Retour au site du LAAS-CNRS

Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
Choisir la langue : FR | EN

13documents trouvés

18145
19/03/2018

Conception d’un système d’analyse multi-capteur ISFET pour la surveillance in situ de l’azote minéral. Application à la culture du blé dur

M.JOLY

MICA

Doctorat : INSA de Toulouse, 19 Mars 2018, 184p., Président: J.Y.FOURNIOLS, Rapporteurs: W.WROBLEWSKI, F.LE BIHAN, Examinateurs: T.TALLEC, S.HOUOT, Directeurs de thèse: P.TEMPLE BOYER, J.LAUNAY , N° 18145

Non diffusable

Plus d'informations

Abstract

Excessive use of nitrogen fertilizers in modern agricultural practices is a concern as it leads to groundwater pollution and eutrophication of fresh and marine waters. Soil testing can enable the introduction of new agricultural practices that take more into account temporal and local variations of soil and plants. This work therefore aims at the development of an in situ, autonomous and communicating analysis system for real-time monitoring of the mineral nitrogen contents of soils. Our system is based on the Ion-Sensitive Field Effect Transistor (ISFET) microsensor technology. A first step of its development was dedicated to the fabrication of generic pH-ISFET microsensors. The problem of determining soil pH by inserting pH-ISFETs directly into the soil was considered. Results obtained by this in situ method were compared with the standard method and we examined the influence of soil (moisture, texture, pH) and ISFET parameters (lifetime, time drift). In a second step, pNH4-ISFET and pNO3-ISFET chips were obtained by functionalizing the generic pH-ISFET chips with ionosensitive membranes. The composition of these membranes has been optimized until detection properties (sensitivity, selectivity, stability, etc.) were in good accordance with the ammonium and nitrate ion contents of cultivated soils. Characterizations under in situ conditions were then carried out. Finally, the integration in the ground, the protection, the power supply and the remote communication of the sensors were made possible by the integration in a dedicated system. We obtained promising results.

Résumé

L’usage excessif de fertilisants azotés dans les pratiques agricoles modernes est préoccupant car il aboutit, entre autres, à la pollution des nappes phréatiques et à l’eutrophisation des eaux douces et marines. L’analyse du sol peut faciliter la mise en place de nouvelles pratiques agricoles qui tiennent davantage compte des variations temporelles et locales du sol et des plantes. Ces travaux visent donc le développement d’un système d’analyse in situ, autonome et communicant pour le suivi en temps réel des teneurs en azote minéral du sol. Notre système est basé sur la technologie de microcapteur chimique en silicium Ion- Sensitive Field Effect Transistor (ISFET). Une première phase de son développement a été dédiée à la fabrication de microcapteurs génériques pH-ISFET. La problématique de la détermination du pH du sol en insérant les pH-ISFET directement dans le sol a été considérée. Les résultats obtenus par cette méthode in situ ont été comparés avec la méthode standard et nous avons examiné l’influence de paramètres propres au sol (humidité, texture, pH) et à l’ISFET (durée de vie, dérive temporelle). Dans un second temps, des puces pNH4-ISFET et pNO3-ISFET ont été obtenues en fonctionnalisant les puces génériques pH-ISFET grâce à l'intégration de membranes ionosensibles. La composition de ces membranes a été optimisée jusqu’à obtention de propriétés de détection (sensibilité, sélectivité, stabilité…) en adéquation avec les teneurs en ions ammonium et nitrates typiques des sols cultivés. Des premières caractérisations en conditions in situ ont alors été effectuées. Finalement, les capteurs ont été intégrés à un système permettant l’insertion des capteurs dans le sol, leur protection, l’alimentation électrique par batterie et la communication à distance des données de mesure. De premiers résultats, prometteurs, ont été obtenus.

