Au cours des dernières décennies, l'observation du ciel dans les longueurs d'onde millimétriques a permis de faire grandement progresser notre compréhension de l'univers, notamment à travers l'étude du fond diffus cosmologique. Pour répondre aux besoins actuels des astronomes, nous proposons dans ce rapport un instrument intégré permettant de réaliser des mesures spectrales large-bande dans le domaine millimétrique. Celui-ci se base sur le concept de SWIFTS (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer :spectromètre de Fourier à ondes stationnaire), un instrument opérationnel aux longueurs d'onde visibles et infrarouges. Notre dispositif " SWIFTS millimétrique " utilise des détecteurs à inductance cinétique (KID pour Kinetic Inductance Detectors) comme détecteurs de lumière. Différents aspects de la conception du SWIFTS millimétrique sont abordés dans ce rapport. Le dimensionnement des éléments clés du dispositif est réalisé à l'aide de simulations électromagnétiques. Nous proposons aussi un procédé de fabrication en technologie silicium permettant le dépôt d'antennes sur membrane de nitrure de silicium SiN. Les premières caractérisations permettent de confirmer un fonctionnement adapté des détecteurs en configuration SWIFTS et démontre l'existence d'un couplage entre l'antenne et un des détecteurs aux longueurs d'onde millimétriques ce qui ouvre la voie à un futur démonstrateur. Parallèlement, la technologie développée pour le SWIFTS millimétrique a rendu possible la fabrication de KID sur membrane. L'intérêt est ici d'évaluer la membrane comme un moyen de réduire l'interaction entre les rayons cosmiques et le détecteur dans la perspective d'une utilisation des KID dans l'espace. Des mesures comparatives effectuées sur KID déposés sur membrane et sur substrat démontrent des taux d'événements identiques dans les deux cas. La membrane est donc inefficace pour l'application envisagée. Le temps de relaxation présente en revanche une dépendance avec la présence du substrat.

Depuis 2005, il existe un intérêt important dans la communauté internationale de métrologiepour de nouvelles déterminations précises de la constante de Boltzmann kB ; lebut étant de redéfinir en 2015 l'unité internationale de température, le kelvin. Actuellement,cinq techniques sont utilisées pour déterminer kB avec comme objectif d'atteindreune incertitude relative inférieure à 1 × 10−6. La méthode retenue pour cette thèse est latechnique acoustique.La constante de Boltzmann est liée à la vitesse du son u dans un gaz parfait par l'équationdu viriel acoustique. La méthode décrite dans cette thèse consiste à mesurer u en utilisantun résonateur de forme quasi sphérique et de volume intérieur de 0,5 L, rempli d'argon.Ces mesures sont effectuées lors d'un isotherme à la température du point triple de l'eau,T = 273,16 K, pour des pressions statiques P allant de 0,05 MPa à 0,7 MPa. La constantede Boltzmann est ensuite déterminée en estimant u à pression nulle par une régressionpolynomiale.Dans cette thèse, un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un résonateur quasisphérique est défini. Aussi, les moyens techniques utilisés pour contrôler soigneusement lesparamètres de l'expérience qui ont un effet sur les mesures de u (comme la température,la pression statique, la composition du gaz, etc) sont présentés. De nouvelles techniquesexpérimentales et des nouveaux moyens d'analyse des données sont proposés, comme lamesure du rayon du résonateur par spectroscopie électromagnétique, mais aussi l'utilisationde l'écart-type d'Allan comme un outil efficace pour étudier la présence d'impuretélors d'une expérience de longue durée. Les effets systématiques sont analysés puis corrigés.Pour certains, la correction est estimée grâce à un modèle analytique, comme l'effet lié auxcouches limites thermiques. Pour d'autres, des corrections basées sur des fonctions empiriquessont proposées ; c'est le cas pour l'effet du débit de gaz continu sur les mesures deu, effet qui est caractérisé expérimentalement dans cette thèse.Enfin, l'analyse des données acquises en 2009 au LCM/LNE-CNAM lors de deux isothermeseffectuées avec de l'argon est présentée. Celle-ci a permis d'obtenir la valeur kB =1, 3806475 (16) × 10−23 J * K−1, c'est à dire avec une incertitude relative de 1, 14 × 10−6.

