Résumé. Ce mémoire concerne la modélisation analytique et l'optimisation d'actionneurs électrostatique basés sur une membrane. Le modèle analytique de fléchissement de la membrane mince de silicium, parfaitement encastrée, décrit par l'équation Lagrange/Newton pour les petites déflexions est présentée en prenant sur compte des phénomènes comme les contraintes résiduelles et les déflexions initiales de la membrane. Les réponses pour la pression uniforme sont obtenues grâce à la méthode de Galerkin et sont étudiées pour décrire le comportement de la membrane avec un modèle réduit. Les deux modèles sont analysés pour l'actionnement électrostatique et sont comparés sur le plan de la précision, le gamme d'usage, le temps des calculs et le facilité d'usage en phase d'optimisation. Puis, le modèle réduit est corrigé pour être complètement applicable pour un actionnement hydrostatique et électrostatique sans perte de précision et est comparé avec la simulation FEM réalisée dans l'ANSYS®. Les résultats obtenus permettent de déterminer les avantages et les inconvénients du modèle. En suite, le modèle analytique est utilisé pour développer un outil d'optimisation et de statistique sous MATLAB®. Ce dernier permet d'estimer l'influence de la dispersion des paramètres technologiques sur le comportement des actionneurs. Finalement la fabrication et la caractérisation de structures de tests ont été réalisées au LAAS-CNRS et ont permis la validation du modèle analytique.

L'infrastructure de communication pour un système multiprocesseur mono-puce (MPSoC) est un organe central et de première importance. Cette importance s'explique par la place importante que tiennent les communications dans de tels systèmes distribués. Alors qu'il est maintenant admis que les réseaux -sur-puce (NoCs) constituent une solution théoriquement idéale, il se pose le problème de la validation de telles architectures complexes. En effet, malgré la régularité de leurs architectures, les réseaux-sur-puce restent des systèmes dont les interactions internes sont très difficiles à appréhender. Par ailleurs, les approches de validation classiquement employées sont très mal adaptées aux systèmes à base de NoC car très peu flexibles et très peu scalables. Cette thèse introduit un nouveau concept dans la validation matérielle des réseauxsur- puce, ce concept que nous avons appelé « émulation imprécise » contraste avec les approches d'émulation matérielles classiques qui sous-entendent toutes une précision au « cycle près, bit près ». Notre approche hérite de tous les avantages liés au prototypage matériel sur les plateformes reconfigurables et y ajoute un degré de flexibilité très élevé. En effet, l'étude menée au cours de ce travail sur le comportement des réseaux -sur-puce à commutation de paquets en régime non congestionné montre que, sous certaines conditions, des modifications des caractéristiques du NoC (introduites par la plateforme d'émulation elle même) peuvent être tolérées sans que pour autant le comportement du réseau ne change de façon radicale. La technique d'émulation multi-FPGA étudiée dans cette thèse est une technique très flexible car basée sur un mode d'interconnexions inter-FPGA série. Les interconnexions séries sont beaucoup moins sensibles aux phénomènes de parasitage que les interconnexions parallèles et par conséquent les vitesses de transferts sont beaucoup plus élevées. D'autre part la technique d'émulation que nous proposons ne pose aucune condition sur la vitesse du processus d'émulation lui-même. Considérant les délais additionnels induits pas les liaisons séries et les vitesses d'émulation très élevées, un phénomène de déviation des performances peut être observé d'où l'imprécision de l'émulation. Ce phénomène a été étudié dans le cadre de cette thèse et nous avons proposé plusieurs solutions afin d'y remédier.Mots cles : MEMS RF, interrupteur, modelisation, modele statistique, test, evaluation, regression lineaire.

Mes activités de recherches sont regroupées en trois parties principales allant de la couche sensible jusqu'au système. La première partie porte sur les plasmas froids. Le plasma, en tant que milieu physiquement et chimiquement très réactif, a essentiellement été utilisé pour le dépôt de couches minces, mais a aussi servi d'outil de caractérisation de surface ou encore de traitement de gaz. La deuxième partie traite du développement d'un capteur de gaz à partir du dépôt de la couche sensible jusqu'au dispositif. Il est présenté à partir des hypothèses de départ jusqu'aux caractéristiques du capteur. La troisième partie concerne les systèmes multicapteur. L'étude se situe cette fois au niveau du système, constitué de plusieurs capteurs, de l'acquisition des signaux et du traitement des données. Pour terminer, mes activités dans des sujets récents sont rapidement exposées dans la quatrième partie de ce mémoire.