Mots-Clés / Keywords
ISFET; Agriculture; Analyse in situ du sol; Membranes ionosensibles; Intégration; Capteurs autonomes communicants; Cycle de l’azote; Microfabrication; In situ soil analysis; Ionosensitive membranes; Integration; Autonomous and communicating sensors; Nitrogen cycle;

143793
18015
11/01/2018

Système microfluidique µLAS pour l’analyse de l’ADN résiduel : Application au diagnostic de la maladie de Huntington et à l’analyse de l’ADN circulant

R.MALBEC

MICA

Doctorat : INSA de Toulouse, 11 Janvier 2018, 238p., Président: P.CORDELIER, Rapporteurs: X.GIDROL, V.TALY, Examinateurs: P.JOSEPH, J.SAMITIER, Directeurs de thèse: A.BANCAUD , N° 18015

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01744797

Diffusable

Plus d'informations

Abstract

DNA fragments are circulating in the bloodstream. Circulating DNA fragments size, concentration or sequence are analytical information for the clinician or the molecular biology specialists. For instance, circulating DNA, stem from tumoral cells, can serve as biomarkers for cancer detection and follow up. Collecting those information may be difficult for samples presenting minute amount of DNA. In practice, detecting and analyzing residual DNA, with the relevant level of sensitivity, ask for the development and the association of analytical technologies, such as electrophoresis, to molecular biology techniques, such as PCR amplification. In the prospect of simplifying and speeding up the processes, we have developed and optimized µLAS, a microfluidic system for the simultaneous concentration, separation and detection of residual DNA. Furthermore, µLAS has been applied to the diagnostic of Huntington’s disease and the analysis of residual DNA circulating in the bloodstream. Huntington’s disease, is caused by the expansion of CAG/CTG repeats on the Huntingtin gene, and provoke neurological degeneration. The diagnostic of Huntington’s disease consist in amplifying and measuring this expansion. As the amplification of trinucleotide repeat is far from reliable, we benefit from µLAS sensitivity to reduce the number of amplification cycles, and the time to result. Additionally, for the sensitive analysis of circulating DNA by µLAS, we have proposed an original approach, aiming to reduce the blood sample pre-analytical steps to a simple enzymatic digestion followed by a centrifugation step. Finally, the development of a function for the detection of specific sequences has been made by the selective concentration of a target of interest hybridized to a probe. This approach which use some probes fluorescently labelled in volume, has been patented.

Résumé

La distribution en taille, la concentration, ou la séquence des fragments d’ADN circulants dans le sang sont autant d’informations analytiques exploitables pour les cliniciens ou les spécialistes de la biologie moléculaire. Par exemple, l’ADN circulant, issu de cellules tumorales, peut servir de biomarqueur pour la détection et le suivi du cancer. L’accès à ces informations est d’autant plus difficile que la quantité d’ADN dans l’échantillon est faible. En pratique, pour atteindre des niveaux de sensibilité adaptés, la détection et l’analyse de résidus d’ADN requiert le développement et l’association de technologies d’analyses de type électrophorèse aux techniques de la biologie moléculaire telles que l’amplification PCR. Dans la perspective de simplifier et d’accélérer les procédures, nous avons développé et optimisé µLAS, un système microfluidique pour la concentration, la séparation et la détection simultanée de l’ADN résiduel. µLAS a ensuite été appliqué au diagnostic de la maladie de Huntington et à l’analyse de l’ADN résiduel circulant dans le sang. La maladie de Huntington, causée par l’expansion de répétitions CAG/CTG sur le gène Huntingtin, est à l’origine d’une dégénérescence neurologique. Le diagnostic de la maladie de Huntington consiste à amplifier et à mesurer la taille de cette expansion. L’amplification de répétitions trinucléotidiques étant peu fiable, nous profitons de la sensibilité de µLAS, pour réduire le nombre de cycles d’amplification, et donc le temps d’analyse. Par ailleurs, pour l’analyse sensible de l’ADN circulant par µLAS, nous avons proposé une approche originale, visant à réduire les manipulations pré-analytiques de l’échantillon sanguin à une simple digestion enzymatique suivie d’une centrifugation. Enfin le développement d’une fonction de détection spécifique de séquence a été réalisée par concentration sélective d’une cible d’intérêt hybridée à une sonde. Cette approche qui utilise des sondes marquées en fluorescence en volume, a notamment fait l’objet d’un brevet.

