Le contrôle actif des écoulements aérodynamiques est l'un des enjeux majeurs actuellement en aérodynamique afin de réduire la traînée, augmenter la portance, contrôler les instabilités. Dans ce contexte, l'objet de ce travail est d'utiliser des actionneurs plasmas en caractérisant leurs propriétés physiques et leurs effets sur des écoulements. Deux configurations ont été utilisées : les décharges surfaciques "couronne" et "à barrière diélectrique" (DBD). Des mesures électriques et optiques montrent que ces plasmas sont une succession de micro-décharges. Le "vent ionique" induit par ces actionneurs est instationnaire, de faible vitesse (quelques m/s) et fortement dépendant des configurations géométriques et électriques. Cette propriété mécanique a été utilisée pour modifier la couche limite se développant sur une plaque plane puis sur des profils d'aile. Une succession de DBD a permis de déclencher précocement la transition laminaire-turbulente de la couche limite. Les décollements de bord d'attaque de l'écoulement de profils ont été retardés voire supprimés. Enfin, de nouveaux types d'actionneurs sont développés : une DBD alimentée par une haute tension impulsionnelle et des jets de plasmas perpendiculaires à la paroi.

L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.

Dans le domaine de la méctronique, l'utilisation de matériaux actifs est en constante évolution en raison de l'arrivée de nouveaux matériaux toujours plus performants. Les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques (AMFMs) sont des matériaux actifs apparus relativement récemment qui peuvent se déformer de 6 à 10 % sous l'application d'un champ magnétique. Permettant un actionnement rapide avec des déformations importantes, ces alliages sont des bons candidats pour la conception de nouveaux actionneurs. Cependant, ils présentent des caractéristiques non-linéaires avec hystérésis qu'il faut prendre en compte dès la phase de conception et de développement de leur commande afin d'améliorer les performances des nouveaux systèmes. Dans cette thèse, nous proposons une modélisation des AMFMs basée sur la thermodynamique des processus irréversibles à variables internes prenant en compte les effets du champ magnétique, des contraintes mécaniques appliquées ainsi que de la température. Une modélisation dynamique non-linéaire de systèmes mettant en oeuvre des AMFMs est également développée en utilisant les formalismes de Lagrange et Hamilton. Ces modèlisations énergétiques nous permettent de proposer des nouvelles structures d'actionneurs ainsi que des nouvelles lois de commande hybrides bien adaptées au comportement dynamique hystérétique de ce type d'actionneurs. Les résultats théoriques de ces études sont validés par des réalisations de prototypes et des essais expérimentaux.

Pour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement. / To improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow.

Le diagnostic des systèmes automatiques consiste à remonter des symptômes perçus vers les causes. Les méthodes de diagnostic à base de modèle utilisent un modèle mathématique explicite du processus. Les synthèses modernes de génération de résidus demandent une connaissance très fine du système à commander ou à diagnostiquer. L'écriture des modèles les plus précis demande une compréhension en détail des mécanismes et utilise les lois de la Physique. Les modèles obtenus de cette façon font intervenir des paramètres physiques qui, par définition, sont mesurables par des expériences non nécessairement en rapport avec la façon d'utiliser le système. Cependant, dans certains cas pratiques, ces paramètres ne peuvent pas être évalués a priori. Par ailleurs, la fiabilité donnée par les modèles de connaissance est en général accompagnée par l'inconvénient d'une trop grande complexité. Ce travail contribue à développer une nouvelle approche algébrique et déterministe de diagnostic qui ne suppose pas l'existence a priori d'un modèle explicite du système et qui présente un nouveau point de vue basé sur la théorie des distributions et l'analyse du pseudospectre de faisceaux de matrices. Notre démarche s'inspire de certains outils et développements de la théorie de l'estimation algébrique courants en automatique mais très peu usuels en traitement du signal. Le principal atout de cette approche est qu'il est possible, sous certaines hypothèses, de détecter, localiser et identifier les défauts à l'aide des seules mesures de la commande et de la sortie sans avoir à identifier les paramètres du modèle / The fault diagnosis in automatic systems is to trace perceived symptoms to causes. Most of model-based methods are based on the concept of analytical redundancy. The analytical redundancy relations are equations derived from an analytical model, which admits as input only the measured variables. Other classes of model-based methods are based directly on the parameter estimate. The modern syntheses of residuals generation require very detailed knowledge of system to control or to diagnose. Writing the most accurate models require a deep understanding of mechanisms and uses law of physics. The models obtained this way are called knowledge-based models. They involve physical parameters which, by definition, are measurable by experiments which are not necessarily related to how to use the system. However, in some practical cases, these parameters can be evaluated a priori. Moreover, the reliability provided by the knowledge-based models is usually accompanied by the disadvantage of excessive complexity. These models may not be used in practice and we must often reduce the complexity. This work contributes to develop a new algebraic and deterministic approach of fault diagnosis, which is not based on an a priori explicit model of the process and presents a new perspective based on the theory of distributions and the pseudospectra analysis of matrix pencils. Our approach is based on certain tools and developments in the theory of algebraic estimation usual in automatic community but very unconventional in signal processing

