Les microsystèmes sont des systèmes dynamiques multi-physiques. Leurs caractéristiques spécifiques, liées à leur petite dimension et aux phénomènes associés, nécessitent des études approfondies. Les méthodologies de l'automatique peuvent apporter des solutions nouvelles pour l'optimisation de ces systèmes. Dans ce contexte, ce travail de recherche s'intéresse plus particulièrement aux nonlinéarités dans les microsystèmes capteurs. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'un micro-accéléromètre asservi à sortie numérique. L'objectif principal de l'asservissement est l'amélioration de la linéarité de la mesure. L'étude s'attache à la modélisation du comportement dynamique du capteur en prenant en compte l'effet des non-linéarités (lecture capacitive et actionnement électrostatique) et à l'analyse des performances globales de la mesure (aspect dynamique, transfert de bruit et non-linéarité). Le circuit réalisant l'asservissement est conçu de manière à permettre l'utilisation d'outils de l'automatique avancée : l'identification pour la commande et la synthèse robuste de correcteur. L'architecture présentée est validée en simulation et sur un d´emonstrateur. Dans une deuxième partie, ce travail de recherche propose d'exploiter la non-linéarité dite de Duffing afin de réaliser un principe de détection original. Cette non-linéarité d'origine mécanique est fréquemment rencontrée dans les microsystèmes. Les résultats présentés ouvrent des perspectives nouvelles pour l'utilisation de structures mécaniques de dimensions nanométriques.