Ces travaux portent sur le développement d'un capteur capacitif de pluie à électrodes protégées fonctionnant en mode différentiel. Dans un premier temps, les propriétés électriques des différents matériaux constitutifs du capteur sont déterminées expérimentalement. A partir de considérations théoriques, nous avons établi des expressions semi-empiriques traduisant la dépendance en fréquence [10^2 à 10^5Hz] et en température [−40 à +80°C] des permittivités diélectriques, nécessaires aux calculs des capacités. Le capteur est ensuite dimensionné par simulation numérique (méthode des éléments finis) puis fabriqué selon différents procédés de dépôt pour les électrodes. Deux motifs d'électrodes sont étudiés : électrodes linéaires et électrodes interdigitées. La sensibilité à l'eau est évaluée par simulation numérique (film puis gouttes d'eau de volume variable) avant validation expérimentale. L'influence de la température sur les performances du capteur est finalement abordée : les effets de la dilatation thermique des matériaux et de la variation des permittivités diélectriques sont successivement traités. A l'issue de cette étude, l'efficacité du mode différentiel contre l'influence de la température est évaluée.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un capteur inertiel à partir d'un substrat SOI utilisé pour le nœud technologique CMOS 130 nm. L'objectif à long terme, afin de pouvoir adresser des applications grand public, est de fabriquer ce capteur comme une partie d'un circuit en utilisant un procédé de co-intégration NEMS « in IC ». Pour réaliser le démonstrateur accélérométrique, nous répondons aux questions relatives à la conception, la fabrication, la caractérisation et aux phénomènes physiques prépondérants à cette échelle. Nous donnons tout d'abord une vue d'ensemble des NEMS et des MEMS en nous basant sur un état de l'art. Celui-ci nous permet d'entreprendre la réduction d'échelle et de choisir un démonstrateur, un accéléromètre résonant, qui nous sert de cas d'étude pour ces travaux. Nous étudions plus en détail, de façon théorique aussi bien qu'expérimentale, le comportement de ces nano-structures. Une des principales difficultés est de caractériser le composant lui-même. A partir d'une étude théorique, nous choisissons le mode de détection capacitif et en montrons sa faisabilité. Nous réalisons en parallèle la conception de la partie mécanique du nano-système et la définition du procédé de co-intégration. Grâce à l'analyse des résultats, nous pouvons présenter quelques perspectives et des axes de travaux à poursuivre pour une meilleure compréhension au niveau de la conception, de la fabrication et de la caractérisation du NEMS. Ces travaux nous permettent de discuter la faisabilité d'un nano-accéléromètre en vue d'une application grand public, avec le choix du procédé de fabrication basé sur le noeud technologique SOI 130 nm. Ces perspectives ont pour objectifs de permettre la réduction des encombrements et la combinaison des performances du NEMS et du circuit afin de faciliter la réalisation de capteurs pour des applications grand public.

La première partie du manuscrit présente un état de l'art des différentes visions du DFM au sein du processus de conception industriel. Une nouvelle méthode de conception orientée DFM baptisée le DFM² est définie, se basant principalement sur l'intensification des interactions entre la conception et la fabrication. L'étape de conception de cellules se place au coeur de ces interactions afin d'appliquer les améliorations DFM en amont de la conception du circuit. La suite de l'étude présente des résultats visant à s'affranchir de la variabilité observée lors de la fabrication, concernant des domaines comme la planéité ou la lithographie à la fois pour le FEOL et le BEOL. Une étude statistique sur l'étape de métallisation est ensuite proposée, visant à modéliser l'impact de la géométrie du motif des dispositifs de remplissage métalliques sur les performances électriques des circuits. Les résultats permettent de définir de nouvelles conditions de simulation afin de prendre en compte cet effet dès la conception des cellules. Enfin, un outil d'aide à la conception de cellules (DUTY) est proposé. Son objectif est en premier lieu d'accompagner les concepteurs dans la mise en place du DFM² en leur proposant des améliorations DFM basées principalement sur les résultats obtenus précédemment. De plus, son but à long terme est de corréler les modifications DFM réalisées avec les améliorations de rendement attendues.

