Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation d'un nouveau concept d'interface tactile compacte, portable, légère, à faible coût et à haute résolution. Cette interface, dédiée aux personnes aveugles et malvoyantes, est à la base d'une nouvelle approche d'aide à la mobilité basée sur la substitution/suppléance visuo-tactile.<br /><br />En s'appuyant sur la psychophysiologie du sens du toucher associée à une technologie d'actionnement de type Alliages à Mémoire de Forme (AMF), un dispositif mécatronique a été conçu et réalisé pour générer, via le toucher, des sensations de contact à l'extrémité des doigts. Le prototype est constitué d'une matrice de 64 micro-actionneurs en AMF de 1,5 mm de diamètre offrant des courses maximales de 1,4 mm chacun. L'espacement entre les actionneurs est de 2,6 mm. Les efforts développés par chaque actionneur sont de l'ordre de 300 mN. Enfin, la bande passante maximale sans dégradation des performances est de 1,5 Hz. Le dispositif réalisé est compact et ne pèse que 200 g. Ses faibles dimensions (un cube de 8 cm de côté) le rendent facilement portable par l'utilisateur. L'interface est en mesure d'afficher un grand nombre d'informations binaires sur sa matrice 8 x 8. Par ailleurs, ses conceptions mécanique et électronique de commande peuvent être facilement redimensionnées pour un nombre supérieur d'actionneurs tout en conservant un faible coût. <br /><br />Des études psychophysiques conduites sur des sujets voyants montrent la pertinence de l'information transmise via l'interface et démontrent l'intérêt du dispositif réalisé pour l'assistance aux personnes aveugles et malvoyantes.

Après une introduction à l'analyse et au contrôle des systèmes singuliers linéaires, on étudie le placement optimal de capteurs et d'actionneurs, le diagnostic robuste et le contrôle de systèmes singuliers. Le placement optimal de capteurs et d'actionneurs pour les systèmes singuliers s'appuie sur une approche énergétique. Les capteurs et/ou actionneurs sont sélectionnés pour obtenir les plus grands transferts d'énergie entre le système et son environnement. Pour cela on cherche à maximiser les grammiens généralisés. Différentes méthodes de diagnostic robuste sont proposées. Une première approche dédiée aux systèmes maillés autorise une génération de résidus décentralisée afin de détecter et de localiser les défauts de mesures. Une deuxième méthode consiste à étendre le filtrage Hinfini à l'estimation des défaillances. Troisièmement, la génération de résidus fondée sur la factorisation copremière -dont l'intérêt majeur est de pouvoir synthétiser des générateurs de résidus au moyen de filtres propres- est généralisée aux systèmes singuliers. Enfin, la synthèse, et l'utilisation pour le diagnostic robuste, des observateurs de type proportionnel-intégral sont étudiées. Deux stratégies de contrôle de systèmes singuliers sont proposées. Le contrôle multicritère permet de déterminer des correcteurs statiques ou dynamiques assurant le placement de pôles, ainsi que des contraintes de normes H2 et Hinfini sur le système en boucle fermée. Le contrôle tolérant aux fautes intègre un module de diagnostic dans le correcteur afin de localiser les fautes, et de modifier la loi de commande pour minimiser la déviation des sorties dues aux fautes et aux perturbations. Les correcteurs sont des systèmes propres, déterminés par optimisation convexe sous contraintes LMI.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Automatique et Informatique industrielle : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3895. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 133-143.

Cette thèse présente des contributions aux problèmes d'analyse de stabilité et de synthèse de contrôleurs par retour d'état pour des systèmes dynamiques qui ont des éléments non-linéaires, à partir de conditions sous la forme d'inégalités matricielles linéaires et de fonctions de Lyapunov. Pour les systèmes à commutations soumis à saturation sur les actionneurs, sont fournies des conditions convexes pour le calcul des gains commutés et robustes. La saturation est modélisée comme une non-linéarité de secteur et une estimation du domaine de la stabilité est déterminée. Pour les systèmes linéaires avec des incertitudes polytopiques et des non-linéarités de secteurs, sont fournies des conditions convexes de dimension finie pour construire des fonctions de Lur'e avec dépendance polynomiale homogène en les paramètres. Si elles sont satisfaites, les conditions garantissent la stabilité pour tout le domaine d'incertitudes et pour toutes les non-linéarités dans le secteur, et permettent le calcul de contrôleurs stabilisants robustes par retour linéaire et non-linéaire. Pour les systèmes bilinéaires instables, continus et en temps discret, est fournie une procédure pour calculer un gain stabilisant de commande par retour d'état. La méthode est basée sur la solution alternée de deux problèmes d'optimisation convexe décrits par des inégalités matricielles linéaires, et caractérise une estimation du domaine de la stabilité. Des extensions pour traiter les contrôleurs robustes et linéaires variants avec des paramètres sont aussi présentées.

