Ce travail de thèse concerne l’étude des propriétés électrochimiques des fibres de nanotubes de carbone (NTC). D’une part, nous nous sommes intéressés à leurs caractéristiques en tant que nouveau capteur analytique. Pour cela, une procédure de fabrication de microélectrodes au comportement stable et reproductible a été mise en place. Puis leur comportement analytique intrinsèque fut caractérisé avant de procéder à des modifications de surface pour les rendre plus sélectives. D’autres part, nous nous sommes intéressés aux propriétés électromécaniques des fibres de NTC, soit leur comportement en tant qu’actionneur électrochimique capable de générer une déformation mécanique en réponse à une injection de charge électrique. Nous avons caractérisé leurs performances en terme de contrainte et déformation mécanique générée. Des voies d’optimisation ont été investies. Enfin, nous montrons l’influence que peut avoir l’alignement des NTC au sein de la fibre sur leur propriétés. Ces premières investigations électrochimiques concernant les fibres de NTC, ouvrent de nombreuses voies d’applications prometteuses vers des systèmes analytiques (capteurs, biocapteurs) mais aussi mécaniques (robots, outils chirurgicaux, muscle artificiel) performants et fiables. / This thesis deals with the study of the electrochemical properties of carbon nanotube (CNT) fibers. On the one hand, we have characterized this material as new analytical sensors. With respect to this, a fabrication procedure to obtain stable and reproducible microelectrodes has been elaborated. Their analytical performance has been characterized with and without surface modification in order to emphasize their selectivity. On the other hand, we have studied the electromechanical properties of CNT fibers in the context of electrochemical actuators that can convert electrical into mechanical . The performances has been characterized in term of generated strain and stress. Possible ways of optimization have been investigated. Finally, we demonstrate the influence of the CNT orientation on the fiber properties. This first study on electrochemical properties of CNT fibers opens various promising applications regarding reliable and efficient analytical tools (sensors, biosensors) and mechanical devices (robots, microchirurgical tools, artificial muscle).

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser.

Avec l’avènement des nouvelles générations d’avions civils et militaires, la démarche d’électrification des fonctions de commande de vol est aujourd’hui pleinement engagée, depuis les interfaces homme-machine jusqu’aux actionneurs de puissance. En vue de s’affranchir définitivement des inconvénients propres à l’utilisation de l’énergie hydraulique, l’utilisation d’actionneurs purement électromécaniques (EMA) constitue en toute logique une étape clef des évolutions technologiques à venir. Ce projet de recherche a pour objectif de développer l'une des briques technologiques majeures du système d’actionnement - le moteur électrique - pour pouvoir effectuer demain le saut technologique vers l'avion plus électrique, qui est l'électrification complète des systèmes d'actionnement des commandes de vol. Une première partie permet de se familiariser avec le domaine des actionneurs électromécaniques destinés aux applications aéronautiques et plus particulièrement aux commandes de vols. Après avoir rappelé le rôle et les évolutions qu’ont connues les commandes de vol durant la dernière décennie, les technologies hydrauliques et électriques usuelles sont présentées. L’environnement sévère associé au domaine aéronautique implique des contraintes de sûreté de fonctionnement qui sont alors définies plus précisément au niveau des systèmes électromécaniques. Une analyse des défauts électriques susceptibles de se produire au sein des actionneurs électromagnétiques est dans un dernier temps effectuée. Une seconde partie se focalise sur la définition de critères de dimensionnement des actionneurs électromagnétiques qui lui permettent de supporter les défauts électriques précédemment mis en avant. Profitant de l’émergence de matériaux magnétiques composites qui facilitent la définition de pièces magnétiques compressées à structure géométrique complexe, un concept d’actionneur à aimants permanents et stator modulaire est défini et baptisé Aximag. Une troisième partie se concentre sur la réalisation d’un démonstrateur qui réponde à un cahier des charges du type commande de vol. Une étude analytique est réalisée dans le but d’observer les axes de dimensionnement et les possibilités de la machine Aximag. Enfin dans une quatrième et dernière partie sont présentés et analysés les simulations numériques ainsi que les