Cette thèse développe les connaissances scientifiques sur l’origine et le comportement des polluants intérieurs en phases gazeuse et particulaire. Une description complète des processus physiques contrôlant les concentrations de polluants en air intérieur dans une pièce inoccupée et non meublée a été réalisée. En utilisant des paramètres bien quantifiés (taux de renouvellement d’air, facteur de pénétration et vitesse de dépôt), nous avons pu appliquer un modèle de bilan massique aux particules. Les résultats ont montré que, en l’absence significative de sources intérieures, une caractérisation fine des paramètres ci-dessus permettait de décrire de manière satisfaisante les concentrations intérieures en PM2.5 et PM10 à partir des données extérieures, tandis que les PM1 montrent une variabilité significativement plus marquée due aux transformations physicochimiques. Par la suite, les composés organiques volatils (COV) et la composition chimique des particules submicroniques ont été mesurés en temps réel lors d’une campagne intensive. Un enrichissement important des concentrations en COV a été observé lorsque l’air ambiant pénètre à l’intérieur du bâtiment, en particulier pour les COV oxygénés qui présentent une dépendance significative avec l’humidité relative, tandis que pour les particules les changements observés dépendent de leur composition chimique et de leur diamètre, montrant une diminution de 20% pour les PM1 à 86% pour les plus grosses particules (>5 μm). L’excès d’ammonium observé dans les deux environnements a permis de déconvoluer les nitrates organiques des inorganiques, ceux-ci présentant une dépendance plus forte avec la température, révélant une décomposition thermique plus importante en air intérieur. En résumé, l’environnement intérieur agit principalement comme une source d’émissions continues de COV, alors qu’une tendance inverse est observé pour les particules, du fait de transformations possibles pouvant se produire même dans les conditions les plus simples, sans occupant ni mobilier. / This thesis improves the scientific knowledge on the origin, behavior and fate of gas and particle-phase pollutants indoors under unoccupied unfurnished conditions. A first campaign provided a complete description of the physical processes controlling the indoor concentrations. Using well quantified parameters (air exchange rate, penetration factor and deposition rate), a mass balance model provided insights for the particle budget closure. The results showed that when indoor sources are not significant, a careful characterization of the abovementioned parameters allows to estimate PM2.5 and PM10 in a satisfying manner from outdoor data. However the PM1 fraction shows a significantly higher variability due to physicochemical transformations. Subsequently, a second intensive campaign was performed to investigate volatile organic compounds (VOC) and PM1 chemical composition in real time. A strong increase in VOC concentrations was observed when outdoor air penetrates indoors, especially oxygenated VOC which exhibited a significant dependence on relative humidity, while the changes observed for particles once indoors depend on their chemical composition and diameter, showing a decrease from 20% for submicron particles up to, 86% for large ones (>5. µm). The investigation of ammonium neutralization revealed an excess of ammonium indoors and outdoors, which is attributed to organic- in addition to inorganic-bonded ammonium nitrate. The latter showed a stronger dependency on temperature gradient from outdoors to indoors, revealing stronger thermal decomposition once indoors. In summary, the indoor environment acts mainly as a continuous emission source of VOCs, while the opposite trend is observed the particles due to possible transformations that can occur even under the simplest conditions, with no occupants and no furnishing.

Les systèmes embarqués représentent une part de plus en plus importante du marché semiconducteurs. Les systèmes embarqués visent des applications plus gourmandes en capacité de calcul, augmentant du même coup la surface de silicium et l'énergie dissipée. Un des problèmes de la conception système est le patitionnement d'applications qui requiert l'utilisation de méthodes complexes. En effet, le partitionnement sous contraintes de temps, basé sur un algorithme d'ordonnancement avec un objectif de minimisation de la surface de silicium ou de la consommation est un problème NP-difficile. Ce travail de thèse étudie la prise en compte de la consommation (énergie et pic de puissance) lors de la conception globale de systèmes autonomes.<br />Une première étude consiste à estimer la consommation des divers composants d'une architecture SoC. Puis, nous nous sommes intéressés aux deux étapes principales des méthodes de partitionnement : l'allocation et l'ordonnancement. En particulier,<br />la technique d'ajustement conjoint de la tension et de la fréquence est considérée dans l'ordonnancement pour minimiser l'énergie. A la suite de ces optimisations, une gestion des modes basse consommation est réalisée, ayant pour objectif de mettre les processeurs en état de repos ou repos profond dès que la possibilité se présente, ce changement de mode permettant de gagner en consommation. Ce travail a été testé sur divers exemples, comme une application de détection de mouvement sur fond d'images<br />fixes pour caméra embarquée.