Les matériaux polymères, en particulier les EAP (Electro Active Polymer), sont de bons candidats pour le développement d'actionneurs de nouvelle génération, en particulier par leurs propriétés mécaniques et électriques. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cours de cette thèse aux actionneurs polymères à base d'élastomère diélectrique et à leur intégration technologique. Le principe de fonctionnement de ce type d'actionneur est basé sur l'attraction électrostatique entre deux électrodes qui prennent en sandwich l'élastomère qui jouera à la fois le rôle d'entrefer de permittivité relative supérieure à un et de ressort de rappel par ses propriétés élastiques. Les forces d'attraction sont proportionnelles à la constante diélectrique de l'élastomère et inversement proportionnel au module de Young de ce dernier. Notre choix s'est porté sur les polydiméthylesiloxanes (PDMS), matériaux à la fois très souple et pour lesquels une augmentation de la permittivité peut être obtenue par l'addition de nanoparticules. Un procédé original de structuration des couches de " PDMS " sur une plaquette de silicium a été développé. Nous avons formulé ce polymère avec un composant photo-actif pour le rendre photosensible afin de pouvoir l'utiliser à l'image d'une résine lithographique conventionnelle et d'envisager la structuration dans un enchaînement de fabrication compatible avec les technologies microsystèmes. Par ailleurs une caractérisation exhaustive nous a permis de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués lors des différentes étapes technologiques de réalisation aussi bien pour le matériau seul qu'additionné de nanoparticules de titanate de baryum. Nous nous sommes également attachés à mesurer la permittivité et les coefficients d'élasticité de ces matériaux à la fin du processus de fabrication vérifiant ainsi le maintien des propriétés initiales qui ont présidées au choix de ces matériaux. Des actionneurs miniaturisés constitués d'une électrode inférieure fixe, d'une couche de PDMS structurée et d'une électrode supérieure libre ont ainsi été fabriqués, caractérisés et modélisés par élément finis à l'aide du logiciel Comsol. Nous avons utilisé des modèles hyper élastiques pour les confronter aux résultats obtenus. Il en ressort que si l'utilisation des dépôts de couches métalliques a permis de fabriquer des structures, la déformation maximale de l'actionneur est limitée néanmoins par l'élasticité de l'électrode métallique. Les résultats nous permettent d'envisager, pour les applications à l'optique, la réalisation de structures à focale variable dont deux exemples sont donnés en perspective.

Ce manuscrit relate les travaux de recherche effectués dans le cadre du projet CARAVAJE ("Contrôle de l'AéRodynAmique externe des Véhicules Automobile par JEts pulsés"). L'objectif principal est de développer une stratégie de contrôle actif utilisable sur un véhicule de série, et répondant aux standards industriels. Dans le cadre de ce travail de thèse, différentes stratégies de contrôle par jets pulsés ont donc été testées sur un véhicule simplifié échelle réduite type corps de Ahmed, en utilisant des électrovannes et des actionneurs MEMS. Grâce aux électrovannes, des réductions de trainée entre 6% et 12% ont été obtenues pour diverses stratégies, et des liens ont été constatés avec l'évolution des pressions pariétales et les modifications du sillage. Des correspondances ont également été observées entre les fréquences naturelles présentes au niveau de la bulle de recirculation et les fréquences de contrôle les plus efficaces. Les actionneurs MEMS ont ensuite été caractérisés, et ont permis d'obtenir jusqu'à 9% de réduction de trainée sur la maquette à échelle réduite. Un système hybride MEMS / électrovannes a pour finir été utilisé sur un véhicule échelle 1 (Citröen C6), et ces micro-jets se sont avérés capables de modifier favorablement la répartition de pression sur la lunette du véhicule.

