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.

Les récentes normes environnementales et les demandes de réduction des émissions et de consommation de carburants des moteurs essence exigent de nouvelles stratégies de combustion par lesquels le mélange air/essence devrait être méticuleusement commandé en temps réel par un capteur de pression. Le contrôle de la pression cylindre est une technologie principale qui permet une coordination optimisée du mélange air/carburant, et la recirculation des gaz d'échappement par la rétroaction de contrôle. A ce jour, la mesure de pression cylindre en temps réel n'est pas fournie même sur les voitures récentes. Jusqu'à présent cette mesure a été mise en application sur des moteurs spécifiques pour le développement d'applications particulières telles que le contrôle moteur. Plusieurs obstacles empêchent l'intégration des capteurs de pression sur les nouveaux moteurs; le coût de production élevé de ces dispositifs et leurs implémentations complexe sur les moteurs standards retarde leur développement.Le capteur de pression GCS™ (Gasoline Combustion Sensor) est un capteur non-intrusif de pression cylindre intégré dans une bougie d'allumage qui a un accès direct à la chambre de combustion. Il répond aux contraintes d'intégration automobile, de performance et de fiabilité, et permet la mesure de pression jusqu'à 200bar et du cliquetis. Ce type de capteur permet le suivi de combustion en temps réel exigé pour la combustion par auto-allumage par laquelle la rétroaction rapide des événements de combustion permet la gestion étincelle/carburant dans chaque cylindre. Il agit sur l'allumage aussi bien que sur l'injection pour optimiser la combustion et réduire la consommation de carburant d'environ 1.4% et les émissions de polluants d'environ 10%.La présente thèse concerne le développement d'un capteur de pression fiable et bas-cout qui sera une condition de base pour les prochaines générations de moteurs. Cette étude concerne deux types d'éléments sensibles différents. L'un est basé sur une céramique piézoélectrique, et l'autre comporte un système piézo-résistif de jauges de contraintes sérigraphiées sur l'isolant céramique de la bougie d'allumage. Durant cette analyse, des problèmes mécaniques ont été soulignés et une section a été consacrée pour résoudre le problème de transmission de pression à l'élément sensible réduisant les bruits mécaniques notamment. Différents concepts mécaniques ont été développés et regroupés sous plusieurs familles, dont deux catégories ont été retenues pour la suite du développement.Le premier chapitre décrit le projet d'un vue globalement, les caractéristiques du capteur et le principe de mesure. Le second chapitre se rapporte à l'élément sensible et la description des technologies utilisées. Le développement mécanique du corps d'épreuve du capteur basé sur un élément sensible piézoélectrique sera présenté en détail dans le troisième chapitre. Le quatrième chapitre comprend la caractérisation des deux types de capteurs piézoélectriques et piézo-résistifs. Le cinquième chapitre décrit le traitement du signal issu de l'élément sensible et le packaging du capteur. Le dernier chapitre présente une perspective d'optimisation du dispositif. / Recent environmentally-friendly norms and global demands for lower emissions and lower fuel consumption on gasoline engines require innovative combustion strategies, whereby air/fuel mixture should be meticulously controlled through a real time pressure feed-back sensor. In-cylinder pressure control has shown to be a key technology that enables an optimized coordination of an air/fuel mixture, and exhaust gas recirculation through closed loop control.Nowadays real time in-cylinder pressure measurement is not provided on passenger's cars. Thus far it has been implemented on specific engine for development of particular applications such as engine control. Several obstacles prevent the integration of pressure sensors on new engines such as high production cost of this device and its complex implementation on a standard engine. The Gasoline Combustion Sensor™ (GCS) is a non-intrusive in-cylinder pressure sensor integrated into a spark plug which has direct access to the combustion chamber. It answers the automotive integration constraints performance and reliability and allows in-cylinder pressure measurement up to 200bar, knock and misfiring detection.Such sensors allow for combustion follow-up in a real-time direct mode required for auto ignition combustion whereby fast feedback of combustion events enables fine tuning and individual cylinder spark/fuel management. It operates on the ignition as well as on the injection to optimize the combustion and reduce fuel consumption by an average of 1.4% under steady-state conditions, which will reduce harmful emissions by about 10%. The present thesis relates to the development of a low-cost pressure sensor which will be a basic requirement for future engine generations. It consists on two different sensing element types, one is based on piezoelectric ceramic, and the other comprises piezo-resistive strain gauge system directly embedded on the ceramic insulator. During this analysis, mechanical problems have been emphasized and a section was dedicated to resolve the problem of the pressure transmission to the sensing element reducing structure-borne noise on the sensor. Different mechanical concepts have been developed, where two categories have been selected.Chapter one describes the project in a global overview including sensor specifications and sensing principle, chapter two relates to the sensing element materialization including technology description. Proof body development based on piezoelectric sensor will be presented in detail in chapter three, while chapter four contains device characterization of both sensor types piezoelectric and piezo-resistive. Chapter five describes the signal processing and sensor packaging, and chapter six gives an optimization perspective of the device.

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.