Depuis 1954, où leffet piézorésistif a été découvert dans Silicium, la démarche pour mesurer la pression a changé et de nouveaux dispositifs avec des performances remarquables sont apparus sur le marché. Grâce au développement des microtechnologies, une nouvelle famille de capteurs de pression piézorésistifs miniatures sest ainsi progressivement imposée pour de nombreuses applications. Même si le principe de fonctionnement des capteurs de pression piézorésistif en silicium reste le même depuis de nombreuses années, loptimisation des capteurs pour une application donnée reste toujours une étape couteuse. Cest pourquoi de nombreux travaux ont été effectués pour développer des outils de conception les plus performants possibles afin de limiter les phases de validation expérimentales. Il existe ainsi sur le marché des logiciels de simulation 3D multiphysiques qui permettent de prendre en compte aussi bien les phénomènes thermomécaniques quélectriques qui sont nécessaires pour ce type de capteurs. Malgré les progrès constants dans la puissance de calcul des ordinateurs, loptimisation de ces capteurs par des méthodes de simulation élément fini peut savérer couteuse en temps si on veut prendre en compte lensemble des caractéristiques du capteur. Cest notamment le cas pour les jauges de contraintes en silicium dont le profil de dopage nest pas constant dans lépaisseur car les caractéristiques électriques et piézoélectriques dépendent du niveau de dopage. Les travaux de cette thèse portent donc sur le développement dun outil de simulation analytique qui permet dune part une optimisation rapide du capteur par une technique multi-objectif semi-automatique et dautre part une analyse statistique des performances pour estimer le rendement de fabrication potentiel. Le premier chapitre décrit le contexte de ces travaux de thèse. Le second chapitre présente le principe de fonctionnement du capteur ainsi que tous les modèles analytiques mis en oeuvre pour modéliser le c apteur. Ces modèles analytiques sont validés par des simulations élément finis. Le troisième chapitre porte sur loutil doptimisation et danalyse statistique développé dans un environnement MATLAB. Le quatrième chapitre décrit la fabrication et la caractérisation des cellules de tests dont le comportement est ensuite comparé aux modèles analytiques. Ces caractérisations ont permis de montrer notamment que les modèles utilisés généralement pour décrire la dérive thermique des piézorésistances présentaient des erreurs notables. Des structures de tests spécifiques ont ainsi été mise en oeuvre pour avoir des données plus fiables. Finalement la dernière partie du manuscrit donne les conclusions générales ainsi que les perspectives de ce travail.

La thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche collaborative VEADISTA (Veille à distance et alerte intelligente) qui repose sur la conception d’une technologie ergonomique à bas coût. L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser des capteurs de température et de pression imprimés sur support flexible pour des applications biomédicales. Ils doivent être adaptés à une intégration sur un transpondeur passif télé-alimenté, conformables pour s’adapter au bras du patient, bas coût et permettant un transfert technologique vers l’industrie.Des prototypes de tests ont été réalisés dans le but d’identifier la topologie et la couche active les plus prometteuses pour la réalisation des capteurs de température en tout imprimé sur support souple. A l’issue de cette étude préliminaire, une thermorésistance à base d’encre d’argent a été réalisée par jet d’encre sur un substrat flexible. La caractérisation de ces capteurs a permis d’évaluer leur sensibilité et d’attester de leur bonne linéarité.Des tests préliminaires sur des capteurs commerciaux ont ensuite été effectués pour démontrer qu’il était possible de détecter le rythme cardiaque avec un capteur de pression. A la suite de cette étude, des capteurs de pression sur support souple ont été fabriqués en utilisant la technologie jet d’encre. Ces capteurs ont été caractérisés électriquement sous contrainte mécanique contrôlée. Pour aboutir à ces résultats, de nombreux développements technologiques ont été réalisés autour de la technique d’impression par jet d’encre. La maîtrise du triptyque encre-tête d’impression-substrat est en effet indispensable pour l’obtention de motifs de qualité. / This thesis is a part of the collaborative research project VEADISTA (Remote monitoring of vital parameters and smart alerts) based on the conception of an ergonomic technology at low-cost.The objective of this thesis is to design and to realize printed temperature and pressure sensors on flexible support for biomedical applications. Subsequent to this, these sensors must be suitable to an integration on a passive transponder remotely powered, conformable to fit the patient's arm, low cost and allowing a technological transfer towards industry.Prototype tests were realized in order to identify the most promising topology and active layer to achieve printed temperature sensors on flexible support. At the end of this preliminary study, a RTD based on a silver ink was performed by inkjet on a flexible substrate (Kapton). The characterization of these sensors allowed to assess their sensitivity and to attest to their good linearity.The preliminary tests on commercial sensors were then made to demonstrate that it was possible to detect the heart rate with a pressure sensor. Following this study, pressure sensors were manufactured on flexible support using inkjet technology. These sensors were electrically characterized under controlled mechanical constraint. To achieve these results, many technological developments were realized around the inkjet printing technique. The mastery of the ink – inkjet head – substrate interaction is indeed essential for obtaining good printed quality and functional sensors.

