Ce travail consiste en l'étude et la réalisation d'un micro-capteur destiné à la mesure de concentration d'un composé en solution. La méthode de détection est basée sur la variation de fréquence de résonance d'un micro-dispositif mécanique dont la surface est fonctionnalisée pour adsorber le composé à mesurer. Ces biocapteurs en silicium, sous forme de micromembranes piézoélectriques, sont remarquables par leur grande sensibilité et la possibilité d'explorer en parallèle de nombreux échantillons. Après avoir exposé les différentes technologies de biocapteurs existantes, l'étude se concentre sur l'optimisation des conditions d'élaboration de couches minces piézoélectriques pour obtenir un procédé technologique parfaitement compatible avec la technologie silicium. Une caractérisation mécanique de ces membranes a été effectuée par interférométrie optique 3D pour extraire le coefficient piézoélectrique du matériau. Les premières membranes réalisées présentent des propriétés d'actionnement excellentes. Une deuxième génération de membranes a ensuite été réalisée en modifiant les géométries des différentes couches. La sensibilité obtenue est compatible avec les seuils de détection nécessaires pour la détection de molécules biologiques. Des protocoles chimiques permettant la fonctionnalisation de la surface des micromembranes ont ensuite été développés. L'évaluation du comportement du microdispositif en situation, c'est-à-dire en milieu liquide, a enfin été effectuée. Pour cela, une cellule fluidique avec régulation de température a été mise au point. Les membranes piézoélectriques ont été positionnées à l'intérieur de cette cellule fluidique pour mesurer la cinétique d'adsorption de nanoparticules d'or en solution. Dans le cadre des biopuces, des microleviers permettant le dépôt de micro-gouttes de solutions ont aussi été développés. Ils permettent notamment de fonctionnaliser individuellement chaque membrane et présentent l'avantage de ne pas endommager les microstructures.

Les progrès technologiques dans le domaine de l'électronique permettent de fabriquer des composants de plus en plus petits. Avec leur miniaturisation, ces composants offrent des propriétés physiques différentes qui peuvent faire émerger de nouvelles fonctionnalités. C'est le domaine communément appelé " more than Moore ". Ce travail propose de concevoir à partir des techniques de lithographie électronique un composant capable de détecter la présence d'une espèce, même en très faible quantité. La détection se fait par la mesure de la variation de fréquence d'un résonateur mécanique, suite à l'accrétion de l'espèce sur celui-ci. La conversion mécano-électrique du signal exploite les propriétés piézorésistives du silicium. La faisabilité concernant l'intégration de ce composant sensible dans une architecture électronique visant à la fabrication d'un capteur commercialisable est ensuite étudiée. Un modèle linéaire de tous les étages élémentaires de l'architecture permet d'agencer ceux-ci dans une boucle d'auto-oscillation. Les principaux phénomènes de bruit sont aussi inclus dans le modèle afin de prédire les performances du capteur. Ces performances sont ensuite comparées à une architecture similaire utilisant une détection capacitive. Enfin, l'impact des non linéarités sur les performances est évalué.

Nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage optomécanique induit par la pression de radiation entre un faisceau lumineux et un objet macroscopique tel qu'un miroir. Nous présentons une étude théorique des effets quantiques induits par la pression de radiation dans une cavité optique dont un miroir est mobile. Le miroir peut se déplacer sous l'effet de la pression de radiation et ce mouvement change la phase du champ réfléchi par la cavité. Ce couplage optomécanique induit un déphasage du champ équivalent à un effet Kerr optique. Un tel dispositif peut être utilisé pour produire des états comprimés ou réaliser une mesure quantique non destructive.<br />Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir mobile est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien du miroir. Nous avons aussi utilisé un second faisceau modulé en intensité afin d'exciter les modes acoustiques du résonateur. Ceci permet de caractériser la réponse mécanique du résonateur et le couplage entre la lumière et les modes acoustiques. Nous avons enfin démontré l'efficacité de notre dispositif pour la mesure de petits déplacements du miroir. Le plus petit déplacement observable est égale à 2x10^(-19) m/Hz(1/2), en bon accord avec la prédiction théorique.