essais de caractérisation des démonstrateurs. Au travers du couple statique, du couple dynamique et aussi de paramètres électriques comme les inductances propres et mutuelles, les démonstrateurs sont étudiés. Une analyse critique de la technologie proposée ainsi que les perspectives d’évolution viennent alors conclure l’ensemble des travaux réalisés. / With the rise up of new civil and military aircraft generations, an electrification process concerning the flight control systems, from the human machine interface to the actuation power, has been engaged. In order to finally suppress faults linked to the hydraulic power use, the development of full electromechanical actuators (EMA) is a critical step concerning next technological evolutions. The purpose of this research project is the development of a major technological element of actuation systems, the electrical motor, in order to enable tomorrow, the technological gap leading to a more electrical aircraft, that is to say the complete electrification of flight control actuation systems. A first part presents generals concerning the electromechanical actuators dedicated to aircraft applications and especially to flying control systems. Once the aim and evolutions that flight control systems have known during the last decade has been reminded, the hydraulic and electric technologies are presented. The drastic environment combined to aircraft field leads to safety and security requirements that are more precisely defined around electromechanical systems. A last step analises electrical faults that can occur within electromagnetic actuators. A second part focuses on the definition of sizing criteria that will enable the actuator to support the previous electrical faults pointed out. With the mergence of magnetic composite materials that make easier the definition of sintered magnetic pieces with complex geometry, a permanent magnet actuator with modular stator has been defined and named Aximag. A third part deals with the realisation of demonstrators that answer specifications associated to a flight control actuation systems. The different parts of the fabrication process are presented. An analytical study is leaded in order to point out the axes for the design and the possibilities of the machine Aximag. Finally, in a fourth and last part numerical analysis and characterisation tests of demonstrators are presented and analysed. Through the static torque, the dynamic torque and electrical parameters like self inductance and mutual inductance, demonstrators are studied. A critical analysis of the proposed technology and the perspectives come to conclude this work.

Dans un contexte de croissance du trafic aérien et dans le but de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants dans l’atmosphère, l’avion de demain se doit d’être plus respectueux de l’environnement. Dans un objectif d’optimisation de ses performances aérodynamiques,d’importantes activités de recherche sont menées dans le monde pour étudier de nouveaux dispositifs de contrôle actif des écoulements en temps réel. Depuis une dizaine d’années, l’utilisation de la décharge à barrière diélectrique surfacique comme actionneur plasma pour le contrôle d’écoulements suscite un intérêt grandissant. Ce type d’actionneur permet de créer un plasma non-thermique capable de générer un écoulement basse vitesse, appelé vent ionique, qui interagit avec l’écoulement naturel en proche paroi pour l’amener dans un état souhaité. Les études expérimentales présentées dans cette thèse portent, d’une part, sur la caractérisation de l’actionneur plasma sous atmosphère contrôlée pour étudier le rôle de l’azote et de l’oxygène sur le comportement de la décharge et d’autre part, sur l’évaluation des potentialités de cet actionneur à contrôler le décollement massif naissant au bord d’attaque d’un profil d’aile placé à forte incidence. Les résultats mettent en évidence l’importance du rôle joué par O2 dans l’amorçage des filaments de plasma et dans la production de vent ionique. Le taux de production d’ozone de l’actionneur plasma a été quantifié en fonction de la puissance électrique. Les essais en soufflerie, réalisés dans le cadre du projet européen PLASMAERO, montrent l’effet de la fréquence de pulsation du signal d’alimentation haute tension sur la réponse de l’écoulement décollé et des ses instabilités naturelles. Il est ainsi possible, pour le profil placé à des incidences au-delà de l’incidence de décrochage naturel, d’augmenter la portance du profil en supprimant le décollement ou en favorisant la formation de tourbillons portants à l’extrados du profil. / To reduce power consumption and pollutant emissions in the atmosphere due to the