Ce travail de thèse porte sur le développement et la modélisation d'actionneurs piézo-électriques à densité d'efforts élevés et pouvant produire des mouvements de rotation et de translation. Une étude comparative des différentes structures d'actionneurs a mis en évidence le potentiel électromécanique intéressant de l'actionneur cylindrique à rotation de mode. Une étude approfondie de ce dernier a été entreprise et a permis de le modéliser analytiquement par des schémas de Mason ou par des méthodes variationnelles. Cette dernière approche a permis également de retrouver les paramètres électromécaniques du moteur à partir de simulations par éléments finis (ANSYS). Des prototypes d'actionneurs diphasés et monophasés ont été réalisés et ont permis de valider les modèles développés. Leurs alimentations résonantes associées ont également été étudiées. L'objectif suivant a été d'intégrer au sein de la structure du moteur à rotation de mode un dispositif permettant d'assurer le degré de liberté supplémentaire en translation. Le choix s'est porté ici sur un fonctionnement original de type inchworm permettant de découpler cette fonction du mouvement rotatif résonant. Un prototype a permis de valider le principe de fonctionnement en translation de l'actionneur. Une alimentation MLI à commutation douce a été réalisée afin de pouvoir générer les formes d'ondes exigeant une large plage de fréquences (du continu à plusieurs dizaines de kHz).

Cette thèse a pour objectif de mettre en oeuvre un système de contrôle actif vibratoire du rayonnement acoustique (ASAC) sur les suspensions automobile dans le but de réduire le bruit de roulement. Premièrement, un banc de test constitué d'un quart de suspension automobile, ainsi qu'un véhicule Buick Century sont instrumentés de différents capteurs et actionneurs dans le but de caractériser ces systèmes à travers des fonctions de transfert. Ces fonctions de transfert primaires (entre l'excitation de route et les différents capteurs) et secondaires (entre différentes positions possibles des actionneurs de contrôle et les différents capteurs) constituent le modèle expérimental relatif à chacun des deux montages élaborés dans notre laboratoire. Dans le but de reproduire une excitation réaliste de roulement, un véhicule Chevrolet Epica LS est instrumenté puis des tests routiers sont réalisés afin de mesurer le bruit de roulement à l'intérieur de la cabine ainsi que les accélérations injectées sur le moyeu de la roue par les irrégularités de la route. À l'aide d'un modèle inverse, les excitations en force requises pour reproduire le bruit de roulement sur le du banc de test et sur le véhicule Buick Century sont déterminées. Deuxièmement, une étude des chemins de transmission vibro-acoustiques du bruit de roulement est menée au moyen des taux de transmissibilité. Ces taux de transmissibilité sont caractérisés entre 20 et 500 Hz dans le but de déterminer les chemins dominants de propagation des vibrations injectées par les irrégularités de la route à travers les points d'ancrage entre la suspension et le châssis puis leur rayonnement à l'intérieur de la cabine. Troisièmement, un algorithme d'optimisation de la configuration (position et orientation) des actionneurs de contrôle est élaboré. Cet algorithme utilise le modèle expérimental identifié sur le banc de test et sur le véhicule Buick Century . L'algorithme conçu combine le contrôle optimal et l'algorithme génétique afin d'optimiser la position et l'orientation, de chaque actionneur de contrôle en minimisant une fonction coût. Différentes configurations de contrôle et différents objectifs de minimisation (vibrations des points d'ancrage, pression acoustique virtuelle et pression acoustique réelle à l'intérieur de la cabine) sont étudiés puis réalisés expérimentalement sur les montages afin d'évaluer la performance du contrôle actif par anticipation en fonction de leur capacité à réduire le bruit de roulement à l'intérieur de la cabine. L'implantation d'un contrôleur par anticipation FX-LMS sur la suspension avant côté conducteur sur le Buick Century en utilisant des actionneurs inertiels comme actionneurs de contrôle a mené à des atténuations de niveau de pression acoustique de plus de 10 dB sur certaines fréquences. Finalement, des conditions de roulement réalistes à 50 km/h sont simulées sur le véhicule complet Buick Century . La configuration des actionneurs de contrôle est optimisée sur chacune des quatre suspensions du véhicule. Les résultats de contrôle optimal montrent que la pressions acoustique peut être réduite globalement de plus de 17 dB(A) entre 20 et 500 Hz.Cette réduction de bruit de roulement en utilisant l'approche de contrôle vibratoire du rayonnement acoustique est globale à l'intérieur de la cabine et donc perçue par tous les utilisateurs (conducteur et passagers).