Ce travail de thèse présente une nouvelle classe de microélectrodes de fibres de nanotubes de carbone (NT). Celles-ci sont réalisées par un filage en voie humide autorisant l’inclusion d’additifs au sein des fibres afin d’adapter leur formulation. Ainsi, le développement d’électrodes incluant la bilirubine oxydase (BOD) pour biopile enzymatique a permis d’obtenir un haut courant de réduction à l’aide d’un transfert d’électrons direct entre BOD et NT. Egalement, des actionneurs électromécaniques incluant une faible quantité de PVA réticulé sont proposés. De telles fibres génèrent une grande contrainte et présentent un temps de réponse court lorsqu’une faible tension leur est appliquée. La mobilité des NT les uns par rapport aux autres au sein de celles-ci a été réduite. Cette dernière est présente dans tout actionneur en NT et génère du fluage et une relaxation de contrainte de ces matériaux limitant ainsi leurs performances. Ces travaux ouvrent de nombreuses voies pour de nouvelles microtechnologies de conversion d’énergie, notamment appliquées au médical ou dans la micro-robotique. / This PhD work presents a new class of carbon nanotubes (NT) fibers microelectrodes. These fibers are produced by a wet spinning process which enables the inclusion of additives within the fibers in order to adapt their formulation. Thus, new microelectrodes for enzymatic biofuel cells that comprise bilirubin oxidase (BOD) have been realized in a one step process and enable a direct electron transfer process between the enzyme and NT at a high potential with a high reduction current. Furthermore, we also developed new NT microfibers including a small quantity of chemically crosslinked PVA for electrochemical actuators. They generate a large stress and a short response time when stimulated by a low voltage in an aqueous electrolyte. Moreover, the CNT mobility within these fibers is greatly reduced. The latter is present in any CNT actuator and induces creep and stress relaxation of these material prohibiting the possibility to obtain high actuating performances. The present results open routes towards the development of novel technologies for energy conversion potentially useful in micro-devices, biomedical applications and micro-robotics.

