Les microtechnologies permettent aujourd'hui de réaliser différents types de capteurs dont un domaine d'application émergeant est la caractérisation électrique et mécanique des cellules biologiques pour la détection précoce de pathologies. <br /><br />Dans ce contexte, le but du travail présenté est de proposer un capteur de force dont l'axe sensible se trouve dans le plan, et dont l'information de sortie soit une grandeur électrique. Les structures conçues mettent ainsi à profit l'effet piezo-résistif au sein de jauges en silicium, dont l'architecture a été spécialement mise au point pour obtenir des sensibilités de l'ordre de 10 N-1 sur cet axe.<br /><br />La modélisation et l'optimisation des performances ont conduit à la fabrication de jauges d'architecture compacte et originale réalisées sur deux niveaux de polysilicium implanté de bore, et encapsulé dans trois couches de nitrure peu contraint, le tout implémenté sur une couche de SOI. Le procédé de fabrication a été spécialement mis au point. Par ailleurs, l'influence de l'erreur d'alignement entre la jauge et la poutre d'épreuve a été étudiée et vérifiée lors des tests.<br /><br />Les sensibilités obtenues avec des jauges de 170 ?m de long et 6,5 ?m de large sont de l'ordre de 30.10-6 ?N-1. Les applications mettant en œuvre ce type de dispositif sont nombreuses et les performances, comparables aux leviers AFM, font de cette configuration de jauge une structure à fort potentiel pour être utilisée pour d'autres applications.

Cette étude portait sur l’évaluation des performances mécaniques et des mécanismes de défaillance des composites cousus dans différentes conditions de chargement. Des plaques stratifiées et des raidisseurs renforcés par tufting ont été fabriqués avec différents paramètres de couture afin d'évaluer leur effet sur les propriétés des composites. L'investigation a été assistée par une caractérisation multi-instrumentée pendant les tests. Les plaques cousues soumises à des tests de cisaillement à poutre courte sont utilisées dans l'analyse du comportement de la densité et de l'angle de couture dans des conditions de chargement en mode II, tandis que des tests d'impact et de compression après impact (CAI) sur la tolérance aux dommages. Des tests de fatigue en éprouvettes trouées ont également été réalisés afin d’évaluer la réponse des coutures, en particulier leur position par rapport au trou central, à la concentration de déformation générée par le trou. La suite de ce travail a consisté en des tests mécaniques sur panneau raidi oméga renforcé par tufting. La procédure a optimisé les paramètres de touffetage utilisés pour renforcer les structures du lot précédent d'échantillons jusqu'à atteindre un point optimal où les propriétés principales, principalement trouvées dans les tests d'arrachement, sont égales ou supérieures à celles des échantillons témoins. Cette amélioration tenait également compte des modifications de la forme des raidisseurs. En outre, une nouvelle approche basée sur l’effet piézorésistif des coutures en fibres de carbone lors du chargement des éprouvettes composites est réalisée. Cela peut faciliter la surveillance de l’état de santé des fils cousus et donc du composite en raison de la nature structurelle des coutures. Les résultats ont montré que les renforts par tufting sont capables d'augmenter considérablement la ténacité entre les composites et la tolérance aux endommagements des composites, principalement en raison de leurs phénomènes de pontage des fissures. Les paramètres de tufting sont des facteurs décisifs pour obtenir les meilleures propriétés mécaniques. Cependant, ces travaux ont montré que les fils de coutures sont également responsables de la création de fissures dues à la concentration de contrainte et aux défauts causés par leur insertion et, par conséquent, à la diminution de la résistance des composites. L'enquête conclut que l'insertion aléatoire des touffes n'est pas idéale pour la performance du matériau et doit donc être évitée. Le développement de l'insertion des coutures dans les raidisseurs oméga a été soutenu par la caractérisation multi-instrumentée qui a permis d'optimiser le renforcement de la structure. Bien que l’étude ait permis d’obtenir des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles des panneaux oméga renforcés par touffetage, il est évident que la procédure employée n’est pas optimale. Le présent travail propose également un modèle préliminaire d'éléments finis pour surmonter le coût et la perte de temps des tests expérimentaux. Il vise principalement à optimiser les paramètres de tufting dans la structure. Le modèle développé était capable de prédire les mêmes endommagements que ceux observés expérimentalement, mais encore éloignés des prévisions quantitatives des résultats. Le contrôle de l’état structurel des stratifiés composites cousus par les fils de carbone semble prometteur et pourrait aider à l’avenir à fournir des informations sur l’état de santé des coutures sous chargement qui ne sont pas atteintes par les méthodes de caractérisation classiques utilisées dans ce travail. / This study focused mainly on the assessment of the mechanical performance and the failure mechanisms of tufted composites under divers loading conditions. Laminated plates and stiffened panels reinforced by tufting was manufactured with different tufting parameters to evaluate their effect in the properties of the composites. Multi-instrumented characterization carried out during the tests assisted the investigation. The tufted plates subjected to short-beam shear tests aided especially in the behavior analysis of tufting density and angle in mode Il loading condition, while impact and compression after impact (CAI) tests on the damage tolerance. Open-hole fatigue tests were also performed to evaluate the tufts response, especially regarding their position to the center hole, to the strain concentration factor generated by the hole. The following part of this work consisted of the