Au sein de l'équipe « Microsystèmes » du LIRMM, plusieurs capteurs ont été développés basés sur des structures mécaniques ou thermiques pour réaliser des fonctions de transduction, et ce dans un contexte d'intégration de capteurs à l'aide de technologies microélectroniques standards (MOS). Ces capteurs sont majoritairement résistifs car simples à concevoir et économiques à fabriquer. Néanmoins, parmi leurs inconvénients majeurs, la consommation et le bruit sont les plus notables. Dans une thèse précédente, un circuit de conditionnement nouveau appelé ‘pont Actif' a été proposé. Ce circuit, présenté comme une ‘alternative' au traditionnel pont de Wheatstone, permet de diminuer le courant consommé tout en offrant une amplification importante du signal. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'évaluer l'intérêt du pont Actif dans une application ‘capteur de température'. La mesure de la température est au cœur de très nombreuses applications. De nombreux instruments ont été mis au point, le plus connu restant le thermomètre à mercure. Aujourd'hui, les capteurs de température sont largement utilisés dans les systèmes de mesure, d'instrumentation ou les systèmes de contrôle. Compte tenu de l'étendu des domaines d'application, proposer, dans un contexte de systèmes embarqués, un capteur de température résistif très faible consommation, très performant et occupant une faible surface reste pertinent aujourd'hui. Après un tour d'horizon des solutions existantes concernant la mesure de la température, la première partie de la thèse introduit les principes de fonctionnement du pont Actif différentiel. Sur cette base, différentes déclinaisons de capteurs de température optimisés en termes de consommation sont proposées, modélisées et caractérisées. Ces études montrent que le point de polarisation du capteur est sensible aux variations du procédé de fabrication. Par conséquent, dans le but de contrôler le point de polarisation, nous avons mis en œuvre une conversion tension-courant. Finalement, le capteur a été intégré dans un modulateur Sigma Delta. Aussi, le principe de fonctionnement général du modulateur et l'implantation de la chaîne capteur à retour numérique sont présentés. Le manuscrit est clos par une synthèse des différents points abordés tout au long de ce travail. / Several sensors using standard microelectronic technologies (MOS) have been developed based on mechanical or thermal structures to perform transduction functions by the ‘Microsystems' Team of the LIRMM. These sensors are mainly resistive thanks to their design simplicity and low cost. However, one of their major problems, power consumption and noise are the most notable. In another thesis, a new conditioning circuit called 'Active Bridge' has been proposed. This circuit, presented as an 'alternative' to the traditional Wheatstone bridge, reduces considerably the power consumption while providing an important signal amplification. In this context, the objective of this thesis is to evaluate the usefulness of the Active Bridge in a temperature sensor application.The temperature measurement is at the heart of many applications. Many instruments have been developed, the best known remaining mercury thermometer. Today, the temperature sensors are widely used in measuring systems, instrumentation and control systems. Given the wide application areas, propose, in the context of embedded systems, a resistive temperature sensor ultra-low power, high performance and small remains relevant.After an overview of the existing solutions for this kind of application, the first part of the thesis introduces the principle of the differential Active Bridge. So, different architectures of temperature sensors optimized in terms of consumption are proposed, modeled and characterized. These studies show the dependency of the operating point of the sensor to the process and mismatch variations process. Therefore, in order to control the operating point, a voltage to current conversion has been implemented. Finally, the sensor has been integrated into a Sigma Delta modulator to implement a digital feedback. Finally, a conclusion of the issues and different results have been discussed as conclusion in this manuscript.