increase of aerial traffic jam, tomorrow’s plane must be environnement-friendly. To enhance aerodynamic airfoil performance, worldwide studies have been carried out to study reel time active flow control actuators. For a decade, the interest in using a dielectric barrier discharge for flow control is increasing. Such a discharge is able to create a non thermal plasma which can induce a low velocity airflow, called ionic wind, which interacts with natural flow close to the wall to change its behavior. Experimental studies detailled in this thesis can be divided in two parts. On one hand, plasma actuator caracterization is performed at atmospherical pressure to study the influence of oxygen and nitrogen on the discharge behavior. On the other hand, abilities of the actuator to control a massive flow separation at the leading-edge of an airfoil in a deep post-stall regime are investigated. Results underlines that plasma filaments ignition and ionic wind generation is mainly governed by O2. Besides, the ozone procution rate of the dischage is measured as a function of electrical power. Wind tunnel tests, performed in the PLASMAERO project, underline that separated air flow and its instabilities can be drive by the burst frequency of the high voltage signal. For a deep post-stall regime, a lift enhancement can by obtained by reattaching the air flow or inducing lifting vortexes on the wing upper surface.

Dans cette thèse, le problème du contrôle d’attitude de satellites agiles à l’aide de grappes d’actionneurs gyroscopiques (AGs) est considéré et plus particulièrement son application au contrôle de micro/nanosatellites (10-100 kg). Des outils d’analyse topologique sont tout d'abord développés. La comparaison de différentes configurations de grappes justifie le choix d'une géométrie pyramidale à six actionneurs gyroscopiques. Des analyses plus approfondies de cette grappe, avec et sans cas de panne, permettent de déduire des contraintes que la loi de pilotage doit vérifier pour être adaptée à ce système. Pour y répondre, après analyse de la littérature, une nouvelle structure de loi de pilotage ainsi qu’une formulation différente des équations cinématiques sont développées. Cette structure est basée sur l’algorithme du filtre de Kalman étendu. Elle a pour avantages de répondre aux exigences en termes de calcul temps réel au bord des satellites, de flexibilité sur la gestion des contraintes et de facilité d’adaptation en cas de pannes. En outre, une procédure de génération de boucle de commande, englobant la loi de pilotage et un contrôleur robuste du système, est proposée. La généralisation de cette boucle de commande est illustrée sur des bras manipulateurs à base fixe et spatiaux.En parallèle, l’étude du passage des singularités internes intraversables mène à une nouvelle stratégie d’évitement de ces singularités. Des simulations sur des modèles de satellites représentatifs illustrent les résultats. La grappe d’actionneurs et la boucle de commande développées seront testées dans le cadre d’une expérimentation en microgravité. / In this thesis, the attitude control problem for agile satellites with control moment gyro (CMG) clusters is studied. In particular, the problem applies to micro/nanosatellites (10-100kg). First, numerical tools are developed to analyse the compatibility of various cluster configurations with the nanosatellite constraints. The pyramidal six-CMG cluster is then selected. This cluster topology is analysed in depth, with and without actuator failures. Constraints on the development of a steering law adapted to our system are deduced. Among them, the singularity avoidance issue is emphasised. To meet the requirements, an analysis of the literature is carried out. Then, a new steering law structure and a different formulation of the kinematic equations are developed. This structure is based on the extended Kalman filter algorithm. It meets the requirements because it can be calculated in real-time onboard satellites, constraints imposed on the system are handled with flexibility and it is easily adaptable in case of actuator failures. In addition, a procedure to generate the control loop is proposed, containing a robust controller. The generalisation of this control loop is shown on space and fixed-base manipulator arms. Furthermore, the study of the internal elliptic singularities in CMG clusters leads to a new singularity avoidance strategy. Software simulations on highly representative simulators show the results of the steering law in various actuator failure cases. The CMG cluster and the control loop will be tested in a parabolic flight campaign, and the development of this experiment is detailed in this thesis.

