Mes activités de recherches sont regroupées en trois parties principales allant de la couche sensible jusqu'au système. La première partie porte sur les plasmas froids. Le plasma, en tant que milieu physiquement et chimiquement très réactif, a essentiellement été utilisé pour le dépôt de couches minces, mais a aussi servi d'outil de caractérisation de surface ou encore de traitement de gaz. La deuxième partie traite du développement d'un capteur de gaz à partir du dépôt de la couche sensible jusqu'au dispositif. Il est présenté à partir des hypothèses de départ jusqu'aux caractéristiques du capteur. La troisième partie concerne les systèmes multicapteur. L'étude se situe cette fois au niveau du système, constitué de plusieurs capteurs, de l'acquisition des signaux et du traitement des données. Pour terminer, mes activités dans des sujets récents sont rapidement exposées dans la quatrième partie de ce mémoire.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la recherche et le développement de capteurs chimiques. Il est motivé par un besoin toujours croissant d'outils de détection dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité et l'environnement. Nous présentons l'étude de capteurs basés sur le principe de résonance plasmons de surface - SPR. L'intérêt de ce type de capteurs est principalement lié à leur grande sensibilité, leur réponse rapide en temps réel et leur grande précision sans l'utilisation de marqueurs. L'originalité de notre approche est l'utilisation de fibres optiques. Celles-ci offrent de nouveaux attraits tels la simplification de l'instrumentation et sa miniaturisation. <br />Dans une première partie, nous présentons une revue théorique sur les plasmons de surface à l'interface métal – diélectrique. Nous présentons ensuite une étude expérimentale en deux parties : la première décrit la réalisation et la caractérisation des capteurs SPR à fibre optique, la seconde présente l'analyse de la réponse SPR des transducteurs ainsi réalisés. En particulier nous avons caractérisé par des études systématiques l'influence de paramètres physiques importants liés au métal, à la fibre optique et au traitement de surface de la partie sensible par le greffage d'une couche de thiols.<br />Enfin, nous proposons une étude numérique simulant la réponse du capteur en fonction de différents stimuli. Ce modèle, basée sur le calcul de la réflectance de la lumière à l'interface d'un ensemble multicouches nous a permis de valider l'étude expérimentale et d'étendre les recherches en prenant en compte différent type de molécules cibles. En particulier, nous présentons des résultats sur des molécules absorbants ou non absorbants, greffées ou non à la surface du transducteur. Une comparaison entre résultats expérimentaux et simulations numériques valide l'ensemble du travail et nous permet finalement de proposer une configuration optimisée du capteur, en fonction de la nature de la couche métallique et de la fibre optique, ainsi que des molécules cibles à détecter.

Le contrôle des écoulements vise à modifier le comportement naturel d’un écoulement fluidique. Dans le domaine des transports, contrôler les phénomènes fluidiques tels que le décollement peut permettre d’économiser du carburant, d’améliorer les performances des véhicules ou encore d’assurer davantage la sécurité des passagers. Dans ce contexte, des capteurs avec de fines résolutions temporelle et spatiale sont requis afin de connaître l’écoulement à contrôler et adapter en temps réel le contrôle. Dans ce travail, l’objectif a été de développer des micro-capteurs de frottement et de pression pour les mesures en écoulements turbulents et le contrôle de décollement. Tout d’abord un micro-capteur calorimétrique a été conçu et réalisé par des techniques de microfabrication pour mesurer simultanément le frottement pariétal et la direction de l’écoulement. Le micro-capteur a ensuite été intégré en paroi d’une soufflerie afin de réaliser son étalonnage statique et dynamique et d’étudier sa sensibilité à la direction de l’écoulement. Troisièmement, le micro-capteur calorimétrique a été utilisé pour caractériser des écoulements décollés. Plusieurs micro-capteurs avec électronique miniaturisée ont été intégrés avec succès dans une maquette de volet et des essais de contrôle actif ont été réalisés. Enfin, la quatrième partie concerne le développement d’un micro-capteur de pression et d’un micro-capteur multi-paramètres réunissant les deux technologies. L’ensemble de ces micro-capteurs ont été caractérisés avec succès et montrent des résultats prometteurs pour caractériser les écoulements turbulents et permettre la mise en place de contrôle d’écoulement en boucle fermée. / Flow control aims at artificially