La commande prédictive de type Model Predictive Control (MPC) s’est imposée au fil du temps dans de nombreux domaines industriels. Elle permet en effet d’optimiser avec succès les performances du système contrôlé tout en respectant de nombreuses contraintes propres à l’application visée. Cependant, l’utilisation de la commande MPC dans les domaines de la commande de moteurs et de générateurs demeure problématique. En effet, ces applications à forte dynamique imposent de choisir de faibles périodes d’échantillonnage, or, ce type d’algorithme demande de résoudre pour chaque période d’échantillonnage un problème d’optimisation complexe. Cette difficulté est renforcée car le champ applicatif visé portant sur les applications embarquées aéronautiques où la vitesse de base des machines électriques est très élevée, de même que leur fréquence d’alimentation. De plus, du fait que les systèmes étudiés sont embarqués, il est également très important de minimiser les pertes énergétiques de l’ensemble convertisseur-machine. Dans ce contexte la commande prédictive par approche MPC peut être d’un grand intérêt. De plus, ce type d’application intègre des contraintes supplémentaires liées à l’environnement sévère dans lequel évoluent ces systèmes, contraintes additionnelles de fiabilité qu’il faut bien sûr ajouter dans l’algorithme de commande prédictif. La conséquence immédiate sera de renforcer la complexité des algorithmes et donc rendre plus difficile l’implantation en temps réel. Cependant, les gains attendus en termes de performance et de fiabilité sont importants. Le sujet proposé demande ainsi dans une première partie, de synthétiser une loi de commande prédictive d’un actionneur synchrone aéronautique. Une mission type sera choisie et l’optimisation portera à la fois sur le niveau des performances du contrôle que la minimisation de la dépense énergétique. Par ailleurs, une étude de robustesse sera menée qui prendra en compte l’impact de l’environnement de l’actionneur. L’aspect robustesse sera ainsi intégré à l’étude de la commande. La seconde partie du travail portera sur le portage de l’algorithme sur cible FPGA. Une attention toute particulière sera apportée à la minimisation du temps de calcul sans détérioration des performances, le tout sous contrainte de place. Il faudra privilégier une architecture de type Système-sur-Puce qui allie la flexibilité d’un ou plusieurs cœurs processeurs et de modules matériels dédiés à l’accélération de certaines parties critiques du traitement. / Nowadays, Model Predictive Control (MPC) has emerged in many industrial fields. It allows the optimization of the controlled drive performances while respecting a number of constraints specific to the application. However, the use of MPC in the fields of motors and generators control remains problematic. Indeed, these highly dynamic applications require small sampling periods. However, these types of algorithms necessitate the resolution of complex optimization problems at each sampling period. These difficulties are reinforced in our case as the chosen field is the aeronautical embedded applications where the drive speed, as well as the frequency, is important. In addition, as the systems are embedded ones, it is important to minimize the overall energy losses of the inverter-drive system. In this context, the Model Predictive Control can be of great interest. Moreover, this type of applications integrates additional constraints related to the harsh environment in which the systems evolve, such as the reliability, which must be added in the predictive control algorithm. The immediate consequence of these constraints results in an increase of the complexity of the algorithms and therefore it becomes more difficult to implement in real time. However, the expected gains in performance and reliability are important. The proposed subject requires in the first part, to synthesize a predictive control law of an aeronautical synchronous drive. A typical mission will be selected and the optimization will be performed on both the performance level of the control and the minimization of the energy cost. Furthermore, a robustness study is to be conducted that takes into account the environmental impact of the motor drive. The second part will be on the implementation of the algorithm on FPGA target. Particular attention will be paid to minimizing the computational time without any degradation in the performances. Focus will be upon architectures of the type System-on-chip (SoC) that combines the flexibility of one or more processor cores and dedicated hardware modules for accelerating critical parts of the treatment.

Conception, réalisation et mise en Suvre d'une plateforme d'instrumentation thermique pour des applications microfluidiques. Le concept de laboratoire sur puce ou lab-on-chip est basé sur le fait que l'on peut remplacer plusieurs appareils d'analyse nécessitant de l'entretien et des opérateurs par un système portable et autonome qui contient toutes les fonctions nécessaires afin de réaliser les opérations de laboratoire. Ce concept peut aussi bien s'appliquer à des taches pour l'industrie chimique, biologique ou encore médicale. Dans notre cas il s'agit de contrôler la température dans une canalisation microfluidique, et s'il y a besoin, de pouvoir influer sur cette température grâce à des actionneurs thermiques. La thèse a donc consisté à réaliser une plateforme d'instrumentation thermique pour ces applications. Nous avons développé un procédé de fabrication de capteurs thermiques simple et robuste : l'élément sensible de base est une diode PN de type zener, réalisée dans un film de polysilicium, qui présente la particularité d'être un composant dual (fonctionnement en capteur ou actionneur thermique selon la polarisation). La caractérisation électrique a permis de mettre en avant des sensibilités thermiques de.-22 mV/°C à -220 mV/°C pour les éléments les plus performants. La capacité de ces dispositifs à mesurer la température dans un environnement microfluidique a été démontrée. La dernière phase a concerné le développement d'une carte électronique dédiée permettant une mesure multiplexée de la température pour l'ensemble des capteurs (16 capteurs par plateforme) et le transfert des données sur PC pour effectuer le post traitement.

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.

La lévitation est un moyen fascinant de se soustraire à l'action de la gravité. Le diamagnétisme est le seul phénomène physique permettant une lévitation stable, statique et passive à température ambiante. Toutefois, cet effet magnétique est généralement insignifiant aux échelles usuelles. Parmis les différents moyens d'augmenter l'amplitude de ce phénomène, la réduction d'échelle est une voie prometteuse. Ces travaux contribuent à l'exploration des possibilités et des potentialités de la lévitation dans le domaine des microsystèmes. La diminution en taille permet d'une part d'augmenter les forces diamagnétiques volumiques et d'autre part de diminuer les forces diamagnétiques absolues. Ces propriétés ont été mises en oeuvre à travers la conception et la fabrication de microcapteurs (accéléromètre, inclinomètre, capteur de force) et de microactionneurs (manipulation de microparticule par inclinaison ou au moyen d'un laser). Ces réalisations ouvrent des perspectives novatrices et des fonctionnalités nouvelles dans le micromonde.