La maîtrise de la température des composants à forte dissipation, notamment dans les systèmes électroniques nomades, constitue un verrou à leurs développements. Que ce soit pour l'électronique de puissance ou les calculateurs, les densités de puissance requièrent l'utilisation de systèmes de refroidissement de plus en plus performants, en particulier dans le cas des microprocesseurs qui associent miniaturisation et augmentation des fréquences d'horloge. Les conséquences sont multiples, limitation des performances, augmentation de la consommation et du taux de défaillance. C'est dans ce contexte que le projet CANOPEE, réunissant un consortium de partenaire industriel et académique, propose de développer et démontrer les avantages d'une solution technologique active récemment brevetée et appelée OnduloTrans. Elle consiste en un dispositif échangeur-pompe, permettant à la fois d'obtenir un excellent transfert thermique et d'assurer le pompage du fluide caloporteur. OnduloTrans est une solution active de refroidissement basée sur la déformation dynamique d'une paroi d'un canal. Le dispositif est fixé directement à l'aplomb du composant à refroidir. Le canal est déformé suivant une onde progressive pour créer un pompage péristaltique. L'intensification des transferts est obtenue lorsque les variations dynamiques des dimensions du canal viennent perturber la couche limite à l'interface conduction/convection. Le travail de la thèse consiste à concevoir et développer une solution d'actionnement intégrée permettant de mouvoir la paroi souple. Il s'accompagnera d'essais concrets témoignant des performances thermiques de cette solution. L'actionnement mis en oeuvre doit respecter les contraintes hydrauliques et thermiques de l'application embarquée visée, tout particulièrement le faible encombrement et une consommation électrique minimale. La difficulté réside dans les critères antagonistes que sont la production d'une onde progressive de grande amplitude dans un milieu aux dimensions centimétriques. Le manuscrit s'articule en trois parties. Dans un premier temps les solutions d'actionnement envisageables seront explorées. Pour ce faire, la solution OnduloTrans est d'abord décrite. Un état de l'art des solutions de conversion électromécanique, puis des micropompes péristaltiques est entrepris. Les phénomènes hydrauliques propres au micropompage péristaltique sont abordés pour cerner la problématique du développement de l'actionnement. Ensuite les deux chapitres suivants détaillent l'étude de deux solutions piézoélectriques distinctes. Une première solution piézoélectrique à onde discrète est développée dans le second chapitre. Elle consiste en une répartition d'actionneurs flextensionnels le long de la paroi souple. Une méthodologie de prédimensionnement basée sur des modèles mécaniques simples est présentée. L'onde progressive créée étant très particulière, une méthode analytique de calcul du débit, validée par simulations numériques, permet d'étudier l'influence de la commande des actionneurs. Un prototype est finalement réalisé avec l'aide des partenaires. De nombreux essais sont ensuite réalisés afin de valider les différentes hypothèses et déterminer les premières performances hydrauliques et thermiques du dispositif. Le troisième chapitre aborde une solution à onde progressive continue et actionnement intégré à la membrane. Le but est ici de prouver le concept de pompage péristaltique par flexion contrôlée d'une plaque intégrant une couche piézoélectrique. Un modèle de dimensionnement 1D constitué de tronçons piézoélectriques répartis à la surface est tout d'abord présenté. La répartition des segments piézoélectriques fait ensuite l'objet d'une étude paramétrique afin de définir judicieusement leur disposition, ceci en vue de maximiser le débit théorique. Cette étude paramétrique est finalement couplée à une optimisation des commandes électriques, évaluée par les résultats d'un prototype. / Controlling the temperature of components with high thermal dissipation is a constraining factor in their developments, especially in embedded electronic systems. Power density, whether in computing or power electronics, requires the use of ever more efficient cooling systems. This is especially true for microprocessors in which increasingly miniaturization and clock frequency are combined. Consequently, without the adequate cooling, the performance is severely limited and its power consumption increased as well as the failure rate. In this challenging context a consortium of industrial and academic partners created the CANOPEE project. CANOPEE focus is to develop and prove the advantages of a recently patented solution called OnduloTrans. The solution is an exchanger-pump device, ensuring at the same time an excellent heat transfer and the pumping of the coolant. OnduloTrans is an active cooling solution based on