Des structures multicouches NiCoCrAlY / Al2O3 / TiOx / Pt / AlN déposées par pulvérisation cathodique sur superalliage base nickel, destinées à la réalisation de capteurs de pression sur pièces de turbomachine, sont étudiées et caractérisées. Les principaux objectifs de l'étude sont de résoudre le problème d'adhérence du film de platine (Pt) sur l'alumine (Al2O3) et d'améliorer la texture cristallographique {0001} des couches de nitrure d'aluminium (AlN) favorable à l'effet piézo-électrique recherché. L'influence d'une couche d'accrochage de TiOx sur l'adhérence du platine et l'effet de la polarisation du substrat sur les propriétés physico-chimiques de l'AlN sont notamment étudiés. L'étude approfondie (diffraction X, MEB, EDS, XPS, tests d'arrachement) des propriétés physico-chimiques des couches est menée. Les résultats mettent en évidence la forte influence du TiOx sur la nature et l'état de surface de l'alumine. La présence d'une couche de TiOx peut améliorer ou dégrader l'adhérence du platine en fonction du type d'alumine élaborée. Un fort effet de la polarisation du substrat sur la texture, la morphologie, la composition chimique de l'AlN et sur les contraintes résiduelles est démontré et expliquée. Les résultats obtenus concernant la qualité de la texture {0001} de l'AlN et la tenue mécanique des structures multicouches (800°C) ont permis la fabrication de transducteurs Pt / AlN / Pt sur substrats plans de superalliage base nickel. La sensibilité à la pression de ces premiers prototypes devra ensuite être évaluée en préalable à l'élaboration de capteurs sur pièces de turbomachine.

Ce mémoire traite de l'étude du comportement thermique des capteurs de pression capacitifs en silicium fabriqués à partir de la filière silicium/verre. Leur comportement statique et dynamique a été étudié pour différentes conceptions. Dans le premier chapitre, les modèles théoriques sont développés pour des capteurs à membrane circulaire. En régime statique, les modèles (sensibilité à la pression et à la tension) sont explicités dans le domaine linéaire. En régime dynamique, la dépendance de la fréquence de résonance est étudiée en fonction de la pression et de la tension appliquée. Pour l'ensemble des modèles, le coefficient thermique a été calculé. Le deuxième chapitre décrit la géométrie du capteur étudié, la technologie utilisée ainsi que le dispositif de test mis en place. La caractérisation du comportement statique en température a été étudiée dans le troisième chapitre. Il a été montré que le coefficient thermique de la capacité au repos est presque constant, qu'il ne dépend pas de la largeur de soudure et qu'il est fonction de l'épaisseur de la membrane, de l'épaisseur de l'armature fixe et la forme de l'encastrement. Le coefficient thermique de la sensibilité à la tension et de la sensibilité à la pression varie de manière quasi linéaire entre -20°C et +150°C. La caractérisation du comportement dynamique en température a été étudiée dans le quatrième chapitre. Il est montré que le coefficient thermique de la fréquence de résonance varie linéairement entre -20°C et +150°C. Il est apparu que la largeur de soudure comme l'épaisseur de l'armature fixe, n'influence pas sur le coefficient thermique de la fréquence de résonance et que ce dernier dépend très fortement de l'épaisseur de la membrane et peu de la forme de l'encastrement. Une comparaison entre deux modèles du coefficient thermique de la sensibilité à la pression a été menée sur un grand nombre de capteurs. Elle a permis de valider ces deux modèles et de démontrer que la sensibilité à la pres sion dépend de la fréquence de résonance.

Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts. Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts.

Cette thèse a pour objet l'étude des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de l'ordre du gigapascal. L'originalité de ce travail réside dans le fait d'étudier ces propriétés sur des nanotubes individuels. Ceci permet de simplifier la géométrie du système et de faire apparaître des comportements propres à chaque type de nanotubes. Le cas d'un nanotube multifeuillets composé d'un tube externe à faible bande interdite et d'un tube interne métallique a permis d'observer i) l'évolution sous pression de la barrière de Schottky aux contacts or-nanotube, ii) l'évolution de la résistance inter-feuillet, mettant en évidence une transition associée au changement de section du nanotube, iii) la diminution de l'hystérésis en tension de grille. D'autre part, une étude systématique sur des nanotubes métalliques permet de faire ressortir un comportement général pour le contact or-nanotube sous pression, indépendant de la chiralité du nanotube et du milieu transmetteur de pression. Nombre de ces effets peuvent être utilisés pour des applications électroniques ou électro-mécaniques, tels que des capteurs de pression miniatures et environ dix fois plus sensibles que certains standards actuels. Un modèle simple de calculs par la méthode des liaisons fortes est aussi mis en œuvre afin de prédire l'évolution des propriétés électroniques des nanotubes de carbone sous pression en fonction de leur chiralité. Ce modèle permet de prédire d'autres phénomènes qui pourraient être observés grâce à une étude approfondie et systématique utilisant la méthode expérimentale développée au cours de cette thèse.