Mots-Clés / Keywords
ADN; Analyse; Microfluidique; Diagnostic; Cancer; Maladie de Huntington; DNA; Analysis; Microfluidic; Huntington’s disease;

142313
17520
17/10/2017

Développement de transistors à effet de champ à base de nanofils de silicium pour la détection en phase liquide

A.LALE

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Octobre 2017, 229p., Président: J.GRISOLIA, Rapporteurs: T.BARON, A.C.SALAUN, Examinateurs: W.SANT, B.CAUSSAT, Directeurs de thèse: P.TEMPLE BOYER, J.LAUNAY , N° 17520

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01713026

Diffusable

Plus d'informations

Abstract

Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

Résumé

Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l’introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l’étude des métabolismes intracellulaires. L’objectif de cette thèse a été de développer et d’étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l’alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l’intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d’épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l’étude de l’ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d’un seul nanofil, et d’autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l’utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d’une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l’intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts.

Mots-Clés / Keywords
ALD; Al2O3; ISFET; ChemFET; Nanofils; Biocapteur; Nanocapteur; Microcapteurs; Phase liquide; Nanowires; Biosensor; Nanosensor; Microsensors; Liquid phase;

142395
17352
28/09/2017

Optical feedbacksensinginmicrofluidics:designandcharacterizationof VCSEL-based compactsystems

Y.ZHAO

MICA, OSE

Doctorat : INSA de Toulouse, 28 Septembre 2017, 151p., Président: A.HUMEAU-HEURTIER, Rapporteurs: P.DEBERNARDI, S.ROYO, Examinateurs: M.NORGIA, Directeurs de thèse: V.BARDINAL DELAGNE, J.PERCHOUX , N° 17352

Diffusable

Plus d'informations

Résumé

L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique. Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts.

Abstract

Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal. Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

Mots-Clés / Keywords
Optical feedback interferometry; VCSEL; Microfluidics; Flow measurement; Doppler effect; Interférométrie par réinjection optique; Micro-fluidique; Mesure de débit; Effet doppler;

141153
16442
15/11/2016

Conception et réalisation d'une nouvelle génération de ano-capteurs de gaz à base de nanofils semiconducteurs

B.DURAND

MICA, MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Novembre 2016, 206p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: M.THCHERNYCHEVA, C.PIJOLAT, Examinateurs: Y.COOINIER, Directeurs de thèse: P.MENINI, G.LARRIEU , N° 16442

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417316

Diffusable

Plus d'informations

Abstract

In recent years, efforts of research and development for gas sensors converged to use nanomaterials to optimize performance. This new generation promises many advantages especially in miniaturization and reduction of energy consumption. Furthermore, the gas detection parameters (sensitivity, detection limit, response time ...) are improved due to the high surface/volume ratio of the sensitive part. Thus, this sensors can be integrated in ultrasensitive detection systems, autonomous, compact and transportable. In this thesis, we propose to use 3D semiconductor nanowires networks to create highly sensitive and selective gas sensors. The objective of this work is to provide a highly sensitive sensor, featuring a low detection limit (in the ppb range) and embeddable in CMOS devices. In addition process is generic and adaptable to many types of materials to discriminate several gas and converge to electronic nose. The first part of the dissertation is based on development of a large scale, reproducible, compatible with Si processing industry and conventional tools (CMOS), to obtain a sensor based on a 3D nanowire architecture. The device is composed by two symmetrical aluminum contacts at each extremity of the nanowires, including a top contact done by air bridge approach. The second part of this work presents the gas performances of components and working mechanisms associated. A very high response (30%) is obtained at 50 ppb of NO2, compare to the state of the art, 25% reached for 200 ppb. This approach can measure selectively very low concentrations of gas (<1 ppb) in real working conditions: moisture (tested up to 70% moisture) and mixing with other more concentrated gas (interfering gas). In addition, the reversibility of the sensor is natural and occurs at room temperature without requiring specific conditions.