Ce travail porte sur l'étude et le développement d'un système innovant de ventilation et de chauffage au bois dans les habitations à basse consommation d'énergie, qui sont appelées à devenir la référence constructive en France dès 2015. Dans ces habitations fortement isolées et particulièrement étanches à l'air, les besoins de chauffage sont très faibles et peuvent être couverts par une source de chaleur d'origine renouvelable, telle que le bois énergie. En outre, l'utilisation d'une ventilation performante s'impose comme étant un critère essentiel pour assurer la bonne qualité de l'air intérieur et peut même devenir l'unique vecteur de chauffage en apportant l'appoint de chaleur sur l'air insufflé dans les différentes pièces de l'habitation. Le système présenté dans cette étude propose ainsi de combiner les avantages d'un appareil de chauffage au bois de petite puissance, ici un poêle à granulés de bois, et ceux d'une ventilation à récupération de chaleur sur l'air extrait, grâce à un conduit échangeur intégré à la cheminée du poêle et relié au réseau de soufflage de la ventilation. Développé en partenariat avec l'industriel POUJOULAT, spécialisé dans la fabrication de conduits de cheminée métalliques, ce conduit échangeur permet de récupérer sur l'air neuf une partie de la chaleur initialement perdue par les fumées et de la distribuer dans toutes des zones de vie de l'habitation, même les plus éloignées de l'appareil au bois. Après avoir défini la configuration de couplage à adopter pour assurer le bon fonctionnement de l'ensemble et garantir à la fois la sécurité et le confort des occupants, les performances de plusieurs prototypes de conduit échangeur sont caractérisées expérimentalement. Les résultats obtenus lors des essais en laboratoire permettent alors d'orienter l'évolution des prochains prototypes et de souligner la nécessité de travailler avec un poêle à granulés de bois dont le cycle de combustion est étanche. Un modèle mathématique est également développé pour prédire les performances du dernier prototype de conduit échangeur à triple paroi non isolé sur sa surface extérieure et sa validation est obtenue suite au bon accord entre les résultats calculés et ceux mesurés lors des essais. L'ensemble du système combiné est ensuite installé dans deux habitations à basse consommation d'énergie situées près de Poitiers. L'exploitation des températures et des consommations recueillies pendant la première saison de chauffe montre la bonne tenue du système combiné, ses limites, ainsi que ses conditions d'appropriation par les occupants, dont le comportement apparaît jouer un rôle prédominant dans la réduction des consommations énergétiques.

Afin de réaliser un appareil innovant pour la mesure de gaz polluants, la société SVS@CAP s'est associée avec le laboratoire de physique corpusculaire en 2009 pour la création du projet EREBUS. Ce projet a pour but la réalisation d'un ensemble de dispositifs sans fil permettant d'effectuer une surveillance de la concentration de gaz polluants. L'autonomie et la compacité d'un tel dispositif étant essentielles, la problématique principale porte sur la réduction de la consommation. A partir d'une première étude menée sur les différentes technologies existantes, les capteurs électrochimiques ont été identifiés comme les moins consommateurs d'énergie. Pour chacun des gaz cibles, un modèle électrique du capteur associé a été déterminé. A partir de ces modèles, une architecture dédiée et épurée a pu être déduite. Pour atteindre et même dépasser les objectifs de consommation, les efforts ont aussi été portés sur un dimensionnement avec la méthode gm/id. La réalisation de cette électronique intégrée a permis d'atteindre une consommation de l'ordre du microwatt pour chaque voie de mesure. Enfin, pour compléter la chaîne de lecture, plusieurs architectures de convertisseurs ont été étudiées et réalisées pour fonctionner à des fréquences d'échantillonnage proches du Hz. Les consommations obtenues pour les convertisseurs sont limitées avec comme ordre de grandeur la centaine de nW.

L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L'objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L'exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d'effectuer simultanément des analyses thermiques et d'ordonnancement de tâches et mettre en évidence l'influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d'ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l'efficacité de la technique proposée.

Une solution de gestion de puissance d'un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l'ajout d'éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d'architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d'interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l'exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu'une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie.

