Conception et développement des réseaux de capteurs MEMS en silicium et en diamant pour la détection de vapeurs

Smart multi-sensor systems for gas detection (or electronic noses), are already deployed in areas as diverse as cosmetics and food industry, environment monitoring and military and medical purposes. The ongoing collaboration within the European SNIFFER Project, focused on the development of an innovative electronic nose-like system based on MEMS sensors combined with olfactory bioreceptors for the detection of illicit substances. In another context and, within an internal approach to ESIEE-Paris, we have also chosen to expand the topic to design a multi-sensor system for application in volatile organic compounds detection.Thus, in view of improving these technologies through the use of MEMS sensors, this manuscript comprehensively investigates the design, fabrication and characterization of silicon and diamond resonant micro-cantilevers sensors, and also presents a proof of concept of a multi-sensor system for gas detection. To date, silicon has been used as a building block of micro sensors, whose features are very well known and argued extensively in the literature. On the other hand, diamond as a unique material in terms of its superior physical and chemical properties, has been received attention in microelectronics. Although the realization of diamond MEMS sensors has been presented before, it has been never compared to silicon MEMS gas sensors. Therefore, to establish elements of comparison for the two technologies, this thesis aimed to use these two competitive materials as a building block of micro-cantilever based MEMS gas sensors.Firstly, we set up specific micro-machining processes for the realization of diamond patterns that have been previously developed in our laboratory in order to optimize them for a fully clean room compatible manufacturing, independent of changes in diamond synthesis conditions. We have, for the first time, realized diamond micro-cantilevers with integrated polysilicon gauges. The Young's modulus of diamond was characterized using two different methods resulting in the best case of the value as 1080 GPa. Then, the mass sensitivity of silicon and diamond microcantilevers was evaluated. In the best case, for sensors presenting very similar resonant frequencies, the silicon microcantilever have a sensitivity of 89 Hz / ng whereas for the diamond microcantilever, the sensitivity is 212 Hz / ng. It has been also observed that the impact of adding mass on the beam quality factor was more critical to the silicon structures for low mass load cases.Finally, a proof of concept for the use of the multi-sensor system based on silicon and diamond micro-cantilevers for the detection of volatile organic compounds was established. We demonstrated the detection of several compounds in concentrations of the order of tens of ppm in a fully automatic way and without the use of measuring instruments. The results of these detections form a database from which we resulted in the discrimination of the compounds tested by applying multivariate statistical methodsLes systèmes multi-capteurs intelligents de gaz (ou nez électroniques), sont déjà déployés dans des domaines aussi divers que la parfumerie, l'industrie alimentaire, la surveillance de l'environnement et à des fins militaires et médicaux. La collaboration engagée dans le cadre du Projet Européen SNIFFER, s'est focalisée sur le développement d'un système type nez-électronique innovant basé sur des capteurs MEMS combinés à des bio-récepteurs olfactifs pour la détection de substances illicites. Dans un autre contexte et ce, dans une démarche interne à ESIEE-Paris, nous avons aussi choisi d'élargir le sujet à la conception d'un système multi-capteurs pour une application en détection de composés organiques volatils.Ainsi, dans la perspective d'une amélioration des technologies par l'utilisation de capteurs MEMS, cette thèse traite de la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de type micro-poutre résonante en silicium et en diamant et également de la preuve de concept d'un système multi-capteur pour la détection de gaz. Si le choix du silicium en tant que matériaux pour la fabrication de nos capteurs a pour avantage l'énorme éventail de connaissances disponible, le diamant fait sa place dans le monde de la microtechnologie grâce à ses remarquables propriétés physiques et chimiques. Même si certaines études portant sur le développement de dispositifs et de procédés MEMS en diamant sont décrites dans la littérature, une comparaison entre les performances des deux matériaux pour le développement d'un même capteur n'a jamais été étudiée. En conséquence, cette thèse est axée sur l'utilisation de ces deux matériaux pour la conception de micro-poutres résonantes, afin d'établir des éléments de comparaison pour les deux technologies.Dans un premier temps, nous avons mis en place des procédés de micro-structuration du diamant développés auparavant dans notre laboratoire afin de les optimiser pour une fabrication totalement compatible avec les techniques de salle blanche et indépendante des variations des conditions de synthèse du diamant. Nous avons, pour la première fois, réalisé des micro-poutres en diamant avec des jauges en silicium polycristallin intégrées. Nous avons caractérisé le module d'Young du diamant en utilisant deux méthodes différentes aboutissant dans le cas le plus précis à la valeur de 1080 GPa. Ensuite, la sensibilité massique des poutres en silicium et en diamant fabriquées a été évaluée. Dans le meilleur des cas, et pour des fréquences de résonance très proches, les poutres en silicium présentent une sensibilité de 89 Hz/ng tandis que pour les poutres en diamant, la sensibilité s'élève à 212 Hz/ng. Nous avons également observé que pour des faibles variations de masse, l'impact de l'ajout de masse sur le coefficient de qualité des poutres était plus critique pour les structures en silicium.Finalement, une preuve de concept de l'utilisation du système multi-capteur à base de micro-poutres en silicium et en diamant pour la détection de composés organiques volatils a été mise en place. Nous avons démontré la détection de plusieurs composés dans des concentrations de l'ordre de la dizaine de ppm de manière totalement automatique et sans recours à des instruments de mesure. Les résultats de ces détections forment une base de données à partir de laquelle nous avons, par l'application de méthodes statistiques multivariées, abouti à la discrimination des composés testé