La simulation numérique de composants microondes passifs contrôlés optiquement pose le double problème des comportements hyperfréquence et optique du semiconducteur éclairé par un faisceau laser. <br />Les modélisations proposées sont basées sur la méthode des éléments finis qui permet une discrétisation des équations d'ondes et la prise en compte de l'injection optique par une zone de permittivité équivalente.<br />Des formulations bi- et tri-dimensionnelles des problèmes aux valeurs propres et de propagation hyperfréquence sont présentées, ainsi que le couplage optique. <br /><br />L'essentiel des travaux porte sur la modélisation de l'injection de porteurs dans un substrat semiconducteur soumis à une onde hyperfréquence.<br />Le substrat éclairé se comporte comme un plasma ayant une variation de la concentration des porteurs régie par un modèle simplifié de diffusion ambipolaire.<br />Afin d'éviter l'apparition de phénomènes non physiques liés aux méthodes numériques utilisant les éléments finis nodaux et d'obtenir des résultats précis, nous avons choisi d'utiliser des éléments finis d'arêtes d'ordre supérieur.<br /><br />Les développements réalisés sont appliqués et vérifiés sur des structures hyperfréquences simples et sur le cas particulier de la ligne microruban ouverte éclairée par un laser de longueur d'onde appropriée et de forte puissance.

Ce travail de thèse présente la conception et le développement d' un circuit intégré frontal analogique (AFE) pour un système d' électroencéphalographie portable. L' AFE est constitué d'un un amplificateur ultra-basse tension et d'un Convertisseur Analogique Numérique (ADC) Sigma Delta en Temps Continu (CT). Ce système AFE a été conçu dans une technologie CMOS 0,35 mm. Ce circuit de très basse consommation est alimenté avec une tension de seulement 0,5V.<br /><br />Afin de permettre un véritable fonctionnement en très basse tension, tous les transistors fonctionnent dans la région de faible inversion. Le pré-amplificateur se compose d'un étage d'entrée basé sur une architecture de type cascode replié (OTA-FC) et un d'un étage de sortie basé sur un amplificateur de type “Current Source”.<br /><br />Pour le convertisseur analogique numérique, une architecture de type Sigma-Delta, composée d'un modulateur à temps continu (CT-Sigma Delta), a été choisi afin d'avoir une consommation de puissance très faible. Le filtre de décimation du convertisseur est basé sur une architecture de filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR). Le Modulateur est alimenté avec une tension de seulement 0,5V alors que le filtre numérique nécessite une tension de 1V.<br /><br />Les résultats de test montrent que l'OTA a un gain de boucle ouverte de 38,8dB pour le premier étage et de 18,6dB pour l'étage de sortie. Cet OTA a une largeurs de bande pour le premier étage et le second étage de 10,23KHz et 6,45KHz, respectivement. Les autres caractéristiques obtenues pour l'OTA sont: bruit de sortie de 1,4mVrms@100Hz et consommation de 1,89mW. L' ADC quant à affiche les caractéristiques suivantes : un SNR de 94,2dB, un ENOB de 15,35bits, une INL de +0,34/-2,3 LSB, et une DNL +0,783/-0,62LSB avec aucun code manquant. Le Modulateur a une consommation de puissance de 7mW. L' AFE proposé proposé dans ce travail possède des caractéristiques qui le place parmi les plus performants comparé aux autres réalisation décrites dans la littérature. Les caractéristiques obtenues pour le circuit permettent d'envisager sont utilisation pour des applications biomédicales de très basse consommation telles que les dispositifs portatifs d'électro-encéphalographie (EEG)<br /><br />En plus du modulateur de CT-Σ∆ développé en technologies CMOS 0,35um, un autre modulateur a été conçu utilisant des technologies CMOS 0,13µm, basées sur le temps discret. La simulation affiche un SNR de 92dB et un ENOB de 14.99dB pour une fréquence de sur-échantillonnage (OSR) de 150.