Pour faire face à la forte augmentation de la consommation en climatisation et la consommation électrique associée, il est nécessaire de développer des systèmes de rafraîchissement basse consommation de bâtiment. Ce travail propose un nouveau système de rafraîchissement qui se veut économe en énergie, peu coûteux et simple à installer. Il associe les techniques de dissipation de chaleur par évaporation, rayonnement vers le ciel et géothermie. Ce système est constitué d'un réservoir poreux installé en extérieur et d'un réservoir de stockage placé dans le vide sanitaire. Lorsque le bâtiment a besoin de rafraîchissement, une pompe puise de l'eau fraîche dans le stockage, la fait passer dans le plancher rafraîchissant pour absorber la chaleur excédentaire du bâtiment puis stocke l'eau dans le réservoir poreux placé à l'extérieur. Le réservoir poreux refroidit l'eau qu'il contient par évaporation, rayonnement vers le ciel puis se vide dans le stockage. Le réservoir de stockage installé dans le vide sanitaire se refroidit aussi en continu grâce au contact direct avec le sol. Les propriétés poreuses et la géométrie du réservoir poreux influent fortement sur ses performances de refroidissement. Une étude paramétrique menée avec un modèle numérique simulant les transferts hydriques et thermique permet de choisir un réservoir adéquat pour cette application. Un réservoir poreux donnant de bonnes performances (70 W/m2 de puissance évaporative) a été identifié. Le système de rafraîchissement a été installé et testé expérimentalement sur une maison à échelle réelle à Bordeaux. Mis en service durant l'été 2015, le système a fonctionné de façon autonome durant 44 jours. L'utilisation de ce système a permis de maintenir durant la période de test un très bon confort thermique à l'intérieur d'un bâtiment expérimental bien isolé, non ventilé, avec des apports solaires, tout en ayant une consommation électrique faible (le COP moyen du système est de 20.8). Un modèle numérique du système complet a été développé sous Modelica, calibré sur les mesures expérimentales puis couplé à un modèle de bâtiment. Les résultats de simulation montrent que l'installation de ce système améliore nettement le confort intérieur du bâtiment sur l'ensemble de l'été pour toutes les configurations testées (climat, gestion des voletsdots). Un système aux dimensions optimisées (avec un stockage de 2.2 m3 et un réservoir poreux de 0.215 m3), installé sur une maison individuelle type RT2012 de 100 m2 à Bordeaux, fonctionne avec un COP moyen de 24 et permet de maintenir un bon niveau de confort à l'intérieur du bâtiment tout l'été. / To face the dramatic increase of energy consumption due to air conditioning use in buildings, new low energy consumption systems need to be developed. This work proposes a new cooling system which aims to be energy efficient, cheap and easy to install. This system takes advantage of evaporation cooling, ground earth cooling and sky radiative cooling techniques. The two main components of this new system are a porous tank set outside and a storage tank set in the basement of the building. When the inside house temperature exceeds the comfort temperature, cool water passes from the storage tank through the cooling floor, removes heat from the building and is then send to the porous tank. The water contained in the porous tank is cooled down due to evaporation and radiative effects and then flows back to the storage. The storage tank installed in the basement enables further cooling of the water thanks to direct contact with the ground. Porous properties and geometry of the tank have a great influence on the cooling performances of the tank. A heat and mass transfer model has been developed to simulate the thermal and hydric behavior of the tank. This model has been used to choose an appropriate tank. A tank giving good performances (70 W/m2 of evaporative power) is identified. The complete cooling system has been installed on a house in Bordeaux and tested at real scale during an experimental campaign. The system worked for 44 days during summer 2015 and allowed to maintain a very good thermal comfort level in the experimental building (insulated, with solar load and without ventilation). Its very low electricity needs brings the average coefficient of performance of the system to 20.8. A numerical model of the system has been developed, calibrated with experimental data and coupled with a building model. Simulation results show that for all tested configurations (climate, shading…), the system clearly improves the thermal comfort in the building. Optimized sizing, keepinp reasonnable tank sizes (storage and evaporator volumes of 2.2 m3 and 0.215 m3 respectively), shows that this system works with an average COP of 24 and maintains a good comfort level in an individual house of 100 m2 located in Bordeaux.

