Les systèmes multi-capteurs intelligents de gaz (ou nez électroniques), sont déjà déployés dans des domaines aussi divers que la parfumerie, l'industrie alimentaire, la surveillance de l'environnement et à des fins militaires et médicaux. La collaboration engagée dans le cadre du Projet Européen SNIFFER, s'est focalisée sur le développement d'un système type nez-électronique innovant basé sur des capteurs MEMS combinés à des bio-récepteurs olfactifs pour la détection de substances illicites. Dans un autre contexte et ce, dans une démarche interne à ESIEE-Paris, nous avons aussi choisi d'élargir le sujet à la conception d'un système multi-capteurs pour une application en détection de composés organiques volatils.Ainsi, dans la perspective d'une amélioration des technologies par l'utilisation de capteurs MEMS, cette thèse traite de la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de type micro-poutre résonante en silicium et en diamant et également de la preuve de concept d'un système multi-capteur pour la détection de gaz. Si le choix du silicium en tant que matériaux pour la fabrication de nos capteurs a pour avantage l'énorme éventail de connaissances disponible, le diamant fait sa place dans le monde de la microtechnologie grâce à ses remarquables propriétés physiques et chimiques. Même si certaines études portant sur le développement de dispositifs et de procédés MEMS en diamant sont décrites dans la littérature, une comparaison entre les performances des deux matériaux pour le développement d'un même capteur n'a jamais été étudiée. En conséquence, cette thèse est axée sur l'utilisation de ces deux matériaux pour la conception de micro-poutres résonantes, afin d'établir des éléments de comparaison pour les deux technologies.Dans un premier temps, nous avons mis en place des procédés de micro-structuration du diamant développés auparavant dans notre laboratoire afin de les optimiser pour une fabrication totalement compatible avec les techniques de salle blanche et indépendante des variations des conditions de synthèse du diamant. Nous avons, pour la première fois, réalisé des micro-poutres en diamant avec des jauges en silicium polycristallin intégrées. Nous avons caractérisé le module d'Young du diamant en utilisant deux méthodes différentes aboutissant dans le cas le plus précis à la valeur de 1080 GPa. Ensuite, la sensibilité massique des poutres en silicium et en diamant fabriquées a été évaluée. Dans le meilleur des cas, et pour des fréquences de résonance très proches, les poutres en silicium présentent une sensibilité de 89 Hz/ng tandis que pour les poutres en diamant, la sensibilité s'élève à 212 Hz/ng. Nous avons également observé que pour des faibles variations de masse, l'impact de l'ajout de masse sur le coefficient de qualité des poutres était plus critique pour les structures en silicium.Finalement, une preuve de concept de l'utilisation du système multi-capteur à base de micro-poutres en silicium et en diamant pour la détection de composés organiques volatils a été mise en place. Nous avons démontré la détection de plusieurs composés dans des concentrations de l'ordre de la dizaine de ppm de manière totalement automatique et sans recours à des instruments de mesure. Les résultats de ces détections forment une base de données à partir de laquelle nous avons, par l'application de méthodes statistiques multivariées, abouti à la discrimination des composés testés / Smart multi-sensor systems for gas detection (or electronic noses), are already deployed in areas as diverse as cosmetics and food industry, environment monitoring and military and medical purposes. The ongoing collaboration within the European SNIFFER Project, focused on the development of an innovative electronic nose-like system based on MEMS sensors combined with olfactory bioreceptors for the detection of illicit substances. In another context and, within an internal approach to ESIEE-Paris, we have also chosen to expand the topic to design a multi-sensor system for application in volatile organic compounds detection.Thus, in view of improving these technologies through the use of MEMS sensors, this manuscript comprehensively investigates the design, fabrication and characterization of silicon and diamond resonant micro-cantilevers sensors, and also presents a proof of concept of a multi-sensor system for gas detection. To date, silicon has been used as a building block of micro sensors, whose features are very well known and argued extensively in the literature. On the other hand, diamond as a unique material in terms of its superior physical and chemical properties, has been received attention in microelectronics. Although the realization of diamond MEMS sensors has been presented before, it has been never compared to silicon MEMS gas sensors. Therefore, to establish elements of comparison for the two technologies, this thesis aimed to use these two competitive materials as a building block of micro-cantilever based MEMS gas sensors.Firstly, we set up specific micro-machining processes for the realization of diamond patterns that have been previously developed in our laboratory in order to optimize them for a fully clean room compatible manufacturing, independent of changes in diamond synthesis