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées. / This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications.

Cette maîtrise a été financée à l'aide une bourse en milieu pratique «BMP innovation» dans le cadre d'un partenariat entreprise-université. La société Opsens a développé un capteur de pression de type interférométrique à fibre optique pour le monitorage de la pression dans le fond de puits de pétrole. Ce capteur (OPP-W GEN I) a déjà fait ses preuves dans des environnements corrosifs à des températures et pressions allant jusqu'à 300°C et 5000kPa. La société désire produire une nouvelle version du produit (OPP-W GEN II) avec une plage d'utilisation plus grande (300°C, 35000kPa). Toutefois, la technique de liaison (soudure) actuelle entre la membrane et la base du capteur ne permet pas une plage de pression aussi grande. Le but du projet de maîtrise est de développer une nouvelle soudure répondant aux exigences de la deuxième version du produit. La recherche se divise en trois différentes méthodes. Le brasage dur avec aluminium a d'abord été expérimenté. Il s'agit de chauffer sous vide un métal entre deux surfaces jusqu'à liquéfaction et de refroidir doucement par la suite. L'oxydation de l'aluminium a ensuite été testée par différentes façons. L'objectif était de produire une stoechiométrie semblable à celle du saphir (AI₂O₃). La deuxième méthode utilise un laser continu Nd-YAG au lieu du four pour chauffer le métal. L'énergie du faisceau focalisé permet de liquéfier très localement le milieu absorbant. En opérant ainsi, on espérait créer des zones de stress et une structure de l'aluminium plus encline à la diffusion de l'oxygène. Toutefois, les résultats montrent que cette technique ne facilite aucunement l'oxydation. La dernière méthode expérimentée utilise un laser femtoseconde. La microsoudure par ce type de laser se démarque des autres techniques de soudure sur plusieurs points. D'abord, elle ne nécessite aucun matériau d'apport. Les effets non linéaires des impulsions ultra-brèves créent la chaleur nécessaire à la soudure. De plus, la zone thermiquement affectée est très réduite (de l'ordre du micromètre).

Cette thèse a pour objet l'étude des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de l'ordre du gigapascal. L'originalité de ce travail réside dans le fait d'étudier ces propriétés sur des nanotubes individuels. Ceci permet de simplifier la géométrie du système et de faire apparaître des comportements propres à chaque type de nanotubes. Le cas d'un nanotube multifeuillets composé d'un tube externe à faible bande interdite et d'un tube interne métallique a permis d'observer i) l'évolution sous pression de la barrière de Schottky aux contacts or-nanotube, ii) l'évolution de la résistance inter-feuillet, mettant en évidence une transition associée au changement de section du nanotube, iii) la diminution de l'hystérésis en tension de grille. D'autre part, une étude systématique sur des nanotubes métalliques permet de faire ressortir un comportement général pour le contact or-nanotube sous pression, indépendant de la chiralité du nanotube et du milieu transmetteur de pression. Nombre de ces effets peuvent être utilisés pour des applications électroniques ou électro-mécaniques, tels que des capteurs de pression miniatures et environ dix fois plus sensibles que certains standards actuels. Un modèle simple de calculs par la méthode des liaisons fortes est aussi mis en œuvre afin de prédire l'évolution des propriétés électroniques des nanotubes de carbone sous pression en fonction de leur chiralité. Ce modèle permet de prédire d'autres phénomènes qui pourraient être observés grâce à une étude approfondie et systématique utilisant la méthode expérimentale développée au cours de cette thèse / This thesis focuses on the electronic transport properties of carbon nanotubes under hydrostatic pressures as high as one gigapascal. The originality of this work is the study of these properties on individual nanotubes. This simplifies the geometry of the system and allows studying the behaviour of each type of nanotubes. The case of a multiwalled nanotube made of at least an external semiconducting tube and an internal metallic one led us to observe i) a pressure induced change of the Schottky barrier at the gold-nanotube contacts, ii) a evolution of the intershell resistance, featuring a transition associated to the change of the nanotube cross section, iii) the decrease of the gate voltage hysteresis. Additionally, a systematic study on metallic nanotubes allowed pointing out a general behaviour of the gold-nanotube contact under pressure, which is independent on the nanotube chirality and on the pressure transmitting medium. Many of these effects can be useful to design electronic or electro-mechanical devices, such as miniature pressure sensors that would be about ten times more sensitive than some of today's standards. A simple tight-binding model is also applied to predict the evolution of the carbon nanotube electronic properties under pressure with respect to their chirality. This model allows predicting other phenomena, which could be observed in the context of a deeper and systematic study using the experimental method that was developed in this thesis.