Les actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques constituent une alternative prometteuse par rapport aux actionneurs conventionnels, en particulier lorsqu’une réponse comparable à celle d’un muscle naturel est recherché. Parmi eux, les actionneurs à base de polymères conducteurs constituent une voie prometteuse pour des applications biomédicale où la biocompatibilité, la compacité et un positionnement précis sont requis. Néanmoins, l’essor de dispositifs fonctionnels est fortement ralenti en raison de la faible efficacité d’actionnement et de la rapide dégradation des performances de ce type d’actionneurs. L’absence de rétroaction sur la force ou sur la position est également un autre aspect limitant le développement de cette approche. L’objectif de cette thèse est de proposer une technique de fabrication à grande échelle pour l’élaboration d’actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques et permettant également l’intégration de capteurs pour un contrôle rétroactif. L’impression par jet d’encre est une technologie clé pour le dépôt de polymères et une des plus alternatives les plus prometteuses pour la production d’actionneurs à base de polymères conducteurs. Cependant, la fabrication d’actionneurs par technique jet d’encre n’est pas encore totalement maîtrisée à cause des propriétés rhéologiques des solutions de polymères conducteurs qui rendent difficile le contrôle de l’éjection de gouttes mais également en raison de la nature complexe des interactions entre la solution et l’échantillon qui peut conduire à une faible adhésion et un mauvais contrôle de l’infiltration de l’encre. Pour optimiser cette méthode de fabrication, des membranes hybrides contenant des ions ont été développées. Le greffage d’un monomère hydrophile par plasma argon avec un dépôt contrôlé en profondeur a été utilisé pour obtenir des membranes en polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec des surfaces hydrophiles tout en conservant une zone centrale hydrophobe. Ces membranes hybrides ont permis d’obtenir, par dépôt de gouttes, des actionneurs de morphologies très variées à base de polymères conducteurs. En outre, la durée de vie d’actionneurs obtenus avec une solution conductrice de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) a été sensiblement augmentée avec des déformations de plus de 0.6% sans qu’aucun signe de délamination ne soit perceptible. Enfin, la nature complexe des mécanismes physico-chimiques à l’origine des interactions entre le film polymère et la membrane poreuse a été mieux appréhendée durant ce travail. Les conditions nécessaires pour assurer une forte adhésion et les effets conduisant à un mauvais contrôle de l’infiltration ont été partiellement identifiés. Ces résultats ont permis de définir les paramètres clés concernant la préparation de la membrane et la composition de la solution polymère. En associant l’ensemble de ces résultats avec les exigences liées à l’utilisation de l’impression de solutions par jet d’encre, nous avons réalisé, en utilisant cette technique de dépôt, les premiers actionneurs ioniques à base de PEDOT:PSS. / Onic electroactive polymer based artificial muscles are promising alternative to traditional actuators, especially where compliant muscle-like response is desirable. Among them, conducting polymer actuators (CPAs) are most promising for biomedical applications, where biocompatibility, compactness and accurate positioning is essential. Nevertheless, development of applicable devices is hold down by their low efficiency and fast performance deterioration. The absence of a tactile, force or position feed-back is another feature limiting the development of functional devices. The goal of this thesis is to develop a fabrication technique for conducting polymer based actuators that could be up-scalable and enable facile integration of sensory feedback. Inkjet printing is key technology in the field of defined polymer deposition as well as in fabrication of strain sensors. It is also one of the most promising alternatives to prevalent fabrication of conducting polymer actuators. Nevertheless, inkjet printed actuators were not yet realized due to rheological properties of conducting polymer solutions that challenge jetting and the complex solution - membrane interactions, that lead to poor adhesion or uncontrolled infiltration. In order to enable this fabrication method, hybrid ion-storing membranes were developed. Argon plasma induced grafting-to of hydrophilic macromonomer with limited-indepth deposition was used to obtain polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with hydrophilic upper surfaces and hydrophobic centre. Functionalized PVDF membranes were