conditions. We have, for the first time, realized diamond micro-cantilevers with integrated polysilicon gauges. The Young's modulus of diamond was characterized using two different methods resulting in the best case of the value as 1080 GPa. Then, the mass sensitivity of silicon and diamond microcantilevers was evaluated. In the best case, for sensors presenting very similar resonant frequencies, the silicon microcantilever have a sensitivity of 89 Hz / ng whereas for the diamond microcantilever, the sensitivity is 212 Hz / ng. It has been also observed that the impact of adding mass on the beam quality factor was more critical to the silicon structures for low mass load cases.Finally, a proof of concept for the use of the multi-sensor system based on silicon and diamond micro-cantilevers for the detection of volatile organic compounds was established. We demonstrated the detection of several compounds in concentrations of the order of tens of ppm in a fully automatic way and without the use of measuring instruments. The results of these detections form a database from which we resulted in the discrimination of the compounds tested by applying multivariate statistical methods

Les matériaux hybrides organique/inorganiques ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années dans les études des nanomatériaux. En effet, ils possèdent des propriétés physiques et chimiques uniques grâce aux effets synergiques de chaque composant. En particulier, les nanoparticules de silice (SiO2) présentent des caractéristiques intéressantes, comme une bonne stabilité chimique et thermique. Elles peuvent être préparées de différentes tailles et peuvent aussi être facilement fonctionnalisées. Les polymères conducteurs intrinsèques comme le polythiophène et la polyaniline (PANI) peuvent exister sous différents états d'oxydation et donc répondre à des stimuli extérieurs en changeant une de leur caractéristique (couleur, conductivité, etc…). La PANI est un polymère non-toxique, thermiquement stable et peu coûteux avec une conductivité relativement élevée qui a été utilisée comme film antistatique, matériel d'électrode, inhibiteur de corrosion et comme surface sensible de capteur. Depuis la découverte des polymères conducteurs en 1977, plusieurs travaux ont été effectués sur la préparation, la caractérisation et les applications de films polymériques construits à la surface de matériaux comme la silice. Parmi les différents types de composites existants, les particules de type cœur@coquille composées d’un cœur inorganique et d’une couronne de polymère sont les plus prometteurs. Dans cette étude, nous avons donc décidé de travailler sur la synthèse de composites cœur@coquille constitués d’une coquille de PANI et d’un cœur de particules de silice.Dans la littérature, en utilisant des protocoles expérimentaux similaires, deux morphologies très contradictoires ont été obtenues après la polymérisation par oxydation chimique d'aniline en présence de particules de silice : cœur@coquille et framboise (structure inversée avec la PANI comme cœur). Nous avons alors décidé de réexaminer la synthèse de PANI en présence de particules de silice. Pour cela, nous avons, dans un premier temps, synthétisé des particules de silice monodisperses de différentes tailles (300, 160 et 90 nm) par procédé Stöber. Nous avons ensuite réalisé la polymérisation chimique de l'aniline en présence de ces particules de silice dans des conditions contrôlées afin de promouvoir une adsorption des ions aniliniums en surface des particules. Différents paramètres expérimentaux ont été étudiés tels que la température, la concentration en réactifs, la taille des particules… Les résultats en termes de morphologie sont discutés en fonction de ces paramètres. Dans un second temps, nous avons fonctionnalisé la surface des particules de silice par un alcoxysilane afin de favoriser la polymérisation de l’aniline à la surface des particules. Ainsi, nous avons obtenu des structures SiO2@PANI avec une épaisseur de polymère contrôlable. La dernière partie de ce travail traite des premiers essais qui ont été réalisés afin d’utiliser ces composites SiO2@PANi pour des applications environnementales. Deux applications ont notamment été envisagées, l'adsorption de métaux pour l'aspect de particule et la détection de gaz pour les capacités conductrices de la PANI. / Organic/inorganic hybrid materials have received much attention in recent years such as in the field of nano-materials. Indeed, these materials possess unique physical and chemical properties due to the synergistic effect of both components. In particular, silica nanoparticles (SiO2) present interesting properties, such as good chemical and thermal stabilities. They can be prepared in different size and can be easily chemically modified. Intrinsically conducting polymers such as polythiophene and polyaniline (PANI) can exist in different oxidation states and respond to external stimuli by changing one of their characteristics (color, conductivity, …). PANI is a non-toxic, thermally stable and low cost polymer with relatively high conductivity that has been used as antistatic coating, electrode materials, corrosion inhibitor and active layer of sensors. Since the discovery of conducting