Résumé

Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l’intégration de nanomatériaux afin d’améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, …) s’en retrouve améliorée à cause de l’augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l’ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d’un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l’industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l’un est obtenu par l’approche dite du « pont à air », permettant la définition d’un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d’azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l’état de l’art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (< 1 ppb) de manière sélective, dans des conditions proches des conditions réelles : humidité (testé jusqu’à 70% d’humidité) et mélange avec d’autres gaz plus concentrés et la réversibilité du capteur est naturelle et se fait à température ambiante sans nécessité des conditions particulières.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils semiconducteurs; Capteur de gaz; Architecture 3D; CMOS; Détection de faibles concentrations (ppb); Dioxyde d’azote (NO2); Semiconductor nanowires; Gas sensors; 3D architecture; Low concentration detection (ppb); Nitrogen dioxide (NO2); Schottky contact;

138395
16209
26/04/2016

Analyse impédancemétrique pour le suivi de cuisson ou de santé des structures composites carbone/époxyde : Vers des matériaux intelligents pour le PHM des structures composites

M.MOUNKAILA

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Avril 2016, 130p., Président: D.MALEC, Rapporteurs: L.BECHOU, D.SOULAT, Examinateurs: Z.ABOURA, Directeurs de thèse: T.CAMPS, P.MARGUERES , N° 16209

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01813627

Diffusable

Plus d'informations

Résumé

Les matériaux composites, à fibre de carbone et à matrice polymère, sont de plus en plus utilisés dans des secteurs où la sécurité est critique (aéronautique, spatial, génie civil…). La connaissance et la maîtrise de leur processus d’élaboration et leur comportement sont d’une importance majeure. En effet le processus d’élaboration d’un matériau ou d’une pièce mécanique composite est différent de celui des matériaux classiquement misent en œuvre (acier, aluminium…). Il nécessite plusieurs étapes dont la maîtrise affectera les performances du matériau fini. Le contrôle de certains paramètres du processus (température, pression, temps) impacte les paramètres structuraux du matériau et permet donc d’optimiser ces procédés d’élaboration. Pour prédire les performances désirées il est nécessaire de connaitre l’état initial des matériaux au sein des pièces. En service, le comportement d’une structure en composite peut varier rapidement suite à certains phénomènes (impacts, chocs et vibrations, vieillissement…). Ces derniers peuvent induire des défauts (délaminage, ruptures des fibres ou fissuration de la matrice), visibles ou pas, qui dégradent les performances de la structure et affectent leur intégrité. Il est donc capital de connaitre et suivre l’état du matériau pendant sa cuisson et son utilisation en service. Cette étude présente nos travaux thèse, dans lesquels nous exploitons les propriétés électriques propres d’un matériau afin de le caractériser. La micro structure du matériau étant faite de conducteur (fibre de carbone) et d’isolant (résine), un modèle de la conduction électrique a été établi en utilisant un réseau de résistance (RP) et de capacité (CP) parallèles d’impédance caractéristique Z. Puis le matériau est instrumenté à cœur à l’aide d’électrodes minces et flexibles (flex). Une analyse de spectroscopie d’impédance est réalisée sur des échantillons en cycle de cuisson et en poste cuisson lors des tests mécaniques grâce un banc de mesure spécifiquement développé. Les résultats de l’analyse renseignent sur les propriétés intrinsèques du matériau et montrent une sensibilité de ces paramètres (Z, RP et CP) en fonction de l’évolution du cycle et des tests mécaniques. La méthode d’instrumentation électrique développée dans cette thèse présente des avantages de simplicité, robustesse, fiabilité, bas coût, l’instrument et la méthode sont utilisables à la fois pour le suivi de cuisson et de santé des structures. Il est donc possible de faire le Structural Health Monitoring (SHM) ou mieux encore le Prognostics and health management (PHM) dès le début du processus d’élaboration d’une structure composite. On peut alors parler de matériau intelligent qui, outre les performances mécaniques qu’il offre, intègre une détection in situ.

Mots-Clés / Keywords
Analyse d’impédance electrique; Capteurs à transduction électrique; Matériaux composites intelligents; Prognostics and Health Management (PHM); Structural Health Monitoring (SHM); Suivi de cuisson des matériaux composites;

137153
15655
11/12/2015

Conception et réalisation de microsystèmes optiques (MOEMS) en polymère pour l'optique adaptative intégrée sur diodes laser verticales (VCSELs)

S.ABADA

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Décembre 2015, 150p., Président: C.GORECKI, Rapporteurs: A.BOSSEBOEUF, F.ZAMKOTSIAN, Examinateurs: C.LEVALLOIS, Directeurs de thèse: V.BARDINAL DELAGNES, T.CAMPS , N° 15655