Les systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) sont des dispositifs de tailles nanométriques composés de structure mécaniques mobiles et de circuits électroniques. Ils intègrent des fonctions électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Leurs but est de détecter une certaine quantité physique et de le convertir dans un signal électrique mesurable. Les structures mécaniques mobiles des NEMS sont principalement constituées par des nano-poutres en silicium, des nano-leviers, des nanotubes de carbone et des nano-fils. Un changement dans l'environnement entraîne un changement dans leurs propriétés mécaniques et électriques (amplitude de mouvement, la fréquence de résonance, facteur de qualité etc.). Cette variation est convertie par des transducteurs appropriés dans un signal électrique. Ces dispositifs permettent la collecte d'informations environnementales comme le changement de température, de pression, de masse et de force. Des capteurs plus performants sont réalisés grâce à leurs ultra-petites masses, hautes fréquences de résonance (10Mhz-1Ghz), grands facteurs de qualité et une faible consommation. Les NEMS permettent une large gamme d'applications potentielles. Ils sont envisagés pour être utilisé dans des applications de détection de force ou de masses ultra-petites, par exemple dans des capteurs chimiques ou biologiques. Malgré, les grands avantages offerts par les NEMS, il n'existe pas encore une technique bien établie pour détecter efficacement le signal électrique généré par le déplacement mécanique de ces nanostructures. Le défi technologique le plus important dans le fonctionnement de ces systèmes est la détection efficace du déplacement nanométrique à des fréquences élevées. L'efficacité de la transduction détermine les performances des dispositifs et fixe leurs limites. L'objectif de cette thèse est orienté sur la résolution de ce problème majeur. La recherche est spécialement conduite sur le développement d'une technique de détection à base de nano-fils pour la transduction du déplacement nano-mécanique dans un signal électrique. Les travaux présentés dans cette thèse ont été organisée autour de trois axes principaux: La première partie vise à évaluer et comparer théoriquement les différents systèmes d'actionnement et de détection de NEMS à base de nano-fils afin de choisir celle qui présente le plus grand gain de transduction et le rapport signal/fond (SBR). Cette approche est cruciale, car ces résultats vont décider la poursuite de nos recherches et les techniques à mettre en œuvre. Ce travail est la base de départ avant de passer au développement. La deuxième partie est dédiée à la fabrication de dispositifs NEMS et à la mise en œuvre d'un système d'actionnement et de détection du mouvement mécanique à des fréquences jusqu'à 100 MHz. Cette étape nous permet de continuer avec l'évaluation expérimentale de l'efficacité de transduction. La troisième partie est centrée sur la caractérisation expérimentale de l'efficacité de transduction. Les paramètres centraux qui vont être explorées sont : le gain de transduction, le rapport signal à fond, le rapport signal sur bruit (SNR), la fréquence de résonance des dispositifs, le facteur de qualité, le déplacement et la résolution ultime de masse. Ces résultats expérimentaux sont d'une grande importance car ils sont utilisés pour confirmer les attentes et valider les analyses théoriques. Enfin, ces résultats sont comparés avec ceux donnés par l'état d'art, afin de mettre en évidence le progrès et la contribution dans ce domaine.

Ce mémoire porte sur la simulation numérique de la réponse des capteurs de pression capacitifs micro-électroniques. Les courbes de réponse du capteur capacitif classique, en fonction d'une pression constante, sont établies. L'auteur examine ensuite les modifications apportées à ces courbes lorsqu'une pression électrostatique est superposée à la pression constante. La suite de ce travail est consacrée à l'étude de capteurs capacitifs de structures plus complexes. Les capteurs à armature déformable d'épaisseur variable sont traités. L'auteur montre l'influence de la variation de l'épaisseur sur la réponse du capteur. Il présente ensuite une étude des capteurs de géométrie polygonale et propose deux applications permettant d'élargir la gamme de pressions. Une analyse du comportement des capteurs en régime de contact est effectuée : la sensibilité des courbes de réponse est nettement améliorée par ce mode de fonctionnement. L'auteur propose finalement une modélisation des capteurs capacitifs en utilisant la théorie non linéaire des fortes déflexions de von Karman. Il est indispensable de tenir compte de cette théorie dès que la déflexion de la plaque sensible est de l'ordre de grandeur de son épaisseur. La simulation des problèmes développés dans ce mémoire fait intervenir des équations et des sytèmes d'équations aux dérivées partielles, linéaires et non linéaires, à deux variables d'espace. La discrétisation de ces équations est effectuée par la méthode générale des différences finies. La résolution des équations résultantes est obtenue par les méthodes itératives du type gradient conjugué et Newton-Raphson. Un logiciel convivial de discrétisation des équations aux dérivées partielles stationnaires linéaires ou non linéaires a été développé. L'auteur présente finalement une étude de la méthode des différences finies curvilignes et de son application à la deflexion des plaques.