Les progrès de la microélectronique, axés en premier lieu sur l’amélioration des performances et la réduction des coûts des processeurs et des mémoires, ont aussi bénéficié depuis de nombreuses années aux capteurs, à l’éclairage, aux actionneurs et autres technologies dites More than Moore. La détection infrarouge à l’aide de détecteurs thermiques fait partie de ces bénéficiaires. Les détecteurs thermiques actuels utilisent principalement une fine couche résistive (typiquement du dioxyde de vanadium ou du silicium amorphe) déposée sur une membrane suspendue comme thermomètre : ce sont les microbolomètres. Cette technique a permis de produire des caméras thermiques dont le coût de fabrication a drastiquement chuté avec des performances qui se rapprochent des détecteurs photoniques onéreux, fonctionnant à des températures cryogéniques. Néanmoins, le coût de ces imageurs reste encore excessif pour des applications grand public (conduite nocturne, smartphones, domotique) tandis que les applications militaires (surveillance, lunettes portatives) demandent des performances accrues dans un budget maîtrisé. Un des objectifs des industriels du domaine est donc de réduire la surface des détecteurs, le pas pixel, afin d’augmenter le nombre de rétines fabriquées sur une plaque de silicium. Néanmoins, la réduction de cette surface diminue de facto le flux infrarouge incident sur le pixel, et donc le signal. Il faut donc améliorer la sensibilité des détecteurs à chaque nouveau pas pixel. La technologie résistive, largement employée par l’industrie jusqu’à maintenant, se prêtait volontiers à cet exercice jusqu’au pas de 17 µm, permettant de densifier d’un facteur 4 le nombre de détecteurs tous les 5 ans. L’auto-échauffement lié à la lecture résistive et le bruit en 1/f sont les principales causes du ralentissement observé dans cette réduction des échelles ces dernières années. Nos travaux se sont focalisés sur un nouveau principe de détection au pas de 12 µm, fonctionnant avec un auto-échauffement minime. Dans cette approche, une planche suspendue est mise en résonance mécanique autour de deux bras ancrés subissant une torsion. L’actionnement et la détection électrostatique du mouvement de la membrane sont réalisés avec deux électrodes situés 2 µm sous la planche. La modification du module d’Young avec la température et les contraintes thermiques vont modifier la fréquence de résonance. Les résonateurs mécaniques étant peu bruités, le suivi cette fréquence de résonance doit permettre de réaliser des détecteurs thermiques performants. Le travail de thèse a consisté à concevoir, fabriquer et caractériser de tels pixels et à comparer cette technique aux détecteurs résistifs. Différents modèles (linéaire et nonlinéaire) du mouvement de la structure sont présentés et comparés aux caractérisations expérimentales de résonateurs fabriqués en réseaux denses, selon différentes variantes. Nous avons mesuré le bruit fréquentiel de nos détecteurs puis leur sensibilité à un flux infrarouge. Les meilleurs dispositifs montrent une limite de sensibilité de 30 pW/√Hz. Une résolution sur la scène (NETD) de 2 K est obtenu pour un temps d’intégration adapté au temps image. Ces performances sont inégalées pour un résonateur non refroidi à ces dimensions. Nous montrons qu’un NETD de 20 mK est atteignable au pas de 12 µm (pour un temps de réponse de 10 ms) en se focalisant sur 3 axes de recherche : une cointégration des résonateurs avec leur électronique de lecture, une acquisition plus précise du signal par un temps d’intégration adapté au temps image et l’amélioration de la sensibilité thermique (TCF) du résonateur d’un facteur 10. Pour ce dernier point, nous présentons des méthodes afin d’améliorer le TCF. Finalement, nous étudions des architectures de pixels au pas de 5 µm présentant des performances théoriques proches de celles requises par l’imagerie infrarouge (NETD=70 mK et τth=8 ms). Des perspectives de transductions tout optiques sont finalement évoquées. / Progress in microelectronics has been mainly driven by informatics needs for addressing both increased performances and lower costs for processors and memories, according to the well-known Moore’s Law. For many years, these tremendous progresses in silicon fabrication and integration have also contributed to the emergence of new type of devices, such as sensors, actuators, filters, clocks or imagers, forming a new class of devices called More than Moore. Uncooled infrared imaging, which uses thermal sensors belongs to this new class of devices. Today thermal sensors principally use a thin resistive layer (mainly vanadium dioxide or amorphous silicon) on a suspended membrane as a thermometer and are called microbolometers. The fabrication