositifs optoélectroniques au sein des objets connectés portables. Parmi les différents procédés couramment utilisés, l’electrospinning est une technique simple, facilement adaptable et peu onéreuse qui permet un ajustement fin et flexible des morphologies de fibres, l’assemblage de plusieurs nanofibres fonctionnelles et une production en continue à haut débit. Ces multiples avantages sont à l’origine des nombreux travaux concernant l’utilisation de l’electrospinning dans le domaine du prêt-à-porter électronique et/ou connecté. Cependant, il est nécessaire de développer des projets innovants pour ce secteur qui incluent des capteurs détectant des paramètres environnementaux (pH, température), des chemo-capteurs colorimétriques à large spectre (full-color), des composantes électroniques étirables et capteurs tactiles. / To date, the development of smart textiles, artificial skins, environmental sensory devices, and flexible/stretchable optoelectronics involve the innovation of material synthesis, mechanical design, and fabrication strategies have attracted considerable attention in wearable displays. The mechanically flexible and stretchable functions with cost-effective, facile, lightweight, and large-area expandability are essential modules to fabricate the optoelectronic devices in various wearable display applications. Among them, electrospinning is an easy, versatile, and inexpensive technique enables flexible morphology tuning, assembling various functional nanofibers, and high-throughput continuous production has motivated extensive studies on wearable electronics applications. Therefore, it is necessary to develop innovative projects including the environment-sensing elements with pH-sensing dependency, temperature-sensitive, full-color switchable chemosensors, stretchable electronics, and tactile sensors for various wearable electronics applications.

Ce travail de thèse suit une logique exposée dans trois chapitres, pour terminer par un exposé sur des applications futures. La première partie fait l’inventaire des difficultés de l’apprentissage des habiletés de base de la chirurgie robotique, notamment dans ses aspects de l’exploitation des avantages ergonomiques. Elle se fonde notamment les travaux de master 2 des Docteurs N. Hubert et C. Perrenot auxquels l’auteur a participé. On conclut ainsi à la nécessité de développer un outil de monitoring de l’ergonomie plus efficace que celui existant sur les logiciels du simulateur dV-Trainer®. La deuxième partie décrit la conception et la validation d’un système de capteurs de pression des avant-bras sur les appuis-bras de la console du robot et/ou des simulateurs (Système de Surveillance de Pression - SSP-). Il est créé le concept d’Armrest Load, formule plus efficace d’évaluation des performances des stagiaires en matière d’ergonomie que l’évaluation automatique par le simulateur. La troisième partie décrit l’amélioration du système SSP via l’ajout de fonctions supplémentaires et leurs évaluations : - une alarme informant l’étudiant des mauvaises positions. Ce système crée un réflexe conditionné, accélère l’utilisation ergonomique des appuis-bras du simulateur, mais également améliore les performances globales. - des caméras et une interface, « Contrôleur d’Évènement en Simulation Robotique » (CESIR), permettant au stagiaire de visionner à volonté et pour chaque exercice les vidéos de référence, celles avec les erreurs à éviter et ses propres performances. Ces techniques vidéo, largement répandues dans le milieu sportif sont utilisées pour la première fois en chirurgie et prouvent ici leur efficacité. La partie « conclusion » synthétise les résultats de tout le travail de thèse et expose des perspectives d’amélioration du système CESIR et de son utilisation dans la poursuite de la collaboration franco-chinoise en formation robotique. / This thesis is logically split into three chapters, concluding with a discussion on future applications. The first part makes an inventory of the difficulties in learning the basic skills in robotic surgery, especially in the aspects of exploiting the ergonomic benefits. It relies in particular on the master degrees of Drs N. Hubert and C.Perrenot to which the author participated. It is concluded that there is a need to develop a more efficient monitoring tool for ergonomics than the existing software on the dV-Trainer® simulator. The second part describes the design and validation of a system of forearms pressure sensors attached on the robot’s console and/or simulator’s armrests (SSP- Pressure Surveillance System). The concept of Armrest Load is created, a more effective formula for evaluating the trainees’ performance in ergonomics than the automatic evaluation provided by the simulator. The third part describes the improvement of the SSP system by adding additional functions and their evaluation: - An alarm informing the student of bad positions. This system creates a conditioned reflex, speeds up the ergonomic use of armrests on the simulator, and also improves the overall performance. - Cameras and a "Controller of Event in Robotic Simulation " (CESIR) interface, allowing the participant to view at will the reference video, the one with mistakes to avoid and the video of their own performances. This video technique is widely used in sports but is applied for the first time in surgery and proves its effectiveness. The conclusion part summarizes the results of the whole thesis and outlines the possibilities for CESIR’s improvement and its development in the French-Chinese collaboration in robotic training.