the dynamic deformation of a thin wall. This deformation is in the manner of a pseudo travelling wave to satisfy a peristaltic pumping. The device is fixed directly above the component to be cooled, thus the liquid flows on its surface. The enhancement in heat transfer is obtained when the dynamic variations of the channel thickness disturb the boundary layer near the conduction / convection interface. The purpose of this thesis was to study the capability of such active pumping system and to design an integrated actuation solution to move the flexible wall. It will result to experimental tests showing the thermal performance of this solution. The implemented actuation system must respect the constraints for on-board applications, especially compactness and minimal power consumption. The challenge stands in the trade-off between the production of a large amplitude travelling wave and the limited volume available. The manuscript is divided into three parts. Initially, the different actuation solutions will be explored. To do this, the OnduloTrans solution is first described. Then, a state of the art of electromechanical conversion solutions and peristaltic micropumps is undertaken. After that, the specific hydraulic phenomena involved in peristaltic micropumps are discussed to determine the difficulties in the development of such actuation system. Then the two next chapters detail the study of two distinct piezoelectric solutions. A discrete wave piezoelectric solution is presented in the second chapter. It consists of a distribution of flextensional actuators along the flexible wall. A pre-dimensioning methodology based on simple mechanical models is presented. The created wave is very particular, so an analytical method is developed to evaluate the flow rate and making possible to study the impact of the actuator control strategy. This algorithmic method is validated by comparison with finite element numerical simulations. A prototype is finally made with the support of partners. Several tests are then carried out in order to validate the hypotheses and evaluate the preliminary hydraulic and thermal performances of the prototype. The third chapter addresses a continuous travelling wave solution and an actuation system integrated into the membrane. The purpose here is to prove the concept of peristaltic pumping by controlled bending of a plate incorporating a piezoelectric layer. A 1D dimensioning model consisting of piezoelectric segments distributed on the surface is first presented. The distribution of the piezoelectric segments is then the subject of a parametric study to judiciously define their arrangement, in order to maximize the theoretical flow. This parametric study is finally coupled with an optimization of electrical controls, and compared to the experimental results of a prototype.

Cette étude porte sur la réalisation de dispositifs utilisant des microstructures ou des actionneurs à base de couches épaisses partiellement désolidarisées dont le mouvement peut être découplé de celui du substrat sur lequel ils sont fabriqués. Un nouveau procédé basé sur l'association de la technique de sérigraphie standard avec la méthode de la couche sacrificielle a été mis au point spécialement au laboratoire pour la fabrication de couches libérées. Afin de répondre aux exigences de tenue mécanique lors du dépôt puis de la cuisson de couches suspendues d'or, la composition époxy/carbonate de strontium s'est révélée être le meilleur choix pour la couche sacrificielle. Cette dernière est ensuite éliminée en solution acide à la fin du procédé. Pour la première fois, des actionneurs thermiques en cuivre et en argent ont été fabriqués à l'aide du procédé de la couche sacrificielle. Des analyses par microscopie électronique à balayage et par microsonde de Castaing des bras de l'actionneur en cuivre ont pu montrer l'absence d'interaction chimique avec la couche sacrificielle lors de la cuisson. Le déplacement latéral et la température au sein des actionneurs en cuivre ont été mesurés respectivement par microscopie optique et par thermographie infrarouge en fonction de la tension appliquée. La bonne corrélation entre ces résultats et ceux de simulations analytiques et par éléments finis démontre la faisabilité d'actionneurs à l'aide de ce nouveau procédé. Ce dernier a également permis d'élaborer des résistances chauffantes suspendues, des microcanaux et des composants piézoélectriques libérés du substrat. Ces premiers résultats ont démontré l'efficacité du procédé de fabrication collectif, simple et à bas coût, pour la réalisation de dispositifs présentant des dimensions géométriques 1µm < épaisseur < 500µm, surface > 100µm×100µm. Cette méthode originale ouvre donc de nouvelles voies de recherches dans le domaine des MEMS, complémentaires aux technologies silicium, co-cuits basse température, jet d'encre, etc.