changing the natural behaviour of a flow. In transport industries, controlling fluidic phenomena such as boundary layer separation allows saving fuel and power, improving vehicles performances or insuring passenger’s safety. In this context, sensors with accurate spatial and temporal resolution are required. Such devices enable to estimate the flow to control and allow real-time adaptation of the control. In this work, the objective is to develop wall shear stress and pressure micro-sensors for turbulent flows measurements and flow separation control.Firstly, a calorimetric micro-sensor was designed and realized using micromachining techniques for measuring simultaneously the wall shear stress amplitude and the flow direction. Secondly, the micro-sensor was flush-mounted at the wall of a wind tunnel for static and dynamic calibrations. Thirdly, it was used to characterized separated flows. Several configurations were studied: separation on airfoil profile, separation and reattachment downstream a 2D square rib and the separation on a flap model. Several micro-sensors with embedded electronics were successfully integrated on a flap model and active flow control experiments were performed. Finally, the fourth part of the document concerns the development of a pressure micro-sensor and the development of a multi-parameter micro-sensor combining both technologies.All these micro-sensors have been successfully realized and characterized and demonstrate promising results for measuring turbulent flows and implementing closed loop reactive flow control

L'objectif de cette thèse était de développer un capteur de température passif sans fil à transduction électromagnétique utilisant un couplage électromagnétique - fluide. Le principe de ce type de capteur est basé sur la dilation thermique d'un fluide dans un micro-canal qui modifie les propriétés électromagnétiques d'un dispositif aux fréquences millimétriques. Deux types de capteurs de température qui utilisent la transduction électromagnétique et la micro-fluidique ont été étudiés. Le premier est constitué d'une capacité planaire variable à l'aide d'un fluide diélectrique (eau distillée). La capacité est constituée par des électrodes en cuivre déposées sur un substrat en verre. La variation d'impédance, obtenue lors de la progression du front d'eau dans le micro-canal, permet de modifier l'impédance de charge d'une antenne et module ainsi le niveau de l'écho RADAR. Le second capteur utilise un fluide conducteur (Galinstan) qui court-circuite les deux brins d'une antenne dipôle lorsque le liquide se dilate. La structure utilisée est constituée d'un réseau d'antenne dont les deux brins sont court-circuités progressivement pour des températures différentes. On obtient ainsi une modulation de l'écho RADAR.

Il y a un besoin de mesures de vibration, tel que dans l'automobile pour le contrôle actif du bruit acoustique. Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) et les technologies sans fils sont des technologies de plus en plus répandues pour l'implémentation de capteurs. Ce projet vise donc le développement de capteurs de déformation en utilisant une solution sans fil pour l'acquisition des mesures de la vibration, avec les technologies MEMS. Ce projet de recherche utilise la technologie des systèmes RFID passifs pour la communication, intégrée avec un transducteur de déformation MEMS pour la mesure. Le capteur consiste en une antenne reliée à un transducteur MEMS capacitif par l'entremise d'une ligne de transmission avec des discontinuités. Les déformations de la structure sur laquelle le capteur est fixé sont traduites en changement de capacité du transducteur, ce qui engendre un retard dans le signal réfléchi par l'antenne. Une étude de l'état de l'art des principes de communication et de transduction a permis de comparer les avantages et inconvénients des approches. Une modélisation analytique faite sur différents types de transduction a conduit à une combinaison optimale faisant intervenir un transducteur type capacitif. Pour atteindre une taille du capteur de l'ordre du centimètre, le système travaille à une fréquence micro-onde fixée à 24,125 GHz. Un dispositif fût alors conçu, incluant la ligne de transmission avec des discontinuités pour l'identification du capteur ainsi que le transducteur capacitif avec peignes interdigités et ressorts en silicium. La conception d'un tel capteur permet d'aboutir à une sensibilité de 11ps/[epsilon] avec une bonne linéarité sur une plage de mesure [0..2500[micro][epsilon]]. Un procédé de microfabrication du transducteur MEMS est aussi proposé, ainsi qu'une approche pour la fabrication pour les éléments RF sur un substrat d'alumine et leur intégration.