L’objectif de cet projet est la conception, réalisation et caractérisation d’un actionneur / capteur piézoélectrique piézorésonant destiné à la mesure du vieillissement de la peau humaine. L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdask, Département Génie Electrique et Automatique. Un concept d’actionneur / capteur pour la caractérisation des propriétés mécaniques des tissus mous a été présenté. Un actionneur piézoélectrique résonant, appelé "unimorphe" a été choisi parmi les différentes structures piézoélectriques fondées sur le cahier des charges. L'innovation du projet réside dans l'intégration de la méthode d'indentation dynamique en utilisant un unimorphe comme dispositif d'indentation. Ceci permet l'utilisation d'un certain nombre de propriétés électromécaniques favorables des transducteurs piézo-électriques. Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Le chapitre 1 présente la thèse et ses objectifs. Le chapitre 2 présente le phénomène piézoélectrique et les applications piézoélectriques dans les domaines de la médecine et de la bio ingénierie. Le chapitre 3 décrit le cahier des charges pour le transducteur développé. Le choix du transducteur unimorphe est ainsi justifié. Le chapitre 4 présente une description analytique du transducteur unimorphe, y compris les calculs de déformations statiques, la description du circuit équivalent de Mason, et la description des conditions de contact entre la sonde d'indentation et les matériaux testés. Le chapitre 5 contient l'analyse numérique du transducteur unimorphe en utilisant le modèle virtuel MEF. Les résultats de simulations statiques et modales sont décrits par deux géométries considérées du transducteur. Le chapitre 6 décrit le processus de vérification expérimentale des modèles analytiques et numériques développés pour le transducteur unimorphe. Enfin, le dernier chapitre comprend des conclusions générales concernant les résultats de recherche obtenus, ainsi que les travaux futurs possibles. Afin de vérifier la thèse d'un cycle complet de recherche a été effectuée, qui a couvert: étude analytique, l'analyse numérique (simulations MEF), réalisation de prototype, et la vérification expérimentale des actionneurs / capteurs piézoélectriques considérés. / The main goal of the dissertation was following: preparation of a new concept, implementation and analysis of the piezoelectric resonant sensor/actuator for measuring the aging process of human skin. The research work has been carried out in the framework of cooperation between the INP-ENSEEIHT-LAPLACE, Toulouse, France, and at the Gdansk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Group of Power Electronics and Electrical Machines, Gdask, Poland. A concept of transducer for the characterization of mechanical properties of soft tissues was presented. The piezoelectric resonant, bending transducer, referred to as “unimorph transducer” was chosen from different topologies of piezoelectric benders based on the fulfillment of the stated requirements. The innovation of the project lies in the integration of the dynamic indentation method by using a unimorph as an indentation device. This allows the use of a number of attractive electromechanical properties of piezoelectric transducers. The thesis is divided into seven chapters. Chapter 1 states the thesis and goals of the dissertation. Chapter 2 presents piezoelectric phenomenon and piezoelectric applications in the fields of medicine and bioengineering. Chapter 3 describes the requirements for the developed transducer. The choice of unimorph transducer is justified. Chapter 4 presents an analytical description of the unimorph transducer, including the calculations of static deformations, equivalent circuit description, and description of the contact conditions between the transducer and the tested materials. Chapter 5 contains the numerical analysis of the unimorph transducer using FEM virtual model. Results of static and modal simulations are described for two considered geometries of the transducer. Chapter 6 describes the experimental verification process of analytic and numerical models developed for unimorph transducer. The final chapter includes general conclusions concerning obtained research results and achievements, as well as possible future works. In order to verify the proposition of the thesis a full research cycle was carried out, that covered: analytical study, numerical analysis (FEM simulations), prototype realization, and experimental verification of the considered (developed) piezoelectric sensor/actuator structures.