Mes activités de recherches sont regroupées en trois parties principales allant de la couche sensible jusqu'au système. La première partie porte sur les plasmas froids. Le plasma, en tant que milieu physiquement et chimiquement très réactif, a essentiellement été utilisé pour le dépôt de couches minces, mais a aussi servi d'outil de caractérisation de surface ou encore de traitement de gaz. La deuxième partie traite du développement d'un capteur de gaz à partir du dépôt de la couche sensible jusqu'au dispositif. Il est présenté à partir des hypothèses de départ jusqu'aux caractéristiques du capteur. La troisième partie concerne les systèmes multicapteur. L'étude se situe cette fois au niveau du système, constitué de plusieurs capteurs, de l'acquisition des signaux et du traitement des données. Pour terminer, mes activités dans des sujets récents sont rapidement exposées dans la quatrième partie de ce mémoire.

Des capteurs MEMS variés peuvent être fabriqués dans une technologie CMOS standard associée à une ou plusieurs étapes de gravure supplémentaires. Dans ce contexte, le micro-usinage du substrat par la face avant permet la fabrication de capteurs résistifs bas coût, basés sur des effets piezorésistifs ou thermiques, mais non optimaux en terme de bruit et de consommation. Cependant, au lieu d'envisager une optimisation technologique du procédé, ce travail s'est plutôt concentré sur le design du capteur et de son interface électronique afin d'améliorer les performances ci-dessus. L'objet de cette thèse est un accéléromètre convectif 3 axes basé sur une topologie initialement prévue pour des mesures suivant 2 axes, dans le plan de la puce, et utilisant une mesure de température différentielle. La mesure de l'accélération dans la direction perpendiculaire au plan de la puce, sans ajouter de structure supplémentaire, est donc étudiée ainsi que l'interface électronique associée. L'originalité de la mesure suivant ce 3ème axe réside dans la mesure de la température de mode commun de la structure existante. Cette étude est réalisée par l'intermédiaire de modélisations multi-physiques et électriques du capteur, de la conception et de la simulation de l'interface électronique et enfin de la caractérisation d'un prototype complet. / In the field of MEMS, various sensors can be manufactured using a standard CMOS technology and subsequent etching techniques. In this context, The Front-Side Bulk Micromachining (FSBM) approach allows the fabrication of low-cost resistive transducers based on either piezoresistive or thermal effects. Nevertheless, such fabrication method leads to non-optimized devices in terms of noise and power consumption. Instead of constraining fabrication technology, and in order to keep fabrication costs as low as possible, this work focuses on sensor design and electronic interfaces to address both issues. In this thesis, the device under study is a 3-axis CMOS thermal accelerometer. The sensor is based on a topology that was primarily introduced for 2-axis measurements only (in-plane acceleration, xy), using differential voltage across sensing thermistors. This work addresses the overall sensing performance by using dedicated front-end electronic and also investigates an opportunity to measure out-of-plane acceleration without the requirement of an additional device. The third axis (z) is provided by measuring a shift in the common-mode temperature, which is clearly an original approach. The study is carried out by means of both physical and electrical modeling of the transducer, electronic design and simulation, and prototype characterization.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes.