La bande de fréquence non-licensée autour de 60 GHz est une alternative prometteuse pour couvrir les besoins en bande passante des futurs systèmes de communication. L'utilisation de modulations complexes (comme OFDM ou 64-QAM) à ces fréquences permet d'atteindre, en utilisant une technologie CMOS standard, des débits de plusieurs gigabits par seconde sur quelques mètres voire quelques dizaines de mètres. Pour atteindre ces performances, la tête d'émission-réception RF (front-end RF) doit être dotée d'une référence de fréquence haute performance. Dans ce travail, une architecture originale est proposée pour générer cette référence de fréquence haute performance. Elle repose sur la multiplication de fréquence d'ordre élevé (plusieurs dizaines) d'un signal de référence basse fréquence (moins de quelques GHz), tout en recopiant les propriétés spectrales du signal basse fréquence. Cette multiplication est réalisée en combinant la production d'un signal multi-harmonique dont la puissance est concentrée autour de la fréquence à synthétiser. L'harmonique d'intérêt est ensuite extraite au moyen d'un filtrage. Ces deux étapes reposent sur l'utilisation d'oscillateurs dans des configurations spécifiques. Ce travail porte à la fois sur la mise en équation et l'étude du fonctionnement de ce système, et sur la conception de circuits dans des technologies CMOS avancées (CMOS 40 nm, BiCMOS 55 nm). Les mesures sur les circuits fabriqués permettent de valider la preuve de concept ainsi que de montrer des performances à l'état de l'art. L'étude du fonctionnement de ce système a conduit à la découverte d'une forme particulière de synchronisation des oscillateurs ainsi qu'à l'expression de solutions approchées de l'équation de Van der Pol dans deux cas pratiques particuliers. Les perspectives de ce travail sont notamment l'intégration de cette synthèse innovante dans un émetteur-récepteur complet. / The 60-GHz unlicensed band is a promising alternative to perform the high data rate required in the next generation of wireless communication systems. Complex modulations such as OFDM or 64-QAM allow reaching multi-gigabits per second throughput over up to several tens of meters in standard CMOS technologies. This performance rely on the use of high performance millimeter-wave frequency synthesizer in the RF front-end. In this work, an original architecture is proposed to generate this high performance millimeter-wave frequency synthesizer. It is based on a high order (several tens) multiplication of a low frequency reference (few GHz), that is capable of copying the low frequency reference spectral properties. This high order frequency multiplication is performed in two steps. Firstly, a multi-harmonic signal which power is located around the harmonic of interest is generated from the low frequency reference signal. Secondly, the harmonic of interest is filtered out from this multi-harmonic signal. Both steps rely on the specific use of oscillators. This work deals with the circuit design on advanced CMOS technologies (40 nm CMOS, 55 nm BiCMOS) for the proof of concept and on the theoretical study of this system. This novel technique is experimentally validated by measurements on the fabricated circuits and exhibit state-of-the-art performance. The analytical study of this high order frequency multiplication led to the discovery of a particular kind of synchronization in oscillators and to approximated solutions of the Van der Pol equation in two different practical cases. The perspectives of this work include the design of the low frequency reference and the integration of this frequency synthesizer in a complete RF front-end architecture.