shown to withhold good adhesion to the conducting polymer films and preserve electrically insulating layer in between them. Hybrid membranes were demonstrated to be advantageous in fabrication of CPAs by drop casting and enable production of actuators with various morphologies. Furthermore, fabricated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) based actuators demonstrated long lifetime with no signs of delamination as well as large strain of more than 0.6%. In addition, the complex nature of the physico-chemical mechanisms of the interactions between the polymer film and the porous membrane was better understood during this work. The conditions necessary in order to ensure strong adhesion as well as circumstances leading to uncontrolled infiltration were partially identified. These were used to set up limits to membrane preparation and polymer solution composition. Combining obtained knowledge with known requirements for inkjet printable solutions lead to the realization of the first inkjet printed PEDOT:PSS based ionic actuators.

Le but de ces travaux de thèse sera l’élaboration de microactionneurs à base de polymère conducteur électronique PCE .Dans un premier temps, l’objectif sera la synthèse des matrices hôtes à base de réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) POE/PTHF et POE/NBR en visant une diminution de l’épaisseur finale (avec PEDOT) de 5 à 10 µm. Ensuite nous procéderons à l’Elaboration d’actionneurs se déformant en flexion et en torsion afin de mimer les mouvements des ailes d’insectes. Deux voix de synthèse des PCE seront utilisées, la voie chimique qui consiste en la synthèse de RIPs ou encore par voie électrochimique avec la formation d’un système tricouche qui permettra un bien meilleur contrôle de leurs propriétés. / The purpose of thesis is the Design of electronic conducting polymer based microactuators by microsystem process. First, the objective will be the synthesis of Interpenetrating Polymers Networks (IPNs) POE/PTHF and POE/NBR, aiming a decrease of the final thickness (with PEDOT) until 5 – 10 µm. Then, we proceed with the development of actuators deforming in bending and twisting to the movements of insects wings. Two different synthesis methods will be used, chemical process based on synthesis of Interpenetrating Polymers Networks, or electrochemical process enabling a much better control of their properties.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne la synthèse de méthodes d'accommodation fondée sur l'information du second ordre (ISO) dans le contexte de la tolérance aux défauts présents au sein des systèmes linéaires. La contribution majeure de ces travaux de recherche concerne l'exploitation de cette information dans l'analyse de la reconfigurabilité (aptitude du système à s'affranchir des défauts) et dans le développement des stratégies d'accommodation de défauts permettant de retrouver les performances nominales en fonction du comportement dynamique et garantissant une information du second ordre imposée. <br />Dans un premier temps, on propose des approches pour mesurer l'information du second ordre à partir des grandeurs entrée/sortie des systèmes linéaires. Dans une première approche, la réponse (données de sortie) à la condition initiale est considérée. Une alternative intéressante à cette approche, en considérant le problème comme un d'identification et basée sur la réponse impulsionnelle (paramètres de Markov), est proposée afin d'évaluer l'information du second ordre indirectement mais en-ligne en utilisant des grandeurs entrée/sortie. Un indice résultant de cette évaluation est proposé afin de contribuer à l'étude de la reconfigurabilité en ligne d'un système défaillant. Cette estimation en temps réel de l'information du second ordre est étendue aux systèmes commandés en réseau afin d'évaluer l'impact de retards sur la reconfigurabilité du système.<br />Dans un deuxième temps, des stratégies permettant l'accommodation de défauts du type perte d'efficacité des actionneurs sont proposées, approches considérées dans le contexte de la synthèse de l'information du second ordre par retour d'état. On aborde le cas des systèmes à une entrée, approche proposée et basée sur la méthode de la pseudo inverse modifiée. Ensuite on considère le cas multivariable, approche basée sur la méthode de la pseudo inverse. Des exemples se présentent pour illustrer l'application des approches proposées.<br />Les éléments développés au cours du mémoire sont illustrés à travers une application couramment étudiée dans la commande de procédés : le système hydraulique des trois cuves. Les simulations effectuées mettent en relief les résultats obtenus et l'apport des méthodes développées.