Ce travail, réalisé au sein du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, en partenariat avec la société PRECILEC-LPMI (Auxerre), porte sur l'étude et la conception de Moteurs à Flux Transverse. La structure originale à aimants permanents au stator, précédemment étudiée chez PRECILEC, a fait l'objet d'une étude électromagnétique à l'aide du logiciel par éléments finis Flux3D. Différentes évolutions du concept ont été proposées et ont débouché sur la réalisation d'un premier démonstrateur. Le retour d'expérience important lié à cette réalisation nous a conduit à une analyse critique du fonctionnement des Moteurs à Flux Transverse, au regard de l'utilisation active des aimants. A partir de cette analyse, de nouvelles structures à bobines multiples ont été modélisées et comparées. Des gains sensibles de masse de parties actives ont été notés. Le dernier chapitre développe une dernière voie de recherche, qui consiste à transformer le bobinage global en un bobinage par dent. La simulation de ces dernières structures sont particulièrement encourageantes et nécessitent une investigation poussée.

Ce travail contribue à développer une nouvelle approche algébrique et déterministe de diagnostic qui ne nécessite pas la connaissance a priori d'un modèle explicite du système. Il 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 et 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 estimer les paramètres du modèle. Nous considérons que les défauts actionneur et capteur sont modélisés par des signaux structurés. La méthode exploite le fait qu'un signal structuré satisfait une équation différentielle. La prise de décision est entièrement fondée sur l'évolution temporelle des estimations de certaines caractéristiques constantes des défauts. L'efficacité de l'approche présentée est illustrée au travers d'exemples académiques.

Au cours de la dernière décennie, des travaux de recherche importants ont été effectués dans le domaine de la microrobotique. Ces travaux concernent la conception, la fabrication et la commande de microrobots destinés à exécuter diverses tâches dans le micromonde (le monde des objets de taille micrométrique). Il s'agit notamment de tâches de manipulation d'objets artificiels ou biologiques à des fins de positionnement, de caractérisation ou de tri mais aussi pour le micro-assemblage industriel. Les recherches effectuées ont montré l'efficacité des matériaux actifs pour l'actionnement des microrobots. Toutefois, en dépit de leur haute résolution intrinsèque, ces matériaux présentent des inconvénients qui rendent la commande des microrobots difficile. Le comportement de ces matériaux et plus généralement des actionneurs qui les utilisent est souvent complexe, non linéaire et parfois non stationnaire. L'implantation de lois de commande nécessite donc l'emploi de capteurs et d'instruments coûteux et encombrants pour le traitement des signaux et l'exécution en temps réel. Dans le but de lever les difficultés citées précédemment et d'ouvrir des perspectives nouvelles pour la conception et la commande de microrobots, nous proposons une nouvelle approche pour la microrobotique appellée « microrobotique numérique » qui utilise un concept de modularité et une commande en boucle ouverte. Ces nouveaux microrobots sont construits à partir de « modules élémentaires » possédant deux états mécaniques stables et répétables. La position de l'extrémité du microrobot dépend de l'état des différents modules bistables qui le composent. Cette approche introduit un nouveau paradigme en microrobotique permettant la conception de cinématiques diverses adaptées au micromonde. Les principaux avantages de cette nouvelle microrobotique sont la modularité, l'absence de capteurs, la flexibilité, la possibilité de réaliser des robots microfabriqués et l'absence d'asservissement. Cette thèse propose la conception, la microfabrication et la caractérisation d'un module bistable.