Le Titano-Zirconate de Plomb, ou PZT est un matériau piézoélectrique présentant de très bonnes performances pour l'actionnement des microsystèmes. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de répondre à la problématique de l'intégration du PZT par dépôt sol-gel. Dans une première partie, nous présenterons l'état de l'art des MEMS piézoélectriques et du PZT. Dans une seconde partie, nous montrerons comment obtenir des couches minces de PZT orientées (100) et (1111) de façon homogène, pour une des épaisseurs de 100 nm à 2µm. Dans une troisième partie, nous comparerons les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des films, en fonction de l'orientation. Pour l'orientation (100), nous avons pu mesurer un coefficient d31 supérieur à -150 pm/V et un coefficient e31,f de -16 C/m2. Pour l'orientation (111), nous avons mesuré un d31 de -100 pm/V et un e31,f de -14 C/m2. Pour expliquer les différences observées, nous avons également abordé le problème du blocage des parois de domaines. Dans une quatrième partie, nous présentons la fabrication et la caractérisation d'un interrupteur MEMS radiofréquences packagé et stabilisé en température fonctionnant à basse tension. A l'état bloqué, il présente une isolation de -44 dB à 2 GHz. A l'état passant, il présente des pertes d'insertion de -0.74 dB à 2 GHz. Dans cette partie, nous présentons également l'intégration d'une jauge de contraintes dans un actionneur piézoélectrique. Dans la dernière partie, nous présentons l'intégration de nos procédés dans des membranes sans dégradation des performances. Une étude préliminaire de fiabilité est également menée. Le mécanisme conduisant à la dégradation de nos composants est lié au vieillissement du matériau, ce qui montre que notre procédé de dépôt est maitrisé de façon homogène sur des substrats 200 mm. / PZT is a piezoelectric material which exhibits very good performances for microsystems actuation. In this work, the problem of sol-gel deposited PZT integration is discussed. First, state of the art of piezoelectric MEMS and PZT is presented. Then, the fabrication of homogeneous (100) and (111) oriented PZT thin films is presented. Layers thicknesses are comprised between 100 nm and 2 µm. Thirdly, ferroelectric and piezoelectric properties of the two oriented thin films are compared. For (100) oriented films, the d31 piezoelectric coefficient was greater than -150 pm/V and the e31,f reaches -16 C/m2. For (111) oriented films, the d31 and e31,f reach -100 pm/V and -14 C/m2 respectively. To explain observed differences, domain walls pinning was studied. Next, fabrication and characterization of a low voltage, fully packaged and thermally stabilized RF MEMS piezoelectric switch is presented. At the off-state, the switch isolation is -44 dB at 2 GHz. At the on-state, insertion losses are -0.74 dB at 2 GHz. The integration of a metallic gauge in a piezoelectric cantilever is also presented. Finally, developed processes are integrated in membranes fabrication without any degradation. A preliminary reliability study is presented. The fail mechanism of our components is an aging mechanism. This shows that our sol-gel deposition process is well-controlled on 8 inches wafers.

Nous avons développé une stratégie de synthèse basée sur la cycloaddition 1,3‐dipolaire catalysée par le Cu(I) pour la préparation de LCPs et LCEs. Nous avons considéré deux approches. La première consiste en l’élaboration des monomères (protomésogènes) portant des fonctionnalités alcynes terminaux et des molécules portant des groupements azurés suivi de leur réaction selon un procédé en une seule étape. Dans la seconde approche, la formation du "protomésogène" se fait in situ lors de la réaction de cycloaddition (polymerisation) à partir de blocs complémentaires portant des fonctionnalités alcynes et azurés. Tous les composés synthétisés ont été caractérisés par des techniques classiques d'analyses chimiques ou physiques (élastomères). Dans tous les cas, les analyses thermiques (ATG et DSC) ont été menées afin de déterminer l’existence de mésophases et la stabilité des produits, et le cas échéant, les propriétés mésomorphes ont été analysées par POM et SAXS. / In this work we have developed a new strategy based on the Cu(I)‐catalyzed 1,3‐dipolar cycloaddition between azides and alkynes for the preparation of a variety of LCPs and LCEs. Two approaches are presented. The first one consists in clicking together appropriate alkyne‐difunctionalized potential mesogens with azide‐difunctionalized spacers (polymers) and crosslinker (elastomers) in a one‐pot procedure. In an alternative approach, the potential mesogens are formed in situ during the polymerization procedure by cliking prefunctionalized building blocks bearing alkyne and azide functions. All of the samples were chemically or physically (elastomers) characterized by typical analysis. Their thermal behavior was investigated by using techniques such as ATG and DSC and where necessary (mesomorphic materials) by using POM and SAXS.