Le développement des technologies microsystèmes a permis l'apparition de composants capables de manipuler et d'effectuer des mesures sur des microobjets, en utilisant des techniques variées. Ces travaux présentent une contribution aux outils de manipulation de microobjets, en s'appuyant sur des actionneurs en résine SU8 et des microcanaux gravés dans le silicium.<br />Le premier système proposé est une microsonde en silicium polycristallin et en résine SU8 dotée d'une pointe, dont la fonction est de descendre dans un microcanal et effectuer des mesures électriques sur des microobjets. Après une phase de conception, un compterendu de la fabrication et des tests sont proposés.<br />Cette première étape permet de poursuivre sur un système d'extraction de microobjets d'un milieu liquide vers un milieu sec. Celuici comporte un système de convoyage diélectrophorétique et un actionneur en résine SU8 et or. La conception, la fabrication, et les tests ont permis finalement de démontrer le potentiel en terme d'automatisation d'un tel microsystème.

L'actionneur « plasma » consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. L'apport de quantité de mouvement induit par ces plasmas froids de surface, dû à la migration des ions soumis à la force de Coulomb et appelé "vent ionique", est utilisé ici pour modifier l'état collé ou décollé d'un écoulement. <br />Le travail réalisé est divisé en deux parties. <br />L'objectif de la première partie est de développer l'actionneur afin d'obtenir une décharge stable et homogène à travers deux exemples : la décharge couronne et la décharge à barrière diélectrique (DBD). La décharge couronne est obtenue en appliquant une haute tension, AC ou DC, entre deux fils placés à l'intérieur de rainures dans l'isolant. Le champ électrique moyen est de 8 kV/cm, pour un courant moyen de 1,5 mA/m pour une puissance électrique moyenne de 75 W/cm2. La DBD est obtenue en appliquant une haute tension alternative (plusieurs kV avec une fréquence allant de 100 à quelque kHz) entre deux électrodes placées de part et d'autre de l'isolant. Les mesures de vent ionique ont montré pour ces deux décharges une vitesse de 3 m/s environ à 1 mm au-dessus de la paroi.<br />Dans une seconde partie nous avons testé les performances de l'actionneur pour le contrôle d'écoulements. Des essais préliminaires à faible vitesse (< 2 m/s) ont montré la possibilité de recoller un écoulement et de contrôler les structures crées en aval à l'aide d'une décharge pulsée. A plus haute vitesse (´ 30 m/s), nous avons contrôlé l'état collé ou décollé d'un écoulement dans le cas d'une couche de mélange plane et d'un jet à section rectangulaire. Nous avons alors observés des modifications sur les propriétés du développement aval de l'écoulement, comme par exemple l'épaisseur de couche de mélange ou de vectorisation du jet. Par ailleurs, ces derniers travaux semblent indiquer que l'actionneur est plus efficace pour le décollement que le recollement et lorsque l'actionneur utilisé est la DBD.