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01630568

Diffusable

Plus d'informations

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et d’une nouvelle génération de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Le microsystème à base de polymères que nous avons conçu est compatible avec une intégration monolithique en post-processing. Il est composé d’une membrane suspendue associée à une microlentille réfractive. Le plan de focalisation est contrôlé dynamiquement grâce au déplacement vertical de la membrane grâce à un actionnement électrothermique. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l’aide notamment de simulations électro-thermomécaniques pour minimiser l’énergie de commande et fiabiliser les dispositifs. Nous avons ensuite développé l’ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur des matrices de VCSELs. En particulier, une technique originale de transfert thermique doux de films secs photosensibles épais a été mise au point au moyen d’un équipement de nano-impression, pour permettre un dépôt uniforme et précis sur des substrats fragiles ou de faible taille. En outre, nous avons développé un procédé simple et totalement planaire pour la fabrication du MOEMS et optimisé un procédé de dépôt par jets d’encre pour l’intégration finale des microlentilles, avec la possibilité de choisir la distance focale la plus adaptée à la fin du process. La caractérisation des microsystèmes que nous avons réalisés a conduit à l’obtention de déplacements mécaniques de 8μm pour seulement 12.5mW appliqués, ce qui constitue une validation de nos résultats de modélisation. Enfin, des premiers résultats de focalisation dynamique du faisceau VCSELs sont présentés.

Mots-Clés / Keywords
MOEMs; Micro-optique; Polymères; Diodes laser VCSELs; Intégration photonique; Dépôt de films secs photosensibles; Jets d’encre;

136192
15125
10/02/2015

Development of a lab-on-chip platform integrating electrochemical microsensors for the detection of water contaminants based on algal physiology monitoring

A.TTSOPELA

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Février 2015, 190p., Président: T.CAMPS, Rapporteurs: S.ARBAULT, W.WROBLEWSKI, Examinateurs: R.FERRIGNO, R.IZQUIERDO, P.JUNEAU, Directeurs de thèse: J.LAUNAY , N° 15125

Diffusable

Plus d'informations

Résumé

Le suivi de la qualité de l’eau a été d’une grande importance depuis ces dernières décennies afin de trouver des solutions de contrôler la contamination de l’eau, induite en grande partie par les activités agricoles et industrielles. Bien que les méthodes conventionnelles, comme la chromatographie, sont des outils très précis et sensibles, un intérêt grandissant a été placé sur des techniques prometteuses qui peuvent être utilisées sur site, sont bas coût, et offrent la possibilité d’effectuer des analyses rapides. Le travail présenté ici est dédié au développement de composant Laboratoire sur Puce pour l’analyse de la toxicité de l’eau. Il consiste en un système portable pour la détection sur site et offre la possibilité d’une double détection complémentaire : optique et électrochimique. Comme la partie dédiée au capteur électrochimique a préalablement été validée, cette étude est focalisée sur l’implémentation d’un biocapteur électrochimique basé sur l’utilisation d’une algue, pour la détection de polluants dans l’eau. Le principe basique de détection consiste au suivi de changements de l’activité métabolique d’algues induits par la présence d’herbicides. La réponse de l’algue est différente pour chaque concentration d’herbicide dans un échantillon examiné. Deux herbicides sélectionnés affectent l’activité photosynthétique de l’algue et par conséquent, induisent des modifications dans la quantité des espèces électroactives produites par l’algue : O2, H2O2 et H3O+/OH-. Avant le développement du composant final type Laboratoire sur Puce, les principes de détection aussi bien que les matériaux d’électrode qui vont être intégrés, ont été validés en utilisant un type de composant plus simple, qui a été réalisé grâce aux technologies de fabrication silicium et qui a été caractérisé par des procédures plus simples. Une puce sur silicium contenant un microsystème électrochimique intégrant trois électrodes a été mis en place. Une fois validés, les matériaux de détection et les configurations choisis précédemment ont été utilisés pour la fabrication des composants Laboratoire sur Puce. Les composants Laboratoire sur Puce ont été ensuite utilisés pour des tests biologiques afin de détecter les herbicides d’intérêt. Une attention spéciale a été placée sur le suivi de O2 comme indicateur de la présence d’herbicide, étant donné que cet élément est le plus représentatif de modifications de l’activité métabolique. Un effet d’inhibition sur la photosynthèse, dépendant de la concentration de l’herbicide a été démontré. La détection de l’herbicide a été réalisée avec une grande sensibilité et sur une gamme couvrant la limite de concentration maximale acceptable imposé par le gouvernement canadien.