polymer in 1977, several works have been carried out on the preparation, characterization and applications of polymeric films build on various surfaces like silica. Among the different kinds of composites that exist, inorganic-polymer core-shell nanoparticles are more promising candidates. In this study, we decided to work on the synthesis of core@shell hybrid compounds based on PANI shells and silica nanoparticles cores.In the literature, using similar experimental protocols, two morphologies have been obtained after chemical polymerization of aniline in the presence of silica particles: core@shell and raspberry (inverted structure with PANI as core). We thus decided to reinvestigate the synthesis of PANI in the presence of silica particles. For this, we first synthesized silica particles with different sizes by Stöber process. We then performed the chemical polymerization of aniline in the presence of these naked silica particles under different conditions: temperature, concentration of reactive. However, in all cases, we never managed to obtain core@shell structures. Finally, we succeed in developing a method to prepare these core@shell particles which relies on the functionalization of the SiO2 by alkoxysilanes followed by the polymerization of aniline at room temperature. A series of core-shell particles with tunable PANI thickness has been prepared by this method. The last part of this work deals with the first tests that have been carried out in order to use these composites SiO2@PANi for environmental applications. Two applications have been considered, the adsorption of metals for the particle appearance and the detection of gas for the conductive capacities of the PANI.

Les MEMS et NEMS résonants sont d'excellents candidats pour la réalisation de systèmes de détection de gaz haute résolution et faible couts ayant des applications dans les domaines de la sécurité, la défense, l'environnement et la santé. Cependant, la question du choix des techniques de transduction est toujours largement débattue. La transduction piézoélectrique pourrait être avantageusement exploitée mais elle est encore peu connue à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser vers la réalisation de capteur de gaz à haute résolution à l'aide résonateurs à base de micro / nano poutres piézoélectriques en couvrant la chaîne de prototypage complète depuis les techniques de dépôt des matériaux jusqu'à l'expérience de preuve de principe de mesure de gaz. Pour cela, notre première contribution concerne la modélisation analytique des performances et l'optimisation, design et système, d'un capteur de gaz à base de poutres résonantes piézoélectriques. En particulier, nous démontrons que la diminution de l'épaisseur du film piézoélectrique actif sous la barre des 100 nm permet d'atteindre les meilleures performances. La deuxième contribution concerne la fabrication, la caractérisation et la démonstration des performances capteur de poutres résonantes de 80 μm de long exploitant un film piézoélectrique en AlN de 50 nm d'épais. Ainsi nous avons démontré expérimentalement la stabilité fréquentielle exceptionnelle de ces dispositifs atteignant des déviations standard de l'ordre de 〖10〗^(-8), au niveau de l’état de l'art. Ainsi, ils permettent la détection de vapeurs Di -Methyl -méthyl- phosphonates, un simulateur de gaz sarin, avec des concentrations aussi faibles que 10 ppb. Bien que le niveau d'intégration de notre système de détection ne soit pas suffisant, ces résultats prouvent le fort potentiel de ces résonateurs cantilever piézoélectriques pour un développement industriel futur. / Resonant MEMS and NEMS are excellent candidate for the realization of low cost and high resolution gas sensing systems that have several applications in security, defense, and environment and health care domains. However, the question of the transduction technique used to couple micro or nano scale signals to the macro scale is still a key issue. Piezoelectric transduction can be advantageously exploited but has been rarely studied at the nano-scale. The objective of this PhD is thus to progress toward the realization of high-resolution gas sensor using piezoelectric micro/nano cantilevers resonators and cover the whole prototyping chain from device fabrication to proof of principle experiment. Our first contribution in this research relates the analytical modeling of the sensing performance and the system and design optimization. In particular we demonstrate that decreasing the piezoelectric active film thickness below 100 nm is particularly beneficial. The second contribution relates the fabrication, characterization and demonstration of the high sensing performances of 80 μm long cantilevers embedding a 50 nm thick piezoelectric AlN film for transduction. These devices exhibit state of the art performances in terms of resonance frequency deviation down to the 〖10〗^(-8) range. They allow thus the detection of Di-Methyl-Methyl-Phosphonate vapors, a sarin gas simulant, with concentration as low as 10 ppb. Although the level of integration of our sensing system is not sufficient for real life application, these results prove the high potential of these piezoelectric cantilever resonators for future industrial development.