mechanical tests on omega stiffened panel reinforced by tufting. The procedure optimized the tufting parameters employed for reinforcing the structures from the previous batch of specimens until reaching an optimal point that the main properties, primarily found in pull-off tests, are equal or superior to those of the control specimens. This improvement also considered the modifications in the shape of the stiffeners. Furthermore, a novel approach based on the piezoresistive effect of carbon tufts under loading of the composite specimens is performed. This may support the monitoring of the health status on the tufted threads and therefore of the composite because of the structural nature of the tufts. The results showed that tufting reinforcements are capable of increasing the interlaminar fracture toughness and damage tolerance of the composites considerably owing mainly to their crack bridging phenomena. The tufting parameters are decisive factors for achieving the best mechanical properties. However, this work reported that tuft threads are also responsible for generating cracks due to the strain concentration and defects caused by their insertion and consequently, can decrease the strength of the composites. The investigation concludes that the random insertion of the tufts is not ideal for the performance of the material and thus must be avoided. The development of the tufting insertion in the omega stiffeners was supported by the multi-instrumented characterization that led to optimizing reinforcement in the structure. Although the study achieved the goal of obtaining mechanical properties significantly superior to the omega panels reinforced by tufting, it is noticeable that the procedure employed is not optimal. The present work also proposes a preliminary finite element model to overcome the costly and time consuming of the experimental tests. It intends primarily optimizing the tufting parameters in the structure. The model developed was capable of predicting the same damage events as observed experimentally, but it still distant from the quantitative predictions of the results. The structural health monitoring of the tufted composite laminates by the carbon threads seems promising and could help in the future for supplying data about the tufts health status under loading that are not achieved by the conventional characterization methods employed in this work.

De nouvelles applications émergent avec le développement de l’électronique souple comme des panneaux tactiles pliables, ou des capteurs de mouvement humain portables (wearable). Les technologies bien maîtrisées des jauges silicium sont mal adaptées à ces usages (faible élongation maximale, hautes températures de fabrication). Dans ce contexte, il est nécessaire de développer de nouveaux types de jauges. De nombreuses alternatives sont étudiées, qu’on peut diviser en deux catégories principales : les transducteurs nanoscopiques et les transducteurs composites. Dans ce travail, on étudie la possibilité d’utiliser une jonction tunnel MIM (Métal Isolant Métal) comme jauge de contrainte. Ce genre de dispositif est très peu étudié dans la littérature et la structure utilisée est généralement de type MIS (Métal Isolant Semi-conducteur). À chaque fois, la sensibilité du dispositif est expliquée par les propriétés du semi-conducteur (silicium). Les objectifs de cette thèse sont donc la compréhension des propriétés piézorésistives des jonctions MIM, l’optimisation de leur sensibilité et la fabrication d’un démonstrateur exploitant les technologies de la plastronique. Des jonctions de différentes natures (électrodes de différents métaux) sont fabriquées par évaporation et par ALD (Atomic Layer Deposition). La variation du courant en fonction de la contrainte est mesurée grâce à un banc de flexion. Le facteur de jauge associé est indépendant de la nature des électrodes mais varie fortement (de 40 à 75) en fonction du sens de polarisation de la jonction. Le facteur de jauge associé à la variation sous contrainte des paramètres géométriques (épaisseur et surface) est calculé mais reste inférieur à 13. Les phénomènes géométriques ne peuvent donc pas expliquer la sensibilité observée. L’étude de l’équation du courant Fowler Nordheim (identifié comme courant dominant dans nos jonctions) montre que cette sensibilité doit être associée à la variation sous contrainte de la hauteur de barrière aux interfaces métal/isolant, et/ou de la masse effective des électrons dans l’alumine. Des mesures de photoémission sont réalisées pour mesurer la hauteur de barrière des jonctions. À terme, cette méthode pourrait permettre de mesurer la variation sous contrainte, et donc de comprendre pleinement l’origine de la sensibilité des jonctions MIM. Pour finir, un démonstrateur intégrant des jauges MIM à effet tunnel (capteur de pression) est réalisé avec un substrat souple en polyimide rigidifié par une structure imprimée en 3D. Ce dispositif démontre la compatibilité des méthodes de fabrication des MIM avec les technologies souples et plastiques. / New applications are emerging with de development of flexible electronic like flexible touch panels and wearable movement sensors. The well mastered silicon technologies are ill adapted to these uses (low maximal elongation, high fabrication temperatures). In this context, it is necessary to develop new types of strain gauges. Numerous possibilities have been studied that can be divided in two main categories: nanosomic transducers and composite transducers. In this work, we study the possibility to use a MIM (Metal Insulator Metal) tunnel junction as strain gauge. This kind of structure is very unusual in the literature were the only similar article are based on MIS (Metal Insulator Semiconductor) junctions. The objectives of this thesis are thus the understanding of the piezorisistive properties of MIM structures, the optimisation of their sensitivity, and the realisation of a sensor prototype exploiting plastonic technologies.