Mots-Clés / Keywords
Détection; Herbicides; Lab-on-chip; Métabolisme des algues; Ultramicroelectrodes;

134476
13688
26/11/2013

Conception et réalisation d'un multicapteur de gaz intégré à base de plateformes chauffantes sur silicium et de couches sensibles à oxyde métallique pour le contrôle de la qualité de l'air habitacle

N.DUFOUR

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Novembre 2013, 182p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: C.DEJOUS, M.LUMBRERAS, Examinateurs: J.B.SANCHEZ, Directeurs de thèse: P.MENINI, C.WARTELLE , N° 13688

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00956669

Diffusable

Plus d'informations

Abstract

Many recent studies have shown the presence of high amounts of pollutants inside the car cabin. The proposed solution for this problem is the development of a gas sensor capable of detecting pollutants entering in the vehicle, resulting in the closing of vents in the case of a pollution peak. Metal-oxides chemical micro-sensors are the best candidates to solve this problem: they are highly sensitive to many gases, fast response times, and their production cost is low. Their main drawback is a lack of selectivity. The research work consisted of developing a micro-device incorporating a gas multi-sensor array based on conductivity detection: different sensitive layers are integrated on a single silicon micro-machined chip, in order to selectively detect several gases: carbon monoxide (CO), dioxide nitrogen (NO2), ammonia (NH3), acetaldehyde (C2H4O) and hydrogen sulfide (H2S). To do this, three main areas of research have emerged. The first part of this study focused on the design of the heating micro-platforms using a multiphysics simulations tool to optimize, on the one hand, their structure and geometry to achieve the expected thermal performances (thermoelectric efficiency optimization and minimizing interaction of a cell to another), and on the other hand, the thermo-mechanical performance given the possibility to use sensors in a fast thermal transient mode. The resulting model was validated by comparison with physical measurements. This has allowed us to improve the thermal behavior of the membrane surface and reduce manufacturing costs by simplifying the design. The manufacturing in clean room of the multisensor platform was then performed taking into account the improvements proposed by the modeling. A specific study on the integration process of an industrial technique to deposit sensitive materials by inkjet was conducted. A method for depositing quickly and at low costs several sensitive layers (ZnO, CuO and SnO2) on a single sensing structure has been developed. Finally, we proceeded to develop a decision-making system, including two elements: the development of an optimized profile to control the heating and sensitive resistors to improve the sensitivity, selectivity and stability, and a data multivariate analysis. It has therefore been possible to selectively detect most of the target gas (alone and mixed) at low concentrations (NO2-0.2ppm, C2H4O-2ppm, NH3-5ppm and CO-100ppm).

Résumé

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l’intérieur de l’habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l’élaboration d’un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l’intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d’aération lors de l’observation d’un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d’azote (NO2), l’ammoniac (NH3), l’acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d’hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d’études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s’est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l’aide d’un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d’une part leur structure et leur géométrie afin d’atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d’interaction d’une cellule à l’autre), et d’autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d’utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d’améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l’intégration dans le procédé d’une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d’encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l’élaboration d’un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d’un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d’améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

Mots-Clés / Keywords
Microsystèmes; Multicapteurs de gaz; Simulations multiphysiques; Microsystems; Gas multi-sensors; Multiphysics simulations;

131484
13490
17/10/2013

Élaboration et étude de vannes de spin organiques : vers le transport de spin à température ambiante

M.PALOSSE

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Octobre 2013, 163p., Président: L.CALMELS, Rapporteurs: P.BLANCHARD, P.SENEOR, Examinateurs: B.LUCAS, Directeurs de thèse: I;SEGUY, J.F.BOBO , N° 13490