La fiabilité est l'un des principaux objectifs de tout fabricant de moteurs électriques. Au cours des 20 dernières années, l'apparition de l'électronique de puissance dans la partie alimentation es moteurs électriques de traction a donné la possibilité de contrôle de couple à toute vitesse de rotation. En utilisant ce type d'alimentation pour les moteurs asynchrones, ceux-ci sont devenus une alternative à coût réduit et très fiable aux moteurs synchrones utilisés auparavant dans la traction. L'inconvénient de l'électronique de puissance, c'est que des fronts dV/dt sont appliqués aux moteurs. Ces fronts excitent les couplages parasites dans les moteurs, de sorte que les courants vagabonds peuvent circuler dans le moteur, et passer par les roulements. Cela amène à une augmentation du taux de défaillance. L'objectif de ce travail est de développer un modèle analytique, utilisable à partir de la phase de conception du moteur, qui permet de prévoir le type et la quantité des courants qui sont susceptibles de se produire.

Le transformateur de puissance est un équipement essentiel d'un réseau électrique et le plus coûteux dans les postes. Pour augmenter son degré de disponibilité et de fiabilité, il est nécessaire d'appliquer la manœuvre contrôlée afin de diminuer la saturation du noyau lors de l'enclenchement, et donc limiter les courants d'appel. Ces derniers sont asymétriques, d'amplitude élevée, et riches en harmoniques. Ils peuvent causer des effets indésirables comme le disfonctionnement des dispositifs de protections, l'endommagement mécanique des enroulements du transformateur et réduire en général la durée de vie et la qualité des systèmes. Une technique efficace pour réduire ces courants d'appel est de mettre sous tension le transformateur quand le flux dynamique généré par la source est égal à son flux rémanent. Un modèle simplifié du transformateur de puissance est adopté pour l'analyse des phénomènes physiques liés à l'application des manœuvres. Pour évaluer le degré de faisabilité de cette technique, des simulations sont effectuées en utilisant le simulateur de réseau EMTP. Les contraintes requises pour chacun des composants du système de manœuvre contrôlée comme les segments de ligne, les disjoncteurs sont étudiées en détail pour déterminer l'algorithme de calcul de l'instant optimal de manœuvres. Ensuite des tests de validation statistiques sont effectués afin d'évaluer les performances des différentes approches employées. Enfin une étude consacrée à la reconstitution du flux rémanent via un transformateur capacitif de tension (TCT) est menée pour appliquer l'algorithme de manœuvre contrôlée dans les postes en utilisant les équipements de mesure déjà existants.

Le capteur de pression étudié résulte de l'assemblage hybride d'une cellule sensible capacitive en technologie Silicium/Pyrex et d'un convertisseur capacité/fréquence basé sur le principe de la charge et de la décharge d'une capacité à courant constant. La modélisation de la réponse de chacune des deux parties permet d'établir la fonction de transfert du capteur. La détermination précise des différents paramètres s'effectue à partir d'une approche mixte fondée sur la simulation numérique et sur la caractérisation expérimentale de la cellule et du circuit. L'étude des comportements d'un montage inverseur et d'une architecture ratiométrique montre la faisabilité d'un capteur dans lequel la nonlinéarité et les dérives thermiques s'autocompensent en grande partie. Dans une plage de fréquence de l'ordre de dix pour-cent de la fréquence à pression nulle, le démonstrateur de capteur présente une nonlinéarité inférieure à 1 % et une dérive thermique par degré Celsius égale à deux cents millièmes. La simulation numérique indique que pour optimiser les performances du capteur ratiométrique, il faut que les deux voies de référence et de mesure soient identiques. Cet optimum peut être quasiment atteint en intégrant sur un substrat commun de silicium les deux convertisseurs. Les essais expérimentaux révèlent également des phénomènes d'interférences entre les oscillateurs véhiculés au travers des capacités de recouvrement des transistors MOS. La minimisation de ce problème peut s'obtenir en ajoutant une capacité de découplage suffisamment grande entre les oscillateurs. L'ensemble de ces résultats obtenus permet de conclure que les principes et les technologies utilisées sont adéquats pour développer une nouvelle famille de capteurs de pression miniatures relativement précis (de l'ordre de 1 % de l'étendue de mesure), peu coûteux et facilement interfaçables avec des réseaux de communication numériques.