Pour rendre compte physiquement de la manipulation d'un objet virtuel dans l'espace ou sur un plan, la plupart des dispositifs haptiques actuels font appel à des actionneurs à un seul degré de liberté, dont les actions sont couplées par diverses liaisons mécaniques (type pantographe). La technologie piézoélectrique est une solution avantageuse dans ce domaine d'utilisation, pour son important effort massique, le travail à faible vitesse, et surtout la capacité à motoriser plusieurs degrés de liberté à partir d'un seul actionneur. Pour cette raison, un translateur piézoélectrique plan à onde stationnaire est étudié. Un modèle simplifié est élaboré pour offrir une interprétation globale des phénomènes de contact. Il est établi selon le formalisme du graphe informationnel causal qui met en évidence deux asservissements applicables au domaine haptique : un retour d'effort actif par le contrôle en force, et une solution alternative comparable à un embrayage, qualifié de retour d'effort dissipatif.

Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un état de l'art dans le domaine des micro et nanosystèmes électromécaniques en mettant en exergue les problématiques afférentes à leur réduction en taille en termes de technologies de fabrication, d'électronique associée, de sources de bruit extrinsèques et intrinsèques, de rapport signal sur bruit... Plus spécifiquement, nous évaluons la pertinence d'une miniaturisation des dispositifs électromécaniques pour des applications dans le domaine de la chimie ou de la biologie en soulignant le rôle prépondérant des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume: pertes énergétiques, équilibres thermodynamiques, cinétiques de réaction& Le cas particulier des biopuces et des biocapteurs est ensuite abordé : dynamique de mesure, domaine de linéarité, sensibilité, résolution ultime. Cet état de l'art nous permet de positionner, sur le plan national et international, nos activités de recherche, dont le bilan est dressé dans la deuxième partie. Il a également pour objectif de justifier le choix de nos orientations thématiques à plus long terme vers le domaine des nanobiotechnologies, ces orientations faisant l'objet d'une dernière partie.

Le sujet de cette thèse s'inscrit dans le cadre des systèmes tolérants aux défauts sous contraintes avec prise en considération de la dégradation des performances. L'objectif principal de ce travail consiste à considérer la gestion des références comme une partie intégrante du système de commande tolérant aux défauts. Dans la littérature, la plupart des méthodes actives de tolérance aux défauts supposent que le recouvrement du système nominal est toujours possible et que les performances nominales sont toujours atteignables. Cette condition est peu réaliste dans la pratique puisque plusieurs éléments empêchent le système reconfiguré de revenir à son mode de fonctionnement nominal. Dans le domaine industriel, l'ensemble des contraintes du système est un handicap majeur qui limite le fonctionnement nominal d'un système à des plages fonctionnelles bien définies. Ces plages fonctionnelles sont énormément réduites après l'apparition de certains défauts dits sévères et qui affectent généralement les actionneurs. Par conséquent, cette hypothèse de recouvrement des performances nominales dans le cas des systèmes sous contraintes limite l'ensemble des défauts traités par ces méthodes classiques à quelques défauts dits mineurs. Afin de remédier a ce problème, une architecture de reconfiguration structurée en deux niveaux est proposée. Le premier concerne les algorithmes classiques de reconfiguration en agissant sur un contrôleur reconfigurable, et le deuxième agit sur le module de gestion des références conçu à base d'un gouverneur de référence avec offset. La connaissance exacte du modèle en post-défaut nécessite un système de détection et diagnostic de défaut qui permet d'estimer l'amplitude de défaut, ce qui conduit à la synthèse d'un observateur adaptatif d'estimation de défaut à base de LMI. Afin de synchroniser le déroulement du processus FTC, deux indices ont été conçus. Le premier indice porte sur le mécanisme de décision permettant de sélectionner le/les niveau(x) de reconfiguration nécessaire(s) à l'accommodation du défaut. Le deuxième indice permet d'évaluer le niveau de dégradation du système " post-défaut ". Une dégradation de performance est toujours admise tant que les consignes de sécurité sont respectées.