Parmi les différentes méthodes de mesure objective de l'audition, les Auditory steady-state responses (ASSR) sont en plein développement et présentent de multiples avantages. Associées à l'implant cochléaire, cette méthode permet d'envisager une évaluation des performances de l'implant et une aide précieuse à son réglage. Dans une première partie nous avons cherché à évaluer les performances et capacités de la mesure ASSR chez le sujet non implanté, au travers de 4 études. Nous avons confirmé que cette méthode permettait une évaluation précise des seuils auditifs. De plus, l'amplitude de cette réponse donne des informations sur la sonie du sujet (Hearing Research) et met en évidence le phénomène de recrutement. Pour finir, en faisant varier l'un des paramètres de la stimulation nous pouvons étudier l'impact de la stimulation binaurale. Ces études positionnent la mesure ASSR dans un cadre très large d'évaluation objective de l'audition. Dans une deuxième partie, nous avons étudié la possibilité de réaliser cette mesure ASSR chez le sujet implanté cochléaire en validant l'origine de la réponse mesurée et en mettant au point un système de mesure. Pour cela nous avons évalué la réponse mesurée chez un groupe de sujets implantés et déduit de la non linéarité de la réponse obtenue son origine non artéfactuelle (International Journal of Audiology). Cet artéfact rencontré lors de la mesure, nous a amenés à modéliser et analyser le signal émis par l'implant, afin d'en extraire les propriétés utiles à la mesure ASSR. Enfin à l'aide du système de mesure ASSR ainsi développé, nous avons mis en évidence la validité de la mesure ASSR chez l'implanté cochléaire.

Le développement important de la chimie haut-débit, rendu possible par l'avènement de la microfluidique, apporte des besoins croissants en méthodes de caractérisation rapides et ne nécessitant que des volumes d'échantillons réduits. Ces travaux de thèse ont permis de développer un dispositif à ondes acoustiques de surface associé à une puce microfluidique dans le but de caractériser les propriétés rhéologiques de fluides complexes. À partir de volumes de l'ordre du microlitre, des phénomènes tels que l'apparition d'enchevêtrements dans des polymères en solution ont pu être observés. Une méthode de caractérisation du module de rigidité transverse complexe a également été développée, permettant d'envisager la conception d'un micro-rhéomètre à ondes acoustiques.

Ces travaux portent sur le développement d'un capteur capacitif de pluie à électrodes protégées fonctionnant en mode différentiel. Dans un premier temps, les propriétés électriques des différents matériaux constitutifs du capteur sont déterminées expérimentalement. A partir de considérations théoriques, nous avons établi des expressions semi-empiriques traduisant la dépendance en fréquence [10^2 à 10^5Hz] et en température [−40 à +80°C] des permittivités diélectriques, nécessaires aux calculs des capacités. Le capteur est ensuite dimensionné par simulation numérique (méthode des éléments finis) puis fabriqué selon différents procédés de dépôt pour les électrodes. Deux motifs d'électrodes sont étudiés : électrodes linéaires et électrodes interdigitées. La sensibilité à l'eau est évaluée par simulation numérique (film puis gouttes d'eau de volume variable) avant validation expérimentale. L'influence de la température sur les performances du capteur est finalement abordée : les effets de la dilatation thermique des matériaux et de la variation des permittivités diélectriques sont successivement traités. A l'issue de cette étude, l'efficacité du mode différentiel contre l'influence de la température est évaluée.

Dans le but d'améliorer la limite de détection des capteurs chimiques à base de micropoutres, ces travaux ont permis de mettre en évidence différents moyens d'optimisation de ces capteurs.En ne se limitant pas à l'étude de la sensibilité et en incluant les notions de bruit de mesure, des règles de conception ont été établies. Ainsi, l'étude des pertes dans les micropoutres et l'étude de l'influence des propriétés viscoélastiques de la couche sensible sur ces micropoutres ont permis d'avoir une meilleure connaissance du bruit de mesure. Les modèles développés ont été confrontés à des essais de caractérisation et à des détections d'éthanol et de toluène. Les résultats obtenus ont permis de valider ces modèles et ouvrent donc la voie à une conception plus éclairée de ces capteurs chimiques.

L'étude des réseaux de microcapteurs sans fil met clairement en évidence la contrainte principale de l'autonomie en énergie. En effet, ces microcomposants autonomes et communicants appelés aussi noeuds du réseau sont dispersés dans des lieux parfois peu ou pas accessibles. L'objectif de notre travail est de proposer une méthode de conception d'un émetteur-récepteur adapté à ce type de réseaux. Partant d'une modélisation au niveau système mettant en relief la part prépondérante du module radiofréquence sur la consommation moyenne d'un noeud, nous avons développé trois nouveaux outils de conception correspondant à différents niveaux de modélisation de la chaine de communication. Leur utilisation conjointe et les résultats de simulations obtenus nous offrent la possibilité de mettre en relation les spécifications et les performances d'un module radiofréquence avec la consommation. L'association de ces outils dans une méthode de conception itérative nous a permis de dimensionner une chaine de communication en fonction d'une contrainte de consommation. Finalement, nous avons conçu, fabriqué et testé, un amplificateur faible bruit (LNA ou Low Noise Amplifier) à 868 MHz qui présente des caractéristiques très intéressantes en termes de consommation.