Les robots souples pourraient permettre une interaction homme-robot intrinsèquement sécuritaire car ils sont fabriqués de matériaux déformables. Les capteurs de mouvement adaptés aux robots souples doivent être compatibles avec les mécanismes déformables comportant plusieurs degrés de liberté (DDL) retrouvés sur les robots souples. Le projet de recherche propose des outils de conception pour ce nouveau genre de systèmes de capteurs de mouvement. Pour démontrer ces outils, un système de capteurs est conçu pour un robot souple existant servant pour des interventions chirurgicales guidées par imagerie. De plus, un algorithme de calibration utilisant des techniques d’apprentissage automatique est proposé pour les capteurs à plusieurs DDL. Un prototype du système de capteurs conçu est fabriqué et installé sur le robot souple existant. Lors d’essais expérimentaux, le prototype du système de capteurs atteint une précision moyenne de 0.3 mm et minimale de 1.2 mm.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La détection optofluidique à champ évanescent, tout particulièrement la biodétection sans marqueur par microrésonateurs optiques, est une technologie émergente faisant l’objet d’une recherche intensive. Dans ce contexte, nous montrons que les microanneaux polymères sont d’excellents transducteurs. Ceci est dû en partie à la facilité et au faible coût de leur fabrication et de leur intégration, mais aussi à leur robustesse. Une méthode rapide, répétable et peu coûteuse a été mise au point pour fabriquer de tels composants, avec de longues durées de vie et des performances représentant l’état de l’art actuel. Un deuxième avantage est l’extrême sensibilité moléculaire en surface. La preuve en est l’obtention d’un signal détectable avec seulement 500 molécules de 5-TAMRA-cadavérine (5-TC, M = 515 g/mol) adsorbées, et ce après un simple traitement UV/ozone. Cependant, les performances des anneaux polymères ne deviennent apparentes qu’une fois le composant couplé à une instrumentation de haute précision. A cet effet, un instrument de mesure fut construit pour mesurer en temps-réel de très faibles variations des résonances optiques en régime optofluidique. Ceci a permit l’observation d’une cinétique d’absorption/désorption de 5-TC sur son antigène. Néanmoins, une réelle détection spécifique ne peut être atteinte qu’avec un instrument multiplexé en transducteurs. Une telle configuration est possible, mais n’a pas encore été développée. Par contre, l’instrument de mesure réalisé peut être utilisé tel quel pour des applications très diverses, de la mesure de coefficients de diffusion à l’étude d’effets thermiques locaux. / Optofluidic evanescent field sensing, especially microresonator-based label-free biochemical sensing, is an emerging technology under intensive study. In this context, we demonstrate that polymeric microring resonators are excellent transducers. It is partly due to the simplicity and cost-efficiency of their fabrication and integration, and also to their robustness: a fast, repeatable and low-cost method was developed to fabricate devices with long lifetimes and state-of-the-art performances. A second advantage is the extreme sensitivity achievable to grafted molecules: a detectable signal was obtained with only a few hundreds of 5-TAMRA-cadaverine (5-TC) molecules, relatively small as compared to nucleic acids, antibodies and other biomolecules. The surface immobilization of 5-TC molecules was achieved after a simple and reproducible UV/ozone procedure for surface preparation. However, the qualities of polymer microring resonators only become apparent when coupled to high-precision instrumentation. In that respect, a measuring instrument was built to detect minute and real-time variations of the optical resonances, and thus in an optofluidic regime. The detection of absorption and desorption of 5-TC molecules on a surface functionalized with its antibody was achieved. However, truly specific responses of the instrument would only be achieved in a multiplexed configuration. Such configuration is achievable, but has yet to be developed. Meanwhile, the measuring instrument, as is, can be used for a wide variety of applications, from the measurement of dispersion coefficients to the study of local thermal effects.