Le transport routier est responsable d’une part des émissions de particules fines, notamment dans les grandes agglomérations. Celles-ci ayant des répercussions graves sur la santé humaine et l’environnement, des normes d’émissions des véhicules de plus en plus strictes sont mises en place. Des limites en nombre de particules sont imposées et une obligation de connaitre l’état de santé des organes de post-traitement des gaz d’échappement est également entrée en vigueur (On-Board Diagnostic : OBD).Les capteurs résistifs ont montré de bons résultats pour la mesure de la concentration massique des particules et ont l’avantage d’être simples à mettre en oeuvre, robustes et peu onéreux. Le principe de fonctionnement du capteur est basé sur la mesure de la conductance entre des électrodes de platine. Celle-ci augmente avec le dépôt de suies.L’objectif de ce travail de thèse est de parvenir à déterminer les paramètres clés qui affectent la réponse du capteur. Trois flux de suies présentant des distributions en taille différentes ont été sélectionnés et caractérisés. Un quatrième flux de suies a permis d’appréhender l’impact d’une concentration massique inférieure. La réponse du capteur à ces différents flux de suies a été étudiée. Nous avons montré que la sensibilité et le temps de réponse du capteur sont optimaux pour une tension de polarisation donnée entre les deux électrodes dont la valeur dépend de la distribution en taille des suies. Ce phénomène a été expliqué par les propriétés électriques différentes des suies et modélisé par un équilibre entre accumulation et combustion par effet Joule des suies déposées permettant de simuler la réponse temporelle du capteur. / Road transport contributes to a part of the particulate matter emissions, especially in big cities. Due to the negative effect of these pollutants on the human health and environment, more and more stringent emission standards for automotive are applied. These emissions are now limited in number of particles per kilometer and the vehicle need to indicate when there is some failure of the systems of depollution (OBD: On-Board diagnostic).Resistive sensors have shown good results to measure soot particles mass concentration. They have advantage of being a simple and robust technology that can be easily manufactured at a cheap price. The sensor principle consists of conductance measurement between two platinum electrodes. Conductance increases with soot deposition. This work aims to define the key parameters that affect the sensors response. Three particles flow with different particles size distributions (centered at 90, 70 and 50 nm) were used and characterized. A fourth flow was used to see the impact of a lower mass concentration. The sensor response exposed to these different flows was studied. It was shown that the sensor sensibility and response times are optimal for a given polarization voltage between the electrodes whose value depends on the size distribution. This phenomenon was explained by the different electrical properties of the soot particles and modeled by equilibrium of soot accumulation and their combustion by Joule heating that permitting to simulate the sensor temporal response.

Améliorer la sécurité routière passe par une meilleure compréhension des causes d'accidents. Il est donc nécessaire de développer des observatoires discrets pour étudier la manière de conduire de tous les automobilistes. Une partie de cette analyse implique l'utilisation de capteurs mesurant les trajectoires des véhicules sur une portion de route. Deux capteurs innovants ont été crées pour pallier au manque de capteurs suffisamment précis pour ces travaux de recherche : le premier est un capteur à fibres optiques présentant une succession de réseaux de Bragg et le second, protégé par un brevet, est fondé sur une technologie résistive. Le premier repère la déformation locale de fibres optiques noyées à moins d'un centimètre sous la surface de la chaussée. Il utilise la variation de longueurs d'onde engendré par l'extension de la fibre à la zone de contact roue - sol. En utilisant un algorithme adéquat, il est insensible à la température. Le second est constitué de deux conducteurs dont un est résistif. Le poids du véhicule engendre un contact électrique entre les deux conducteurs, transformant la résistance électrique de l'ensemble. Les modèles développés, électrique ainsi que de variation thermique, permettent sa meilleure utilisation. Ils ont été soumis à une expérimentation sur une route départementale. Le capteur optique s'avère plus performant mais coûteux. Le deuxième n'est pas assez robuste mais présente des perspectives intéressantes. / This action stake is not technology for itself. It is a great help the development of new safety functions, e.g. the estimation of driver’s behaviour based uponthe vehicle’s trajectory. This trajectory is determined via two sensors we developed. This system must not disturb the driver and should therefore remain invisible to him. The first one is a fiber Bragg grating (FBG) sensor. It detects local strain due to the vehicle weight. The fiber is embedded in the road thanks to resin used in other traffic sensors. The vehicle location is spotted according to the variations of Bragg wavelengths. The fiber extension located under the ground - wheel contact zone changes the step of the Bragg grating. The second one is based upon two conductors. One of them has a grater electrical resistance. The vehicle’s weight creates a link between the two conductors. The resulting electrical resistance provides a lateral position estimation of the vehicle. Electrical and thermic models and simulation even increase the sensor reliability. A caveat is lodged. Both of them were tested on a secondary road. To put in a nutshell, the FBG sensor gives better results but is very expensive (sensors and interrogator too). The resistance sensor is not much raw nevertheless it has interesting perspectives.