cost of thermal cameras has dramatically dropped over the last 20 years, while attaining performances close to the expensive cooled cameras. Nevertheless, the cost of these imagers still remains too high for consumer market (night driving, smartphones, home automation) whereas military applications (surveillance, personal googles) need improved resolutions – in an affordable camera. Therefore, one objective of the microbolometers industry roadmap is to scale down the sensor surface – the pixel pitch – in order to increase the number of imagers fabricated on a silicon wafer. Yet, the pixel pitch reduction goes necessarily with a reduction of the captured infrared power leading to a reduction of the sensor signal. As a consequence, the sensor sensitivity needs to be improved as the pixel pitch scales down. The resistive technology has managed this scaling so far, down to 17µm pixel pitch, allowing a densification of the sensors by a factor 4 every 5 years. Despite this success, the scaling has been recently slowed down, mostly because of microbolometers self-heating issue and 1/f noise which are inherent to the resistive transduction. Our work has focused on a new type of sensor at 12µm pixel pitch, which theoretically gets rid of self-heating and 1/f noise. In our approach, an absorbing plate is excited at its mechanical resonance through two tiny torsion arms using an actuation electrode placed 2µm underneath. Pixel motion is also transduced electrostatically. Since micromechanical resonators feature very low frequency noise, we believe that an uncooled infrared sensor based on the monitoring of its resonance frequency (which changes with temperature through the TCF) should be extremely sensitive. In our work, we present different models (linear and nonlinear) for the pixel mechanical behavior and compare them to experimental characterization of resonators which were fabricated in dense arrays, according to several designs. We measure the frequency stability of our sensors along with their sensitivity to infrared flux. The best devices show a resolution of 30pW/sqrt(Hz), with a response time lower than one millisecond. The scene resolution (NETD) is 2K for an integration time compatible with imaging frame rate. These performances overtake results previously published on this topic with such reduced pixel pitch. We show that a NETD of 20mK (with a response time of 10ms) is reachable at 12µm pixel pitch if we can address the following 3 challenges: a cointegration of the resonators with their electronics, a shared readout of several pixels in the imaging frame rate and an improved TCF by a factor 10. Therefore, we provide different methods in order to improve the TCF. Finally, we present different pixel designs at 5µm pixel pitch which show theoretical performances close to uncooled infrared imaging requirements (NETD=70mK and tau_th=8ms). An optical transduction may also be a new route toward even better signal to noise ratio at low pitch.

Cette thèse synthétise les travaux récents de l’auteur sur l’utilisation de résonateurs mécaniques pour la détermination simultanée de la viscosité et de la masse volumique de liquides. Ces travaux ont été réalisés entre 2010 et 2015 dans le cadre d’une thèse en cotutelle entre l’Institut de Microélectronique et des Microcapteurs de l’Université Johannes Kepler à Linz en Autriche et le Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système de l’Université de Bordeaux en France. Dans des études précédentes effectuées sur ce sujet par les groupes des deux laboratoires, le concept de l’utilisation de résonateurs mécaniques actionnés et mesurés électriquement pour la détermination de la viscosité et de la masse volumique deliquide avait été établi et validé. Ces travaux antérieurs ont montré que la fréquence de résonance et le facteur de qualité de résonateurs immergés dépendent à la fois de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant.L’intérêt d’utiliser de tels microcapteurs résonants vient du fait qu’il est possible de les utiliser in-situ,notamment pour des applications industrielles. Pour ce type d’applications, il est important que les capteurs aient entre autre une bonne résistance physique, une bonne stabilité à long terme, une bonne fiabilité, ainsi qu’une bonne précision de mesure. Pour satisfaire ces exigences et compte tenu des résultats des travaux antérieurs, les objectifs principaux de cette thèse étaient (1) la mise en oeuvre de configurations de mesure robustes offrant une bonne stabilité à long terme et une bonne précision de mesure, ce qui nécessite une faible sensibilité à la température, (2) la mesure simultanée de la viscosité et de la masse volumique avec un seul capteur et (3) la modélisation et