Ces dix dernières années, la miniaturisation des transistors MOS en technologie planaire sur silicium massif connait une augmentation considérable des effets parasites liés à la réduction de la longueur du canal. Ces effets canaux courts ont pour conséquence de dégrader les performances des transistors, rendant les circuits moins efficaces énergétiquement et plus sensibles aux phénomènes de fluctuations des procédés de fabrication. Ainsi, cette technologie fait face à une vraie barrière pour les noeuds inférieurs à 32nm.Pour répondre aux besoins des dispositifs mobiles alliant hautes performances et basse consommation, la technologie planaire sur isolant complètement désertée (FD-SOI pour Fully depleted Silicon-On-Insulator) apparaît comme une solution adaptée. En effet, grâce à son film de silicium mince et non dopé, le transistor MOS dispose d’un meilleur contrôle électrostatique du canal et d’une faible variabilité de sa tension de seuil. De plus, cette technologie offre la possibilité de moduler la tension de seuil des transistors grâce à une polarisation étendue à ±3V des caissons situés sous la fine couche d’oxyde enterré. Ainsi, cette spécificité apporte aux concepteurs de circuits intégrés un levier supplémentaire permettant de moduler les performances d’un circuit ainsi que d’en optimiser son efficacité énergétique.Le travail de recherche de thèse présenté dans ce mémoire a contribué au développement de la plateforme technologique FD-SOI pour les noeuds 28 puis 14nm. Dans un premier temps, l’exploitation d’un chemin critique extrait d’un coeur de processeur ARM Cortex-A9 a permis d’évaluer à la fois les gains intrinsèques apportés par la technologie FD-SOI ainsi que ceux produits par la modulation de la tension de seuil des transistors par polarisation du substrat. Cette technique permet ainsi de diviser jusqu’à 50 fois le courant statique d’un circuit lorsqu’il est inactif, ou encore par 2 l’énergie totale nécessaire à fréquence constante. Ces nombreuses analyses ont permis, dans un second temps, de proposer plusieurs solutions de conception visant une nouvelle fois à optimiser l’efficacité énergétique des circuits intégrés. Parmi celles-ci, la conception d’une structure à caisson unique permet notamment de résoudre les difficultés de co-intégration multi-VT classique, présentes en FD-SOI. Cette approche offre également aux concepteurs une solution performante pour les circuits fonctionnant avec une très large gamme de tensions d’alimentation. En effet, à l’aide d’une seule tension de substrat, les transistors n et p-MOS peuvent être simultanément rééquilibrés permettant ainsi de réduire fortement la tension minimale d’alimentation du circuit. / Over the last ten years, the scaling of MOSFETs in bulk planar technology is experiencing a significant increase in parasitic phenomenon driven by the reduction of the transistor channel length. These short-channel effects lead to the degradation of transistor performances, making circuits less energy efficient and more sensitive to the manufacturing process fluctuations. Therefore, this technology faces a real barrier for nodes beyond 32nm.To meet the needs of mobile devices, combining high performances and low power consumption, the planar fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) technology appears to be a suitable solution. Indeed, thanks to its thin-film of silicon and an undoped channel, MOS transistors have an excellent short-channel electrostatic control and a low variability of the threshold voltage given by an immunity to random dopant fluctuation. In addition, this compelling technology enables to adjust the threshold voltage of transistors by applying a wide ±3V back-bias voltage on Wells. Thus, this specific FD-SOI feature brings to IC designers an additional lever to modulate the performance and to optimize the energy efficiency of circuits.The research work presented in this thesis has contributed to the development of FD-SOI technology platform for the 28 and 14nm nodes. Initially, a critical path extracted from an ARM Cortex-A9 processor was used to assess both the intrinsic gains provided by the FD-SOI technology and those produced by modulating the back-bias voltages. This technique enables to divide by up to 50 times the static current of circuits in standby mode, or by 2 the total energy consumption at same frequency. In the second phase, several design solutions are proposed in order to optimize the energy efficiency of circuits again. Among these, the design of a single-Well structure enables to solve the conventional multi-VT co-integration issue, occurring in FD-SOI. Moreover, this novel approach also offers an efficient solution for integrated circuits operating over a wide supply voltage range. Indeed, thanks to a single back-bias voltage, both n and p-MOS transistors could be easily balanced enabling an outstanding minimal supply voltage.

Dans cette thèse, une méthode de résolution de problèmes de commande optimale non linéaires sous contraintes d'état et de commande. Cette méthode repose sur l'adaptation des méthodes de points intérieurs, utilisées en optimisation de dimension finie, à la commande optimale. Un choix constructif de fonctions de pénalisation intérieure est fourni dans cette thèse. On montre que ce choix permet d'approcher la solution d'un problème de commande optimale sous contraintes en résolvant une suite de problèmes de commande optimale sans contraintes dont les solutions sont simplement caractérisées par les conditions de stationnarité du calcul des variations.Deux études dans le domaine de la gestion de l'énergie dans les bâtiments sont ensuite conduites. La première consiste à quantifier la durée maximale d'effacement quotidien du chauffage permettant de maintenir la température intérieure dans une certaine bande de confort, et ce pour différents types de bâtiments classés de mal à bien isolés. La seconde étude se concentre sur les bâtiments BBC et consiste à quantifier la capacité de ces bâtiments à réaliser des effacements électriques complets du chauffage de 6h00 à 22h00 tout en maintenant, là encore, la température intérieure dans une bande de confort. Cette étude est réalisée sur l'ensemble de la saison de chauffe. / This thesis exposes a methodology to solve constrained optimal controlof non linear systems by interior penalty methods. A constructivechoice for the penalty functions used to implement the interior methodis exhibited in this thesis. It is shown that itallows us to approach the solution of the non linear optimal controlproblem using a sequence of unconstrained problems, whose solutionsare readily characterized by the simple calculus of variations.Two representatives study of energy management in buildings are conducted using the provided algorithm. The first study consists in quantifying the maximal duration of daily complete load shiftings achievable by several buildings ranging from poorly to well insulated. The second study focuses on low consumption buildings and aim at quantifying the ability of these buildings to perform complete load shiftings of the heating electrical consumption from the day (6 a.m. to 10 p.m.) to the night period over the whole heating season.