Les oxydes sont des matériaux complexes possédant une physique riche et toujours au centre de nombreuses recherches. Parmi ces oxydes, les manganites ont retenu notre attention car ils présentent une transition métal-isolant abrupte en température, générant un très fort coefficient en température en conditions d’environnement standards. L’objectif de ce travail est de démontrer que ce fort coefficient peut être exploité pour l’amélioration des performances des jauges de pression de type Pirani qui subissent un certain essoufflement dans leur développement. La voie menant à l’aboutissement d’une telle jauge à base d’oxydes pose en revanche un certain nombre de limites technologiques à lever et auxquelles nous avons répondu. La première de ces limites concerne l’intégration des oxydes monocristallins sur silicium, que nous avons reproduite et étendue au cas des substrats de type SOI et GaAs. Nos procédés proposent de passer par deux techniques, l’épitaxie par jets moléculaire et l’ablation laser, pour assurer une croissance optimale de nos films sur ces substrats et d’assurer la reproductibilité de leur réponse en température, notamment la position de leur température de transition en accord avec l’état de l’art. L’épitaxie de ces oxydes génère un niveau de contrainte non négligeable qui n’a jamais été mesuré. En concevant divers dispositifs autosupportés, et en s’appuyant sur les considérations théoriques et des modélisations par éléments finis, nous avons pu quantifier la relaxation de cette contrainte importante et assurer près de 100% de reproductibilité des systèmes suspendus. Ces mêmes systèmes nous permettent de caractériser pour la première fois le facteur de jauge des manganites monocristallines par l’application d’une contrainte contrôlée par nanoindentation. Il est également démontré qu’ils constituent des jauges de pression Pirani à la sensibilité accrue de deux ordres de grandeur pour une consommation en puissance réduite. Des solutions permettant d’améliorer l’ensemble des aspects de ces jauges sont étudiées. / Functional perovskite oxides are of great interest for fundamental and applied research thanks to the numerous physical properties and inherent mechanisms they display. With the maturation of thin film deposition techniques, research teams are able to reproduce oxide films and nanostructures of great crystalline quality with some of the most remarkable properties found in physics, a state leading now to upper-level thoughts like their ability to fulfill industrial needs. This thesis work is an answer to some of the problematics that arise when considering the oxide transition from the research to the industrial world, by focusing on their integration for micromechanical devices (MEMS) such as sensors. In order to ease the access to MEMS manufacturing, it is of importance to allow the deposition of thin oxide films on semiconductor substrates. A first study show that these access bridges can be crossed when using appropriate buffer layers such as SrTiO3 deposited on Silicon or gallium arsenide – produced in close collaboration with INL by Molecular Beam Epitaxy - and yttria-stabilized zirconia directly grown on silicon by pulsed laser deposition, which adapts the surface properties of the substrate to perovksite-based materials. Formation of thin epitaxial and monocristalline films of functional oxides is thus allowed on such buffer layers. As an example, characterization of two mixed-valence manganites La0.80Ba0.20MnO3 and La0.67Sr0.33MnO3 demonstrates that both materials are of excellent crystalline quality on these semiconducting substrates and that their physical characteristics match the one found on classical oxide substrates like SrTiO3. Stress evolution in thin films, which has a major effect in epitaxial materials, is then addressed to quantify its impact on oxide microstructure viability. This work gives an identification of the most significant factors favoring stress generation in the case of the films we produced. Then, based on the deformation measurement of free-standing cantilevers made of manganites on pseudo-substrates, and with the support of appropriate analytical models, a new state of equilibrium is established, giving new information about the evolution of static stress from deposition to MEMS device manufacturing. Solutions to manage their reproducibility is then studied. From another perspective, free-standing microstructures made of monocristaline manganites were used to display the effect of dynamical strain on their electrical resistivity (piezoresistivity) and their inherent structures.Finally, a specific example of the capabilities of reproducible free-standing microbridges made of manganites is presented through the conception of a pressure gauge based on Pirani effect. Indeed, it is shown that the abrupt resistivity change this material exhibits near their metal-to-insulating transition creates high temperature coefficients in standard application environments that can be taken as an advantage to improve the sensibility and power consumption of such gauges whose development had significantly slowed down over the past years. A set of improvements on their sensitivity range and their signal acquisition is also presented. Combined to a specific and innovative package, it is also demonstrated that Pirani gauge capabilities can be enhanced and that the complete devices fulfill embedded application requirements.