Dans un premier temps, nous avons exploré la reconnaissance des signatures électromagnétiques des familles d'appareils électriques à l'aide d'un apprentissage supervisé et d'une validation croisée. Les résultats obtenus sont peu fiables. L'exactitude de la classification est de 54.5±26.1% pour les familles d'appareils électriques domestiques testés: la bouilloire, la cuisinière (le four traditionnel et les plaques de cuisson), la hotte de la cuisine, la ventilation de la salle de bain, le fer à repasser, le grille-pain, les luminaires de l'ensemble réfrigérateur-congélateur et les luminaires des lampes. Néanmoins, à partir d'un apprentissage non supervisé, les signatures électromagnétiques permettent tout de même de différencier les appareils selon leur type de charge, résistive ou inductive. Dans un second temps, nous avons cherché du côté des profils de puissance. Les fronts détectés sur le profil de puissance peuvent permettre d'identifier l'allumage et l'arrêt des appareils électriques. Par la suite, à l'aide d'un apprentissage supervisé, les différentiels des fronts de puissance sont associés à un appareil électrique. Le système à été validé lors de la réalisation d'un repas au cours duquel une personne à utiliser l'une des plaques de cuisson, le four traditionnel, la ventilation de la salle de bain, le four à micro-ondes et une machine à expresso. Initialement, le taux de vraie reconnaissance est de seulement 58.2%, le taux de non reconnaissance est de 26.5% et le taux de fausse reconnaissance est de 15.3%. En effet, certains appareils ont des consommations électriques similaires. De plus, plusieurs appareils peuvent fonctionner simultanément. Dans un troisième temps, des règles d'inférences statiques et dynamiques ont été mises en place pour améliorer la reconnaissance des appareils électriques. Par exemple: sur quelle(s) ligne(s) électriques(s) un appareil est branché. Le taux de vraie reconnaissance obtenu passe alors à 95.5%, le taux de non reconnaissance passe à 0.3%. Le système de reconnaissance est limité aux appareils électriques ayant une consommation de puissance supérieure à 70 Watts en raison du bruit électrique présent sur l'une des lignes électriques. Malgré les corrections apportées par les règles d'inférence, certains appareils sont difficilement différenciables. Par exemple: le four traditionnel dans la cuisine et le fer à repasser dans la chambre restent très difficiles à reconnaître. Dans un quatrième temps, nous avons cherché à encore améliorer le taux de vraie reconnaissance en incorporant des informations contextuelles non liées au réseau électrique. L'information apportée par les événements sonores permet de localiser spatialement le résident afin de lever certaines ambiguïtés sur la reconnaissance des appareils. Nous avons développé un système de détection et de localisation des événements sonores basé sur la mise en évidence des transitoires du signal sonore. La localisation de la personne à partir de l'environnement sonore à été validé lors de la réalisation des routines du matin par une personne: se lever, s'habiller, faire sa toilette, préparer et manger un petit déjeuner et enfin s'apprêter pour sortir. La fusion des données sonores et électriques n'a pas été implémentée dans le cadre de cette thèse, mais nos travaux montrent qu'il est possible d'obtenir les données sonores et électriques nécessaires pour ce faire. Finalement, des expérimentations intégrant des assistants cognitifs ont été réalisées avec dix personnes non affectées cognitivement. Le scénario consiste à préparer un pâté chinois, prendre un médicament et faire le repassage. Une application d'aide à la cuisine «SemAssist» et une autre de rappel d'activités «Ap@lz» ont aussi été utilisées au cours de l'expérimentation. Ces expérimentations ont permis d'évaluer en conditions réelles le système de supervision de l'environnement électrique basé sur le profil de puissance. Le taux de vraie reconnaissance est de 87.2±5.0%, le taux de non reconnaissance est de 10.5±4.1% et le taux de fausse reconnaissance est de 2.3±2.7%.