La mesure des niveaux de rayonnement est une exigence essentielle dans le LHC et ses lignes d'injection afin de quantifier les effets des radiations sur l'électronique et de fournir une connaissance détaillée du champ de rayonnement. Le système de surveillance des rayonnements pour l'électronique au CERN, le "RadMon '', a été installé dans les zones critiques où l'équipement est ou sera placé. Les problèmes rencontrés au cours des dernières années d'utilisation du Radmon, et la nécessité d'améliorer la précision et la résolution des mesures a conduit au lancement d'une nouvelle conception du moniteur.Ce travail décrit l'architecture du nouveau RadMon (V6), sa fiabilité dans les environnements radiatifs et de la stratégie adoptée pour choisir et qualifier les capteurs utilisés pour surveiller le champ de rayonnement mixte des accélérateurs du LHC. Les directives du CERN ont été adoptées pour qualifier les composants RadMon sous rayonnement afin de développer une nouvelle architecture à la fois plus tolérante au rayonnement et plus polyvalente que celui de la version précédente. Dans ce contexte, les défis que les tests de rayonnement imposent pour mesurer les Single Event Upsets (SEUs) sur un composant complexe à signaux mixtes tels que le convertisseur analogique-numérique, ont conduit au développement d'une technique de test innovant, qui sera décrit dans cette thèse.L'environnement radiatif complexe du LHC impose un processus de qualification particulier qui sera décrit et discuté dans ce travail pour les RadFets (capteur dose ionisante) et les mémoires SRAM (capteur de fluence High Energy Hadrons).L'utilisation du RadFet dans un champ mixte de rayonnement a été étudié et analysé au moyen de sources de 60Co et de faisceaux de protons de différentes énergies.Les RadFets ont été ré-étalonné en étudiant le débit de dose, les sources de particules, la température, la guérison thermique en fonction de l'épaisseur d'oxyde. En outre, grâce à la nouvelle architecture de la RadMon, de nouvelles configurations de polarisation ont été testées pour améliorer la résolution.Deux types de mémoires SRAM avec des nœuds technologiques de 400 et 90 nm ont été testés et calibrés en suivant une méthode de qualification stricte qui comprend des tests protons,dans la plage de 30 à 400 MeV et neutrons, depuis les énergies thermiques jusqu'à des énergies intermédiaires (~ 14 MeV). La mémoire 90 nm améliore la précision et la résolution de la mesure de la fluence hadronique. En outre, l'utilisation simultanée des deux types de mémoires améliore la précision de la détection des neutrons thermiques par rapport à la version précédente, grâce à d'une procédure qui sera détaillée dans ce travail.Les efforts en vue de l'amélioration de la résolution des mesures de TID pour le nouveau RadMon conduisent à la recherche et à l'étude d'un nouveau type de dosimètre : le dosimètre a Grille Flottante (FGDOS). Le capteur intégrant une électronique complexe, une qualification complète sous rayonnement était nécessaire. Des tests en champ mixte, des tests au 60Co et des tests au protons ont été réalisés afin d'évaluer les performances et les problèmes potentiels du capteur. Dans ce contexte, un modèle analytique du capteur a été conçu pour démontrer que la structure à Grille Flottante pouvait être utilisée comme instrument de mesure du ‘charge yield' à température ambiante et sous des champs électriques faibles.La caractérisation de la tolérance au rayonnement du matériel, le processus de qualification et les étalonnages des capteurs ont considérablement amélioré la fiabilité globale et la qualité des mesures sur la nouvelle version du RadMon. Ces améliorations font du RadMon un instrument de référence pour la surveillance des rayonnements des champs mixtes complexes, tels que ceux rencontrés dans le LHC et sa chaîne d'injecteurs, mais aussi pour d'autres centres de recherche en physique des particules, comme JLAB aux États-Unis, J-PARC au Japon. / The measurement of the radiation levels is an essential requirement in the LHC and its injection lines in order to quantify radiation effects on electronics and provide a detailed knowledge of the radiation field. The radiation monitoring system for the electronics at CERN, the “RadMon'', was installed in critical areas where equipment is or will be placed. Issues experienced in the last years of Radmon