la comparaison des performances des différents dispositifs mis au point et testés. Ces trois objectifs ont été atteints en combinant des approches expérimentales et théoriques (hydrodynamique, mécanique du solide et électrodynamique). [...] / This thesis summarizes the author’s recent work on the topic of mechanical resonators for liquidviscosity and mass density sensing, which were achieved between 2010 and 2015 in the course of aninternational joint doctorate program performed at the Institute for Microelectronics and Microsensorsat the Johannes Kepler University Linz, Austria and the Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème in Bordeaux, France. In previous studies performed by work groups of both laboratories,the concept of using electrically actuated and read-out mechanical resonators for the determination ofliquids’ viscosities and mass densities has been established and elaborated. These works showed that theresonance frequencies and quality factors of immersed resonators are affected by the liquids’ viscositiesand mass densities, respectively. The investigated concepts included devices using structured polymeror wet-etched new silver sheets as well as micro-machined silicon and screen-printed PZT resonators.The motivation for investigating and developing such miniaturized resonators was formed, amongstothers, by their capability for in-line, in-situ and handheld-devices for laboratory as well as for industrialapplications. Especially for the latter, physical robustness, long-term stability and reliability,as well as accurate measurement results are basic requirements. To satisfy these requirements andconsidering the results and insights of earlier works, the objectives of this thesis were first, implementingrobust measuring setups featuring long-term stability and high measurement accuracy, where thelatter furthermore requires low cross-sensitivity to temperature. Second, investigating the capabilityof measuring both, a liquid’s mass density and viscosity with a single device as well as providing anestimate of achievable measurement accuracies for both quantities. And third, enabling the modelingof the performance of different viscosity and mass density sensors on the one side and their comparisonon the other side. These three specifications were accomplished by following mainly experimental approachesand investigations but also by elaborating the underlying theory of hydrodynamics, structuralmechanics, and electrodynamics. [...] / Die vorliegende Dissertation fasst die rezenten Forschungsergebnisse des Verfassers im Bereich mechanischerResonatoren für Viskositäts- und Dichtesensorik zusammen, welche zwischen 2010 und 2015 imRahmen eines international joint doctorate programs am Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorikder Johannes Kepler Universität Linz, sowie am Laboratoire de l’Intégration du Matériau auSystème der Université de Bordeaux erreicht wurden. In den Vorarbeiten von Arbeitsgruppen beiderInstitute wurden bereits Konzepte für elektrisch angeregte und ausgelesene mechanische Resonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten erarbeitet und umgesetzt. Hierbei konntegezeigt werden, dass die Resonanzfrequenz und Güte eingetauchter Resonatoren abhängig sindvon Viskosität und Dichte der jeweiligen Flüssigkeiten. Die dabei untersuchten Konzepte beinhaltetenstrukturierte Polymerfolien, nass-chemisch geätzte Neusilberbleche, mikromechanisch hergestellte Siliziumstrukturen,sowie siebgedruckte PZT Resonatoren.Die Motivation zur Untersuchung und Entwicklung solcher miniaturisierter Resonatoren resultiert unteranderem aus deren Anwendbarkeit für Inline-, Insitu- und Handgeräte für Labor- bzw. industrielle Anwendungen.Besonders für Letztere sind Robustheit, Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit, aber auchpräzise Messergebnisse Grundvoraussetzung. Um den Anforderungen der Ergebnisse und Erkenntnisseder zuvor genannten Arbeiten gerecht zu werden, wurden folgende Ziele für diese Dissertationdefiniert. Erstens, die Entwicklung robuster, langzeitstabiler Messaufbauten zur Erreichung präziserMessergebnisse, wodurch eine geringe Temperaturquerempfindichkeit als weitere Bedingung aufgestelltwurde. Zweitens sollte untersucht werden ob und mit welcher Genauigkeit sowohl Viskosität als auchDichte mit einem einzigen Instrument gemessen werden können. Drittens, sollte einerseits das Verhaltenverschiedener Viskositäts- und Dichtesensoren modelliert bzw. deren Vergleich ermöglicht werden.Basierend auf einer vorwiegend experimentellen Herangehensweise und unter Miteinbeziehung der zugrundeliegendenTheorien von Strömungs- und Strukturmechanik sowie der Elektrodynamik, konntendie o.g. Anforderungen erfüllt werden. [...]