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00910758

Diffusable

Plus d'informations

Abstract

Organic electronics is a recent and promising research field. Most electronic devices have nowadays a counterpart using organic semiconductor (OSCs) materials based on small molecules : organic electroluminescent diodes (OLEDs), organic field effect transistors (OFETs) or organic solar cells (OPVs). The field of organic spintronics has been rapidly growing since the fabrication of the first organic spin valves in 2002 and 2004. This thesis falls within that context, with aim to fabricate and to study organic spin valves in order to get a better understanding of the mechanisms ruling spin injection and transport in OSCs. Fabricated junctions consist of two magnetic electrodes, which spin polarization is conserved above room temperature, separated by an organic thin film of thickness ranging from 50 to 200 nm. Several molecules were studied for their different electronic properties : tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3), tetraethyl perylene 3, 4, 9, 10-tetracarboxylate (PTCTE) and benzofurane bithiophene (BF3). Morphological and structural studies were conducted to control the quality of metal/ OSC interfaces. VSM measurements (Vibrating Sample Magnetometer) allowed the verification of the spin valve behavior of the samples, from 10 K to 300 K. Moreover, transport measurements were conducted with or without the presence of a magnetic field, varying the temperature. It allowed the identification of space charge limited transport operation with deep traps, and a hopping type charge transport following the Mott’s Various Range Hopping model. Also, alternative fabrication methods of the top electrode were compared to improve the stability of the final devices. Finally, up to 3 % of magnetoresistance was obtained at 5 K for PTCTE and at 40 K for BF3, suggesting that these materials are good candidates for spin polarized transport.

Résumé

L’électronique organique est un domaine de recherche récent en pleine expansion. La plupart des composants de l’électronique classique trouvent à ce jour un équivalent utilisant des matériaux semi-conducteurs organiques (OSCs) : diodes électroluminescents organiques (OLEDs), transistors à effet de champ organiques (OFETs) ou encore cellules photovoltaïques organiques (OPVs). Depuis la réalisation des premières vannes de spin organiques en 2002 et 2004, le domaine de la spintronique organique connaît un certain essor. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte, avec pour objectif de fabriquer des vannes de spin organiques et de les étudier afin de mieux comprendre les mécanismes d’injection et de transport de spin dans les OSCs. Les jonctions réalisées sont constituées de deux électrodes ferromagnétiques, dont la polarisation en spin se conserve audelà de la température ambiante, entre lesquelles un film mince de 50 à 200 nm d’un matériau OSC est pris en sandwich. Au cours de cette thèse, plusieurs molécules ont été étudiées, au regard de leurs différentes propriétés électroniques : le tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3), le tétraéthyl pérylène 3, 4, 9, 10- tétracarboxylate (PTCTE) et le benzofurane bithiophène (BF3). Des études morphologiques et structurales ont été réalisées afin de contrôler la qualité des interfaces métal/OSC. Des mesures VSM (Vibrating Sample Magnetometer) ont permis de s’assurer du comportement vanne de spin de nos échantillons de 10 K à 300 K. Enfin, des mesures de transport avec ou sans champ magnétique ont été réalisées en fonction de la température. Elles ont permis de mettre en évidence la limitation du courant par les charges d’espace en présence de pièges profonds, avec une conduction par sauts de type Various Range Hopping de Mott. Des méthodes alternatives de fabrication de l’électrode supérieure ont été comparées afin d’améliorer la stabilité des composants réalisés. Pour finir, 3 % de magnétorésistance ont été obtenus à 5 K pour le PTCTE et à 40 K pour le BF3, suggérant que ces matériaux sont de bons candidats pour le transport polarisé en spin.

Mots-Clés / Keywords
Spintronique; Electronique organique; Magnétisme; Composants; Spintronics; Organic electronics; Magnetism; Devices;

130692
Les informations recueillies font l’objet d’un traitement informatique destiné à des statistiques d'utilisation du formulaire de recherche dans la base de données des publications scientifiques. Les destinataires des données sont : le service de documentation du LAAS.Conformément à la loi « informatique et libertés » du 6 janvier 1978 modifiée en 2004, vous bénéficiez d’un droit d’accès et de rectification aux informations qui vous concernent, que vous pouvez exercer en vous adressant à
Pour recevoir une copie des documents, contacter doc@laas.fr en mentionnant le n° de rapport LAAS et votre adresse postale. Signalez tout problème de dysfonctionnement à sysadmin@laas.fr. http://www.laas.fr/pulman/pulman-isens/web/app.php/