Ce travail de thèse concerne la surveillance de l’état de santé de structures complexes en service. Elle est appliquée à des éléments d’une nacelle d’avion gros porteur. Ce travail est original et s’inscrit dans le cadre d’un projet, coordonné par AIRBUS Operations SAS et porté par AIRCELLE (Groupe SAFRAN). Les principales parties de la nacelle visées par notre démarche sont le capot de soufflante (fan cowl, composite monolithique) et la structure interne fixe du capot coulissant de l’inverseur de poussée (IFS, sandwich nid d’abeille). Ces structures réalisées en matériaux composites sont sujettes à de nombreux modes de dégradation(rupture de fibres, délaminage, fissures, etc…), qui peuvent impacter la durée de vie de la nacelle. De plus elles sont exposées à de nombreuses sollicitations environnementales dont des variations thermiques importantes (de -55 °C à +120°C). L’objectif de ce travail est la mise en place d’un système SHM visant à suivre l’état de santé de ces structures afin de détecter l’apparition de tels endommagements et de les localiser avant qu’ils ne conduisent à une dégradation de la structure; ceci de manière à permettre une maintenance prédictive. Des capteurs et actionneurs piézoélectriques (PZT) sont collés sur la structure et sont utilisés pour générer des ondes de Lamb et effectuer des mesures. La démarche SHM proposée s’appuie sur des mesures successives en partant d’un état initial considéré comme sain, puis en réalisant régulièrement des mesures de suivi. La différence entre des signaux mesurés pour deux états est analysée afin d’en extraire des caractéristiquessensibles à l’apparition de dommages. Après validation, des PZT ont été collés sur le fan cowl et l’IFS ainsi que sur des coupons et un banc d’essai approprié a été conçu afin de valider notre démarche. Du fait que l’on est amené à travailler sur des différences de signaux, des algorithmes de détection, basés sur les testsd’hypothèses statistiques et l’Analyse en Composantes Principales (ACP), ont dû être développés et validés. Ceci a d’abord été testé pour la détection de dommages contrôlés introduits d’abord dans des coupons, puis dans le fan cowl et dans l’IFS. Des algorithmes robustes (y compris aux variations de température) de localisation de ces dommages, basés sur l’extraction des temps de vol des ondes de Lamb, ont été développés et validés sur les structures étudiées. Une approche de quantification des incertitudes sur la localisation par inférence Bayésienne a été proposée en complément de la démarche déterministe implémentée. / This work aims at designing a Structural Health Monitoring (SHM) system for complex composite structures, with an application to elements of aeronautical nacelles. This work is original and is in the framework of a project, coordinated by AIRBUS Operations SAS and headed by AIRCELLE (SAFRAN Group). The main parts of the nacelle concerned with our approach are the fan cowl (composite monolithic) and the inner fixed structure (IFS, sandwich structure with honeycomb core) of the thrust reverser. These structures made from composite materials are subjected to many damages types which can affect nacelle’s useful life (fiber breaking, delamination, crack, etc…). Furthermore these structures are exposed to many environmental constraints which are for instance important thermal variations (from -55°C to +120°C). The objective of this work is to develop a SHM system aimed at detecting and localizing these damages, before the degradation of the whole structureoccurs. Piezoelectric (PZT) actuators and sensors are bonded on the structure and they are used to generate Lamb wave signals and perform measurements. The proposed SHM approach is based on successive measurements starting from an initial state, considered as healthy and regularly conducting follow-up. The difference in signals measured between two states is analyzed in order to extract some damages-sensitivesfeatures. After validation, PZT elements were glued to the fan cowl and to the IFS as well as on representative coupons and a suitable test bench is designed in order to validate our approach. Since one has to work on difference in signals, damage detection algorithms based on statistical hypothesis testing and PrincipalComponent Analysis (PCA) have been developed and validated. This was first tested for the detection of controlled damages introduced in coupons, and thereafter on the fan cowl and IFS. Robust damage localization algorithms (including with temperature variations) based on Time-of-flight (ToF) extraction from difference in signals, were developed and validated for these structures. A Bayesian approach for uncertainties quantification in the damage localization is also developed, leading to more accuracy in the damage localization results.