L'étude de la structure interne des hadrons nous permet de comprendre la nature des interactions entre les partons, les quarks et les gluons, décrites par la Chromodynamique Quantique. Les processus de diffusion élastique, qui ont été utilisés avec succès pour mesurer les facteurs de forme des nucléons, sont inclus dans ce cadre. Les processus inélastiques sont également inclus dans ce cadre, ils nous permettent d'extraire beaucoup d'information grâce au développement des distributions de partons (PDFs). Par conséquent, tandis que la diffusion élastique d'électrons par le nucléon nous fournit des informations sur la répartition des charges, et donc de la distribution spatiale des composants du nucléon, la diffusion inélastique présente des informations sur la distribution d'impulsions au moyen des PDFs. Cependant, dans les processus inélastiques, il est possible d'étudier les processus exclusifs tels que la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), qui nous permet d'accéder aux distributions spatiale et d'impulsions des quarks simultanément. Ceci est possible grâce aux fonctions généralisées des distributions de partons (GPDS), qui nous permettent de corréler les deux types de distributions. Le processus connu sous le nom DVCS est le moyen le plus facile pour accéder aux GPDS. Ce procédé implique la diffusion d'un électron par un proton, au moyen de l'échange d'un photon virtuel, qui entraîne la diffusion des particules initiales et l'émission d'un photon réel. Ce processus est en concurrence avec le processus dit Bethe-Heitler, dans lequel le photon réel est émis par l'électron initial ou final. En raison de la faible section efficace de ce type de procédé, de l'ordre du nb, il est nécessaire d'utiliser une installation capable de fournir une haute luminosité pour réaliser les expériences. L'une de ces installations est le Thomas Jefferson National Accelerator Facility, où l'expérience appelée "Complete Separation of Virtual Photon and π⁰ Electroproduction Observables of Unpolarized Proton" a été réalisée au cours de la période entre Octobre et Décembre de 2010. Le principal objectif de cette expérience est la séparation de la contribution du terme provenant du DVCS à partir du terme d'interférence, résultant de la contribution du BH. Cette séparation est appelée "Séparation Rosenbluth". Cette thèse porte sur le calorimètre électromagnétique qui a été utilisé pour détecter le photon dans l'expérience E07-007 à Jefferson Lab. Il y a aussi une introduction théorique à l'étude de la structure du nucléon, en révisant les concepts de facteurs de forme et des distributions de partons à travers des processus élastiques et inélastiques. Le calcul de la section efficace de la leptoproduction de photons est décrite en détail, ainsi que les buts de l'expérience E07-007. Dans cette thèse on décrit l'analyse des données enregistrées par le calorimètre électromagnétique, avec le but d'obtenir les variables cinématiques des photons réels résultants des réactions DVCS. Finalement, on décrit la sélection des événements à partir des données stockées, les réductions appliquées aux variables cinématiques et la soustraction de fond. En outre, le processus d'extraction des observables nécessaires pour le calcul de la section efficace de la leptoproduction de photons est décrite, ainsi que les principales étapes suivies pour effectuer la simulation Monte-Carlo utilisée dans ce calcul. Les sections efficaces obtenues sont indiquées à la fin de cette thèse.

Depuis quelques années on assiste à la prolifération de capteurs (pression, accélération, température) autonomes sans fil qui s'appuient sur la disponibilité d'une part d'éléments sensibles petits et performants et d'autre part sur de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût entre 300MHz et 3GHz. Ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d'analyse ou encore de diagnostic. Cependant, le développement de ces réseaux de capteurs communicants sans fil a mis en évidence une limitation intrinsèque de l'utilisation de la plupart des cellules de mesures existantes liée à l'autonomie énergétique du système. La majorité des recherches visant à augmenter l'autonomie des capteurs se focalisent d'une part sur la réduction de la consommation des cellules sensibles et des circuits électroniques et d'autre part sur la disponibilité de l'énergie embarquée. Bien que séduisantes, toutes ces solutions potentielles présentent des inconvénients majeurs tels que la complexité des dispositifs à mettre en Suvre, des faibles courants disponibles ou encore une quantité d'énergie stockée peu importante. Dans le cadre de cette thèse, on s'est intéressé au cas particulier des capteurs de pression et on a adopté une toute autre approche. En effet, l'objectif de ce travail consiste à repenser complètement le principe de fonctionnement du capteur en développant un nouveau mode de transduction complètement passif qui ne nécessite pas d'énergie embarquée et qui peut être interrogé à grande distance (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres) par radar. Ce mode baptisé 'transduction électromagnétique' est basé sur la modification de la fréquence de résonance d'une fonction hyperfréquence par la grandeur à mesurer. Cette méthode originale de transduction convertit l'effet d'un gradient de pression en un décalage en fréquence. Dans une première étape, une vali dation théorique, par modélisation électromagnétique, du principe de fonctionnement est présentée. Ensuite, le dimensionnement de la cellule de mesure est réalisé en tenant compte, d'une part de l'aspect électromagnétique lié au circuit résonant, et d'autre part de l'aspect mécanique relatif aux contraintes technologiques pour les structures avec membrane silicium. Par la suite, des simulations électromagnétiques simplifiées ainsi que des simulations tenant compte de la déformation réelle de la membrane ont été réalisées pour valider, par simulation, le décalage en fréquence et ainsi valider le principe de fonctionnement du capteur. L'étape suivante a permis d'identifier les procédés technologiques en salle blanche qui ont permis de réaliser les premiers prototypes du capteur. Une fois les cellules de mesures fabriquées, des mesures RF ont été réalisées et viennent confirmer les résultats de simulations. Ensuite, en utilisant un banc de mesure spécialement dédié à ce type de capteurs, des mesures RF combinées avec des mesures en pression ont été menées pour la caractérisation en pression des prototypes et pour en extraire la sensibilité. Enfin, des perspectives sont ouvertes sur les aspects sans-fil et interrogation Radar du capteur.

