L’étude du fonctionnement de notre système nerveux et des mécanismes sensoriels a mené à la création de capteurs événementiels. Ces capteurs ont un fonctionnement qui retranscrit les atouts de nos yeux et oreilles par exemple. Cette thèse se base sur la recherche de méthodes bio-inspirés et peu coûteuses en énergie permettant de traiter les données envoyées par ces nouveaux types de capteurs. Contrairement aux capteurs conventionnels, nos rétines et cochlées ne réagissent qu’à l’activité perçue dans l’environnement sensoriel. Les implémentations de type « rétine » ou « cochlée » artificielle, que nous appellerons capteurs dynamiques, fournissent des trains d’évènements comparables à des impulsions neuronales. La quantité d’information transmise est alors étroitement liée à l’activité présentée, ce qui a aussi pour effet de diminuer la redondance des informations de sortie. De plus, n’étant plus contraint à suivre une cadence d’échantillonnage, les événements créés fournissent une résolution temporelle supérieure. Ce mode bio-inspiré de retrait d’information de l’environnement a entraîné la création d’algorithmes permettant de suivre le déplacement d’entité au niveau visuel ou encore reconnaître la personne parlant ou sa localisation au niveau sonore, ainsi que des implémentations d’environnements de calcul neuromorphiques. Les travaux que nous présentons s’appuient sur ces nouvelles idées pour créer de nouvelles solutions de traitement. Plus précisément, les applications et le matériel développés s’appuient sur un codage temporel de l’information dans la suite d'événements fournis par le capteur. / Studying how our nervous system and sensory mechanisms work lead to the creation of event-driven sensors. These sensors follow the same principles as our eyes or ears for example. This Ph.D. focuses on the search for bio-inspired low power methods enabling processing data from this new kind of sensor. Contrary to legacy sensors, our retina and cochlea only react to the perceived activity in the sensory environment. The artificial “retina” and “cochlea” implementations we call dynamic sensors provide streams of events comparable to neural spikes. The quantity of data transmitted is closely linked to the presented activity, which decreases the redundancy in the output data. Moreover, not being forced to follow a frame-rate, the created events provide increased timing resolution. This bio-inspired support to convey data lead to the development of algorithms enabling visual tracking or speaker recognition or localization at the auditory level, and neuromorphic computing environment implementation. The work we present rely on these new ideas to create new processing solutions. More precisely, the applications and hardware developed rely on temporal coding of the data in the spike stream provided by the sensors.

Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse / Diamond material is very promising for future technological applications due to its outstanding physical and chemical properties. In particular, its remarkable mechanical features may be used advantageously for MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) devices development. However, even though several diamond-based MEMS devices have been reported in the literature, the mechanical properties of this material have never been combined to its chemical properties for developing resonating MEMS-based biochemical transducers. Thus, the purpose of this study was to demonstrate the interest of such diamond transducers for chemical or biochemical sensing applications. MEMS devices are indeed attractive because they allow fast, label free and sensitive detection in real time on small volumes due to their miniaturized size. Moreover they offer the possibility to address non electroactive target species which are undetectable using classical electrochemical methods. In this study, we developed specific clean room compatible processes for diamond micro-structuring. The bottom-up approaches undertaken here were based on diamond patterns growth. Hence they avoid time consuming diamond etching steps. These processes allowed fabricating several diamond micro-cantilever transducers over 4-inches substrates. The mechanical characterization of the cantilevers in oscillating regime was performed in order to extract the material Young's modulus E when the structures were made of different polycrystalline diamond qualities. In the best case, a value of E as high as 1100 GPa and very close to the Young's modulus of monocrystalline diamond (1200 GPa) was achieved. In parallel, we verified that both cantilevers resonance frequency and Q-factor were significantly higher than those of identical silicon structures (on average twice higher). This makes diamond mechanical structures more suitable for use in liquid media. In such damping media a very poor sensitivity to mass changes was determined. Nevertheless, their sensitivity to liquid density changes was found to be significant (-3Hz.kg-1.m3). More importantly, by functionalizing diamond micro-cantilevers with caproic acid, an evidence of these transducers high sensitivity to surface molecular interactions was shown. Especially, when charge density variations occurs several tens Hz changes were measured on kHz-range oscillating cantilevers. In this context, a label free DNA sensor was achieved and allowed the specific detection of 24-mer target DNA in real time. In parallel to this work, actuation and boron doped diamond-based readout gauges were integrated to the resonant cantilevers and characterized. They allowed interfacing the cantilevers to a dedicated acquisition electronic prototype developed in the course of this study

Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse

A large part of the activities described in what follows circle around a small number of questions: what is downscaling bene cial to in sensing? What is the technical and scienti c price one has to pay for downscaling? From a general point of view and at a very di erent scale, those are considerations close to the ITRS roadmap for More Moore in the MOS eld, and the tremendous research e orts and scienti c challenges demanded by the continuity of the Moore's law. Although the sensing eld may be included in the so-called More-Than-Moore movement, its evolution has been much less formalized than its MOS counterpart. This document will try to show how my activities modestly contributed to this dispersed e ort. As an introduction, a rst study will be brie y described in this chapter, study which was seminal for those activities as well as which of the group. A number of scienti c issues appear along this study: device physics, device structure, transduction, noise modelling, non-linearities. It is a good way to introduce how the document is structured: this is the work of a team, and the at least partially chronological order is nothing but a logical way to describe how this work have been part of the evolution of a team's work.

L’objectif de cette thèse était de synthétiser des multicouches à base de couches ferromagnétiques GeMn qui sont empilées et séparées par des couches de Ge en utilisant la technique d'épitaxie par jets moléculaires.Outre de nombreuses applications en spintronique issues de cette structure de matériaux, la réalisation de capteurs biochimiques dédiés à la détection moléculaire est l’idée directrice de ce travail. Un tel dispositif présenterait les atouts que ses matériaux constituants apportent : haute sensibilité, sélectivité et compatibilité parfaite avec la technologie de Si-Ge. Dans la première partie de ce manuscrit sont présentés les résultats obtenus de la croissance d’hétérostructures Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx sur Ge(111) puis la reprise d’épitaxie de la barrière de Ge sur Mn5Ge3, la première étape avant la croissance de la deuxième couche ferromagnétique. Nous avons également analysé les propriétés structurales et magnétiques de ces couches minces ainsi que les dificultés dues à la croissance de la couche de Ge, notamment la diffusion et la ségrégation. Deux approches utilisant le carbone ont été proposées pour réduire la ségrégation : barrière de diffusion en carbone et remplissage des sites interstitiels du réseau Mn5Ge3 par du carbone. Le second axe alternatif pour la synthèse est consacré à la croissance de la structure colonnaire empilée Ge1-xMnx. Les conditions pour obtenir la structure colonnaire ont été déterminées. Les propriétés structurales et mesures magnétiques ont montré que cette phase était particulièrement intéressant dans la famille des semiconducteurs ferromagnétiques dilués à base de Ge-Mn pour les applications en spintronique et croissance de multicouches. La reprise d’épitaxie de plusieurs couches ferromagnétiques séparées par Ge a été effectuée et l’étude du couplage magnétique a été également menée. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur le greffage de porphyrines et de protéines sur diverses surfaces hydrophiles et hydrophobes (Si, Ge), permettant d’accéder aux études de la faisabilité des capteurs Ge/GeMn. L’ensemble de ce travail indique que les multicouches de Ge/GeMn apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour la spintronique, notamment pour capteurs bio-chimiques dans les semi-conducteurs du groupe IV. / The objective of this thesis is to synthetize the multilayers based on the sandwiched structure of GeMn ferromagnetic layers by mean of Molecular Beam Epitaxy on Ge substrate. Applications in spintronic field from this study are potential such as structures of spin valves, nanoscale sensors devoted to the detection of biochemical molecules. We actually focus on the biochemical sensors based on GMR (or TMR) phenomenon in stacking layered structure. These devices offer many advantages that the constituent materials may provide : high sensibility, selectivity, and especially, compatibility with Si-Ge technology. The first part of this manuscript presents the results obtained of heterostructure growth of Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx on Ge(111), then Ge overgrowth on Mn5Ge3, the first step to study multilayers growth. Also, we have discussed about the structural and magnetic properties of these thin films as well as the problems due to the growth of multilayers, especially the diffusion and segregation. The approaches to reduce the diffusion were proposed by introducing carbon atoms as diffusion barrier or by fulfilling insterstial sites of Mn5Ge3 lattice by carbon atoms. The second axis of materials synthesis is devoted to the growth of multilayers Ge1-xMnx nanocolumn structure. The growth condition of Ge1-xMnx nanocolumns has been determined. We have studied structural and magnetic properties of this phase which are of particular interest to spintronic applications and multilayers growth. The Ge/Ge1-xMnx nanocolumns multilayers have been done and the interlayer exchange coupling between ferromagnetic layers has been studied. Finally, we have presented the preliminary results of porphyrin molecules and protein grafting on hydrophilic and hydrophobic surfaces (Si and Ge). This allows accessing to study the feasibility of Ge/GeMn-based sensors. This work indicates that the Ge/GeMn mutilayers appear to be a potential candidate for spintronics and biochemical sensors in the group IV semi-conductors.