operation, the obsolescence of a few fundamental components of the electronic board and the necessity to improve both the accuracy and the resolution of measurements led to the launch of a new design of the monitor.This work describes the architecture of the new RadMon (V6), its reliability in radiation environments and the strategy adopted to choose and qualify the sensors, used for monitoring the mixed radiation field of the LHC accelerators. The CERN guidelines were adopted to qualify the RadMon components under radiation in order to develop a new architecture both more tolerant to radiation and more versatile than that of the previous version. In this context, the challenges that radiation tests impose for measuring Single Event Effects (SEUs) on a complex mixed-signal component such as the Analog to Digital converter, led to the development of an innovative test technique, which will be described in this thesis.The reliability of the RadMon measurements strongly depends on the calibration of its sensors. The complex radiation environment of the LHC imposes a peculiar qualification process which will be described and discussed in this work for the RadFets (Total Ionizing Dose sensor) and the SRAM memories (High Energy Hadrons fluence sensor).The use of the RadFet in a mixed field radiation environment has been studied and analyzed by means of 60Co sources as well as proton beams at different energies.The RadFets have been re-calibrated by studying the dose rate, particle sources, temperature, annealing and fading effects as a function of the oxide thickness. Furthermore, thanks to the new architecture of the RadMon, new biasing configurations have been tested to improve the resolution.Two types of SRAM memories with technology nodes of 400 and 90nm have been tested and calibrated by following a strict qualification methodology which includes tests with protons in the range 30-400 MeV, and with neutrons from thermal energies up to intermediate energies (~14 MeV). The 90nm memory improves the accuracy and resolution of the hadron fluence measurement. Moreover, the simultaneous use of both types of memories permits an improvement on the accuracy of the thermal neutron detection with respect to the previous version, as a result of a procedure which will be detailed in this work.The efforts towards the improvement of the TID measurements resolution for the new RadMon lead to the research and study of a new type of dosimeter sensor: the Floating Gate dosimeter (FGDOS). The sensor embeds complex circuitry, thus a full radiation qualification was necessary. Mixed field radiation tests, 60Co and protons tests have been carried out in order to evaluate the performance and the possible issues of the sensor. In this context, an analytical model of the sensor was developed to prove that the floating gate structure can be used as charge yield measurement instrument at room temperature and at low electric fields.The radiation tolerance characterization of the hardware, the qualification and calibration process of the sensors have significantly improved the overall reliability and quality of the measurements of the new RadMon. These improvements turned it into a reference instrument for radiation monitoring of complex mixed fields, such as the one encountered in the LHC, its injectors chain, and other particle physics research centers, such as JLAB in US, J-PARC in Japan.

Le nombre de terminaux mobiles communicants a fortement progressé ces dernières années. Cette évolution s'est accompagnée de l'intégration de technologies comme WiFi ou Bluetooth dans de multiples appareils (téléphones mobiles, PDA, ...). La connectivité supportée offre la possibilité de constituer des réseaux de façon spontanée, réseaux que l'on appelle réseaux mobiles ad hoc. Dans le cadre de la numérisation du champ de bataille, les militaires en opération sur le terrain seront à court terme équipés de terminaux mobiles communicants. L'objectif de cette thèse, financée par la DGA, est d'apporter des guides méthodologiques et des applications de référence pour aider à la conception de nouveaux services pour ces réseaux mobiles ad hoc en exploitant les spécificités du contexte militaire. Les contributions présentées s'appuient sur deux thèmes qui sont la collecte d'informations sur un champ d'opération et l'édition collaborative d'un document. / Abstract