L'objectif de cette thèse était de développer un capteur de température passif sans fil à transduction électromagnétique utilisant un couplage électromagnétique - fluide. Le principe de ce type de capteur est basé sur la dilation thermique d'un fluide dans un micro-canal qui modifie les propriétés électromagnétiques d'un dispositif aux fréquences millimétriques. Deux types de capteurs de température qui utilisent la transduction électromagnétique et la micro-fluidique ont été étudiés. Le premier est constitué d'une capacité planaire variable à l'aide d'un fluide diélectrique (eau distillée). La capacité est constituée par des électrodes en cuivre déposées sur un substrat en verre. La variation d'impédance, obtenue lors de la progression du front d'eau dans le micro-canal, permet de modifier l'impédance de charge d'une antenne et module ainsi le niveau de l'écho RADAR. Le second capteur utilise un fluide conducteur (Galinstan) qui court-circuite les deux brins d'une antenne dipôle lorsque le liquide se dilate. La structure utilisée est constituée d'un réseau d'antenne dont les deux brins sont court-circuités progressivement pour des températures différentes. On obtient ainsi une modulation de l'écho RADAR.

L'intégration complète des dispositifs de conversion d'énergie destinés à créer des circuits d'alimentation compacts se heurte encore aujourd'hui à des contraintes technologiques fortes sur l'intégration des composants passifs inductifs et capacitifs. La fréquence de fonctionnement de ces dispositifs, d'ores et déjà de l'ordre du MHz, en augmentant pourrait réduire la taille de ces composants passifs et donc permettre leur intégration. Cependant, les pertes fortement liées à la fréquence et à la technologie, freinent encore cette augmentation.<br />Cette thèse a pour objectif l'étude systématique de structures d'inductances intégrées à travers le développement d'une modélisation accompagnée de simulations précises pour le développement d'une méthodologie de simulation valable sur la plage de fréquence de 0Hz à 1GHz. Pour cela, un modèle analytique basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) a d'abord été développé. Ce type de modèle a du être adapté aux topologies des composants étudiés : symétrie cylindrique, conducteurs de section non négligeable, milieux non homogènes... Ce modèle décompose l'étude du composant en deux étapes : calculs électromagnétiques menés sur des sous-parties du composant (éléments partiels) et calcul de la réponse fréquentielle globale à partir de modèles électriques des éléments partiels. Un procédé complet de réalisation technologique des composants inductifs a également été mis au point en parallèle afin de valider expérimentalement la modélisation. L'amélioration de la résolution des motifs et l'augmentation de l'épaisseur des dépôts lors des étapes de croissance électrolytique du cuivre, ainsi que la planarisation des niveaux de conducteurs avec de la résine SU8 ont fait l'objet d'études spécifiques. Ces avancées ont permis la réalisation de selfs multibrin et multiniveau qui présentent des caractéristiques électriques intéressantes en haute fréquence. Enfin, la caractérisation des prototypes en basse fréquence a été rendue possible par la mise en oeuvre d'un banc de mesure d'impédance pour la gamme de fréquence de 40 Hz à 110MHz et des caractérisations en haute fréquence effectuées à l'aide d'un analyseur de réseau. Ces travaux ont été complétés par la mise au point d'une méthode analytique de calcul du champ magnétique. Les calculs permettent de prédire la répartition du champ magnétique généré par des actionneurs magnétiques planaires intégrés excités en courant continu.