Ces travaux portent sur le développement d'un capteur capacitif de pluie à électrodes protégées fonctionnant en mode différentiel. Dans un premier temps, les propriétés électriques des différents matériaux constitutifs du capteur sont déterminées expérimentalement. A partir de considérations théoriques, nous avons établi des expressions semi-empiriques traduisant la dépendance en fréquence et en température des permittivités diélectriques, nécessaires aux calculs des capacités. Le capteur est ensuite dimensionné par simulation numérique (méthode des éléments finis) puis fabriqué selon différents procédés de dépôt pour les électrodes. Deux motifs d'électrodes sont étudiés : électrodes linéaires et électrodes interdigitées. La sensibilité à l'eau est évaluée par simulation numérique (film puis gouttes d'eau de volume variable) avant validation expérimentale. L'influence de la température sur les performances du capteur est finalement abordée : les effets de la dilatation thermique des matériaux et de la variation des permittivités diélectriques sont successivement traités. A l'issue de cette étude, l'efficacité du mode différentiel contre l'influence de la température est évaluée.

Ce travail de thèse est consacré au développement d'un capteur acoustique miniature à transduction capacitive destiné à être intégré dans un système RFID afin de dépasser certaines des limitations actuelles de ce dernier. La configuration originale du capteur acoustique étudié lui offre les avantages d'avoir une bonne performance tout en gardant une forme simple qui peut être aisément réalisée avec les techniques MEMS pour une production à grande échelle. Ce transducteur est constitué d'une membrane circulaire ou carrée et une électrode arrière centrée, de même forme mais de dimensions plus petites, séparées par une très fine couche de fluide, ainsi qu'une petite cavité située à la périphérie de l'électrode, de dimensions extérieures très proches de celles de la membrane. Le comportement de ce capteur est analysé en détail. Cette étude se base sur deux approches mathématiques originales (analytique et numérique), dont les résultats convergent malgré un niveau différent des hypothèses-simplificatrices sur lesquelles reposent ces deux modèles.Finalement, une méthode de réalisation du transducteur en technologie hybride, qui associe le procédé MEMS avec les techniques classiques des circuits imprimé, est présentée. Le prototype développé est aussi caractérisé expérimentalement et les résultats obtenus correspondent bien aux caractéristiques fournies par les modèles théoriques. / This work is devoted to the development of capacitive miniature acoustic sensor to be integrated in an RFID system in order to exceed some of its current limitations.The unusual configuration of the studied sensor offers the benefits of having a significant performance while keeping a simple form that can be easily achieved with standard MEMS techniques and thus successively marketed in perspective. This transducer consists of a circular or square membrane, a centered backing electrode with the same shape, but with smaller dimensions which define a thin fluid layer between them, and a small cavity at the periphery of the backing electrode whose external dimensions are very close to the ones of the membrane. The architecture of the developed sensor is the subject of a deep theoretical study of its behavior. This investigation is based upon two original mathematical approaches (analytical and numerical ones) whose results show a high convergence despite the different-levels of simplifying assumptions on which these models are based.Finally, the transducer is made with the use of a hybrid technology, that includes the MEMS process associated with conventional printed circuit manufacturing techniques, which is presented step by step. The developed prototype is characterized experimentally and the measured results correspond to the ones predicted by theoretical models.