Le but de cette thèse est d'établir une modélisation électromagnétique du détecteurbolométrique térahertz (THz). Ce travail aide à faciliter la conception de bolomètre THz dontla structure est basée sur celle de bolomètre infrarouge à température ambiante. Le contextede la thèse est l'imagerie THz active. Nous avons étudié le comportement électromagnétiqued'un bolomètre à antenne de bande spectrale 1 - 5 THz. Deux modes de simulation ont étéréalisées : l'une est en mode de réception et l'autre est d'émission. La combinaison de cesmodes de simulation constitue un outil important pour concevoir le bolomètre THz. Latechnique de spectroscopie par transformée de Fourier a été utilisée pour caractériserexpérimentalement le comportement électromagnétique du détecteur. Nous avons mesuré laréflectivité de la surface du plan focal de détecteur ainsi que la réponse spectrale du détecteur.Les deux sont confrontées avec la simulation et elles se trouvent en bon accord. Avec lesconnaissances obtenues des résultats théorique et mesuré, la recherche aide à améliorer desperformances du détecteur actuel. Nous avons aussi proposé un design pour le bolomètre defaible fréquence (850 GHz). Ce dernier ouvre la perspective d'emmener la technologie debolomètre d'infrarouge vers la bande sous-térahertz où l'imagerie est beaucoup plusfavorable.

De nos jours, le développement rapide des systèmes électroniques complexes multiplie les sources de perturbations électromagnétiques, auxquelles un nombre de circuits actuels deviennent de plus en plus susceptibles. Il devient donc indispensable de prédire les comportements des circuits intégrés vis-à-vis de ces perturbations, qu'elles soient conduites ou rayonnées. Cette thèse propose donc une méthodologie de simulation de l'immunité conduite et rayonnée des circuits intégrés dans leur environnement. Les travaux ont été menés sur un circuit intégré multi-coeur précédemment utilisé pour l'étude des techniques de réduction des émissions parasites. Celui-ci a permis, en sus de la méthodologie déjà citée, d'identifier quelques règles de conception en vue d'une meilleure immunité électromagnétique. Le premier chapitre est consacré à l'étude des origines des perturbations électromagnétiques et de leurs influences sur le comportement des circuits intégrés, ainsi que des méthodes de mesure de la susceptibilité en modes conduit et rayonné, en harmonique et en transitoire. Les chapitres 2 et 3 présentent des modèles électriques complets pour la simulation de l'immunité en mode conduit d'un circuit intégré, respectivement en harmonique (DPI - Direct Power Injection) et en transitoire (VF-TLP - Very Fast Transmission Line Pulsing). Les pertes en puissance ainsi que le substrat du circuit intégré ont également été modélisés. Dans le chapitre 4, un modèle de simulation d'injection en champ proche (en mode rayonné) est introduit et validé par des mesures de susceptibilité effectuées sur des circuits en boîtier avec et sans couvercle. Enfin, l'utilisation de diverses techniques de réduction de l'émission parasite des circuits intégrés pour la diminution conjointe de leur susceptibilité en modes conduit et rayonné est étudiée et discutée dans le chapitre 5. Les perspectives de cette thèse couvrent la prédiction avant fonderie de l'immunité des circuits intégrés aux agressions externes ainsi que la fourniture de leurs modèles pour la simulation d'immunité au niveau carte et au niveau système.

Cette thèse est une contribution au développement de méthodologies d'analyse et de modélisation des couplages distribués dans les technologies d'intégration et de report. Les méthodologies d'analyse proposées, formulées à partir de représentations en états propres des systèmes à modéliser, sont validées par application à des filtres multi-résonateurs. L'analyse de ces filtres multi-résonateurs, conçus avec les technologies BCB du LAAS, PICS de NXP et EPOXY de SUPAERO, montre l'importance d'inclure dans les modélisations électriques les effets de topologies et d'environnement souvent négligés dans les approches de synthèse conventionnelles. Par la compréhension et la paramétrisation des lois qui régissent la séparation fréquentielle des états propres d'un système, relativement aux topologies considérées, la méthodologie d'analyse proposée dans ces travaux pose des bases pour une systématisation de la synthèse des structures sélectives dans des contextes où l'influence des pertes doit être considérée dès la conception. L'analyse des distributions de champs électromagnétiques associées aux états propres des systèmes à modéliser permet une compréhension physique des réponses fréquentielles à synthétiser. La conception de structures filtrantes alliant les considérations de symétrie à la formulation en états propres a conduit à des performances de sélectivité et de rejection hors bande qui rendent attractives les technologies bas coût. Les méthodologies développées en aidant à la qualification des performances de technologies émergentes, par l'élaboration de facteurs de mérites indicateurs, conduit à des règles de conception pour des optimisations paramétrées.